年产50000吨柠檬酸发酵车间设计

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Thisdocumentisforreferenceonly-rar21year.March年产50000吨柠檬酸发酵车间设计PAGE39南阳理工学院本科生毕业设计学院（系）：生物与化学工程学院专业：生物工程学生：****指导教师：李慧星（讲师）完成日期2009年5月南阳理工学院本科生毕业设计年产50000吨柠檬酸发酵车间设计Designancitricacidfermentationworkshopplantwith50,000tonsannualoutput总计：毕业设计（论文）38页表格：7个插图：3幅南阳理工学院本科毕业设计年产50000吨柠檬酸发酵车间设计Designancitricacidfermentationworkshopplantwith50,000tonsannualoutput学院（系）：生物与化学工程学院专业：生物工程学生姓名：****学号：****指导教师（职称）：李慧星（讲师）评阅教师：完成日期：2010年2月~6月南阳理工学院NanyangInstituteofTechnology年产50000吨柠檬酸发酵车间设计生物工程专业田彬[摘要]本设计采用玉米原料发酵,只需将玉米磨粉,加水调浆,直接加入少量α－淀粉酶液化后,灭菌、冷却,即可接种发酵。制备柠檬酸一般采用晒干的玉米作为原料。玉米含水13%、淀粉70%左右、蛋白质6%左右。玉米原料中的蛋白质可作为氮源供菌体生长。玉米原料中含有铁、镁、钾、钙等的无机盐,选用的黑曲霉C0527对这些成分不敏感,故不必对原料做任何预处理。本设计采用好气液体深层发酵、钙盐法提取技术生产柠檬酸。这两种方法都是国内比较流行的生产方法，有着大量的实际经验，易于操作，风险小。通过工艺流程设计、工艺衡算、设备选型和车间布置设计，设计出年产50000吨柠檬酸发酵车间采用20个200m3发酵罐和7个30m3种子罐等。并依据生物工程工厂车间布置原则，对发酵车间进行合理布置，绘制了工艺流程图和车间布置图.完成了年产50000吨柠檬酸发酵车间的设计。工艺设计结果为柠檬酸的生产提供一定参考。[关键词]玉米深层好氧发酵黑曲霉柠檬酸设备设计及选型Designancitricacidfermentationworkshopplantwith50,000tonsannualoutputBio-engineeringMajorTianbinAbstractThedesignofrawmaterialsusedcornfermentation,simplycornmills,water-paste,addingasmallamountofdirectα-amylaseliquefaction,sterilization,cooling,fermentationcanbevaccinated.Preparationofcitricacidnormallyusedasrawmaterialsdriedcorn.Cornmoisturecontentof13%,about70percentofstarch,proteinabout6percent.Cornrawmaterialsintheproteincanbeusedassourceofnitrogenforcellgrowth.Cornrawmaterialscontainingiron,magnesium,potassium,calciumofinorganicsalt,optionalblackAspergillusnigerC0527isnotsensitivetotheseingredients,itneednotdoanypretreatmentoftherawmaterials.Thedesignofagoodgasliquidsdeepfermentation,drycalciumcitrateextractiontechnologyproduction,moreoverintroducedthecitricacidfermentsintechnicalprocessandfermentativeprocesseachcontrolmainpoint.Thetwomethodsaremorepopulardomesticproductionmethods,hasagreatdealofpracticalexperience,easytooperate,therisksmall.Throughprocessdesign,processcrossoperator,equipmentselectionandfacilitylayoutdesigntotheannualoutputof50,000tonsofcitricacidfermentationplantby11fermenterswith550m3and4seedscanswith55m3.Andfactoryfloorlayoutbasedontheprinciplesofbiologicalengineering,thereasonablelayoutofthefermentationplant,renderingtheprocessflowdiagramandplantlayout.Designancitricacidfermentationworkshopplantwith50,000tonsannualoutput.Processdesignforthecitricacidproductionresultsprovidesomereference.Keywords:CornDeep-seatedaerobicfermentationAspergillusnigerCitricacidEquipmentDesignandSelection目录1．前言 11柠檬酸的介绍 11.1.1柠檬酸的性质 11.1.2柠檬酸的发酵机理 11.1.3柠檬酸的主要用途 31.2柠檬酸工业的历史和国内外产业现状 41.2.1柠檬酸工业的历史 41.2.2世界柠檬酸产业现状 41.2.3我国柠檬酸产业现状 51.3我国柠檬酸工业展望 51.4本设计的意义和主要任务 61.4.1本设计的意义 61.4.2本设计的主要任务 72生产工艺 82.1生产方法 82.2工艺流程 82.3操作工艺 93工艺计算书 123.1物料衡算 123.1.1工艺技术指标及基础数据 123.1.2原料消耗计算 123.1.3发酵醪量的计算 133.1.4接种量 133.1.5液化醪量计算 133.1.6成品柠檬酸 143.1.7淀粉质原料年产5万吨一水柠檬酸厂总物料衡算 143.2热量衡算 153.2.1液化热平衡计算 153.2.2发酵过程中的蒸汽耗量的计算 153.2.3发酵过程中的冷却水耗用量计算 173.2.4发酵过程中的无菌空气耗用量的计算 184发酵车间设备设计与选型 194.1发酵罐的选型 194.1.1发酵罐容积和台数的确定 194.1.2主要尺寸的计算 204.1.3发酵罐冷却面积的计算 214.1.4发酵罐搅拌器的设计 214.1.5发酵罐设备结构的工艺设计 234.1.6发酵罐设备材料的选择 264.1.7发酵罐壁厚的计算 264.1.8发酵罐接管设计 274.1.9发酵罐支座的选择 284.2种子罐的选型 284.2.1种子罐容积和数量的确定 284.2.2种子罐主要尺寸确定 284.2.3种子罐型号确定 294.3贮罐选型 294.3.1发酵成熟醪贮罐 294.3.2硫酸铵贮罐 294.3.3设备一览表 305全厂及车间布置 325.1全场及车间布置 325.2车间布置设计原则 325.2.1车间布置设计的目的和重要性 325.2.2车间布置的有关技术要求和参数 325.2.3设备的安全距离 335.2.4设备布置原则 34结论 36参考文献 37致谢 381．前言1柠檬酸的介绍1.1.1柠檬酸的性质柠檬酸(CitricAcid)，学名2-羟基丙烷三羧酸，分子式C6H8O7。为无色透明斜方晶系晶体粒，或白色结晶性粉末。无臭，有很强的酸味，味阈值为0.0025%。在温暖的空气中渐渐风化在潮湿空气中微有潮解性。柠檬酸易溶于水，能溶于乙醇，而不溶于乙醚、氯仿、苯、CS2、CCl4及脂肪酸。商品柠檬酸有二种形式：一种是一水物，是由低温（≤36.6℃）水溶液中结晶析出，经分离、干燥后的产物，含结晶水量为8.58%，熔点70～75℃，相对密度d204=1.542。在20℃下100克水中可溶解一水柠檬酸147克。在干燥空气中久置，晶格中的结晶水逸出而风化。另一种是无水物，是由较高温度（>36.6℃）水溶液中结晶析出的。一水柠檬酸转变为无水柠檬酸的临界温度为（36.6±0.15）℃，无水柠檬酸的熔点153℃、相对密度d204=1.6650。[1]1.1.2柠檬酸的发酵机理1黑曲霉的柠檬酸生物合成途径已知生长在葡萄糖培养基上的黑曲霉存在着糖酵解途径(EMP)、磷酸戊糖途径(HMP)、三羧酸(TCA)循环和乙醛酸循环的酶系。经过多年研究，现在普遍认为，黑曲霉利用糖类产生柠檬酸的生物合成途径是：葡萄糖经EMP或HMP降解，形成丙酮酸；丙酮酸一方向氧化脱羧生成乙酰COA、另一力面经CO2固定羧化成草酰乙酸：然后草酰乙酸与乙酰COA缩合生成柠檬酸(图1-1)。图1—1柠檬酸的生物合成途径1-丙酮酸脱氢酶；2-柠檬酸合成酶；3-乌头酸水合酶；4-异柠檬酸脱氢酶；5-α-酮戊二酸脱氢酶；6-琥珀酸脱氢酶7-富马酸酶；8-苹果酸脱氢酶9-丙酮酸羧化酶；10-磷酸烯醇丙酮酸羧激酶氧化脱羧柠檬酸也即是：氧化脱羧柠檬酸乙酰-COAEMP途径丙酮酸葡萄糖乙酰-COAEMP途径丙酮酸葡萄糖羧化草酰乙酸羧化草酰乙酸图1-2柠檬酸合成途径2由淀粉或糖类发酵转化为柠檬酸是一个非常复杂的过程。虽然详细的柠檬酸生物合成及三羧酸(TCA)循环[2][3]的调控机制尚不十分清楚，然而在1981年Rohr及Kubick曾就前人的研究成果及其本身的研究，对黑曲霉发酵生产柠檬酸的调控，包括糖酵解（EMP）及TCA循环作了解释[4]。三羧酸循环又称柠檬酸循环，因在循环反应过程中有柠檬酸等三梭酸而得名，也称克雷布斯循环（KrebsCycle）。即葡萄糖酵解成为丙酮酸，由丙酮酸氧化脱羧生成活性乙酸或称乙酞辅酶A和羧化生成草酞乙酸。活性乙酸与草酞乙酸缩合成柠檬酸。1.1.3柠檬酸的主要用途柠檬酸是当今利用微生物生产的一种极为重要的有机酸，广泛应用于食品、饮料、医药、工、冶金等领域。柠檬酸的用途主要分为食品工业、医药工业和化学工业三个方面。1、在食品工业上的应用：柠檬酸具有令人愉快的酸味，入口爽快，无后酸味，安全无毒，此被称为第一食用酸味剂，被广泛用于饮料、果酱、果冻、酿造酒、冰激凌和人造奶油、制品、罐头制品、豆制品及烟草中。2、在医药工业上的应用：医药上广泛用到柠檬酸及其盐类。柠檬酸盐用于补充相应元素，具有溶解度高，生理宽容性大，酸根直接被吸收代谢而无羁留等优点。柠檬酸糖浆、柠酸铁铵、柠檬酸钾、柠檬酸钠、柠檬酸铜、柠檬酸镁被广泛应用于临床。3、在建筑工业中，可做混凝土缓凝剂，提高工程抗拉、抗压、抗冻性能，防治龟裂。4、在化妆品业中，可做抗氧剂和发泡剂。5、在油田工业方面，柠檬酸铝是一种新型油田化学品，用作水溶性聚合物的交联剂。国外在压裂、堵水、剖面调整等采油工艺中已广泛使用，提高了采油率。6、在化学工业上的应用：柠檬酸及其盐类在工业上的应用发展得最快。柠檬酸被广泛用缓冲剂、催化剂、激活剂、增塑剂、螯合剂、清洗剂、吸附剂、稳定剂、消泡剂等。其中洗涤剂方面的应用增长最大。柠檬酸钠盐的螯合作用很有特异性，可以替代三聚磷酸钠，为绿色环保的无磷洗衣粉的原料。在国际市场上（以1999年欧洲市场为例），柠檬酸用作食品添加剂（主要是饮料）占62%，作洗涤剂的助剂为12%，用于医药和化妆品占11%，其它工业方面的应用占15%。美国柠酸的用量是世界上最大的，年需求量约为25万吨，最大的消费领域是饮料，占45%，加上它食品共占70%，洗涤剂行业消费占20%，还有10%用于化工和医药。在美国，用于食品饮料的柠檬酸大部分从欧洲和日本进口，而用于洗涤剂的柠檬酸大部分是从中国进口的。本是我国第二大柠檬酸出口国，每年从中国进口2万吨左右柠檬酸，目前年消费增长率为34%，消费分布为：食品行业2.1万吨，洗涤剂业1.2万吨，医药业2000吨，其它方面为3000吨。[5]国内柠檬酸主要用于饮料和食品行业。但由于人们饮食习惯，以及市场开发不够等原因，求增长缓慢，年需求量增长仅1%左右。近年来，随着我国环保工作的加强，磷污染引起的境问题日益受到人们的关注，许多地区已禁止使用含磷洗衣粉，使得柠檬酸在洗涤剂行业有了一席之地，但我国柠檬酸人均消费量与发达国家比还有相当差距。随着快速增加的产和缓慢增长的国内需求差距的加大，造成柠檬酸产量严重供大于求，必须依赖出口解决这矛盾。1.2柠檬酸工业的历史和国内外产业现状1.2.1柠檬酸工业的历史自然界中许多微生物能向体外分泌或在环境中积累柠檬酸。但在工业领域中最有竞争力的微生物是黑曲霉。柠檬酸是由瑞典化学家scheere于1784年从柠檬酸果汁中提取制成，并获得结晶。1891年德国微生物学家Wehmer发现青霉菌能生产柠檬酸，其中以黑曲霉产酸最高。1892年，Wehmer从腐败的柑橘上分离出一种产柠檬酸的菌，即橘青霉(Penicilliumcitrinum)。1897年，他又发现淡黄青霉(P.liteum)和梨型发霉(Mucorpiribormis)也有产酸能力[6]。1913年Zahorski首先利用黑曲霉生产柠檬酸。1917年Currie初步奠定了发酵法生产柠檬酸的科学基础。[7]柠檬酸作为一种重要的有机酸，自1923年美国辉瑞(Pfizer)公司建立了第一个以黑曲霉浅发酵法生产柠檬酸的工厂以来，由于菌种选育和生产工艺的不断改进，生产率不断提高。1952年美国Miles实验室采用较为先进的深层发酵工艺实现了工业化大生产，从此柠檬酸的量逐年增加。近年来美国迈尔斯公司采用玉米淀粉为原料，经双曲法水解淀粉为液体葡萄糖进行浓酸深层发酵，发酵液中产酸浓度达22％一23％。最近几年由于许多国家对环保的重视，限制使用含磷洗涤剂，使其应用领域进步拓宽，需求量不断增加。2002年，世界柠檬酸消费量（不含中国）已升至近百万吨，年增率约5%。1.2.2世界柠檬酸产业现状目前，全球柠檬酸的总生产能力接近120万吨/年，中国占50%，世界总需求量为105～110万吨/年，呈供大于求的状况，过剩的生产能力主要在中国。消费以欧美为最大的市场，市场合计消费量占全球总消费量的70%。近几年，国外的柠檬酸生产企业通过兼并、新建又增加了新的生产能力。1998年TATELYLE公司收购了拜耳的子公司HAARMANNREIMER的拉丁美洲和美国俄亥俄州代顿的年产量为60kt的柠檬酸工厂，市场份额增加到了17%。位于奥地利的JUNGBUNZLAUER公司在加拿大安大略湖建立了新工厂以扩大它在北美的市场。2000年6月，该公司与加拿大的CASCO公司签定了长期供应协议，即JUNGBUNZLAUER公司加工CASCO提供的发酵原料来生产柠檬酸，并于2002年初投产。CARGILL公司在巴西乌贝兰迪亚的玉米湿磨厂附近投资建设一家生产工厂。2000年日本三菱株式会社和昭和化工株式会社共同投资在泰国北部建成了年产8000吨精品柠檬酸的工厂，以生产木薯淀粉的副产物木薯渣固体浅盘发酵生产柠檬酸。瑞士ROCHE化学公司和无锡中亚化学公司在无锡合资建立了ROCHE中亚公司，40kt/年柠檬酸的生产线已投入生产，产品将出口到世界各地。以色列Gadot生化公司（GBI）和土耳其Alarko公司，在土耳其投资新建了一家柠檬酸厂，生产能力为25kt，并于2003年第二季度投产。1.2.3我国柠檬酸产业现状我国自1969年开创了具有中国特色的柠檬酸发酵工业以来，柠檬酸生产技术已取得了长足的进歩，尤其是经过几代人的不懈努力，选育出了具有底物粗放（原料无需预处理）、较强的适应性（能采用山芋干、玉米、木薯、大米等多种淀粉质原料进行发酵）、遗传性能稳定、产酸纯度高等优良特性的菌种。将我国的1997～2003年柠檬酸生产产量及出口数量进行对比。如下表1.2.3：表1.2.31997～2003年6月我国柠檬酸生产、出口情况年份产量(kt)同比增长(±%)出口量(kt)同比增长(±%)1997170142.119982001715161999280202101720003692525822.92001385102787.82002425102862.92003年1~6月——18526.7由表可知，我国2000年的柠檬酸产量达到369kt，柠檬酸及柠檬酸盐类出口量为258kt，分别比上年增长26.4%和22.9%。进入新世纪，我国柠檬酸发展的势头不减。2001年，我国柠檬酸产量为385kt，出口柠檬酸及柠檬酸盐278kt。2002年我国柠檬酸产量突破400kt，达到425kt，柠檬酸及柠檬酸盐类出口基本与上年持平，为286kt（其中柠檬酸为260.3kt，柠檬酸盐类为25.8kt）。我国柠檬酸行业由于技术创新相对滞后，在经营管理、产品质量、品牌效应等方面，与跨国公司无法匹敌，已出现严重的供大于求的局面。因此我们必须做出改变，迅速提高并逐步发展我国的柠檬酸工业。1.3我国柠檬酸工业展望我国柠檬酸发酵自工业化生产以来已经走过了40个春秋。据不完全统计，生产厂已超过100家。年生产能力达50多万吨。其中引进三个国家五个公司的提取生产设备30多台套，发酵设备近10台套。应用带式过滤机50多台，其中引进20多台套。1993年产量超过16万吨，其中出口超过14万吨。以国家论，拥有的柠檬酸生产能力已升至世界第一位，产量居世界第二位。

我国的发酵技术及水平特别是菌种及发酵工艺仍为世界领先。玉米粉、淀粉、木薯粉、葡萄糖母液等直接深层发酵技术已为我国所独有，提取收率由于引进国外先进技术与设备也已逐步接近世界先进水平，取得了举世瞩目的成就。

目前世界柠檬酸总产量达110万吨，1993年无水柠檬酸美国市场价格为每吨1800美元；欧洲市场为每吨1600美元。而我国无水柠檬酸在美国市场仅每吨1200美元。因此，具有强大竞争能力。特别是“人关”以后更具有强大的生命力。供不应求的局面将长期存在。我们应及时抓住这难得的机遇，把握住国际市场，结合我国柠檬酸工业情况，应注意以下诸多方面：

1继续选育优良菌种，提高菌种抗氮、抗变质玉米性能，提高稳定发酵水平。改革发酵原料结构，除淀粉外，开发小麦、玉米等多种大量生产作物作为原料，应用于柠檬酸生产。2为了适应生产大型化，要改进目前抱子培养方法，开发干抱子培养制造技术，并使之工业化生产，供各柠檬酸厂使用。这样就可集中研究菌种的筛选、诱变、纯化、复壮、改良及保藏等技术。节省大量人力物力，并能稳定提高工厂生产水平。

3改革并改进发酵设备、提取设备和提取工艺。其中包括：

（1）研究采用大型的无搅拌发酵罐，改进空气净化系统和发酵灭菌消毒工艺。

（2）采用石灰为中和剂代替碳酸钙。改进中和罐、酸解罐的结构与形式。实现pH、“电导”传感器控制中和及酸解终点，实现自动流加、温控，提高改进酸解液浓度及酸解工艺。采用阴离子与阳离子净化，控制工艺用水质量。采用二效三体浓缩及结晶，连续离心结晶。实现密闭连续化、自动化生产。提高产品质量及整个柠檬酸工业生产水平。（3）开展柠檬酸系列产品的开发与研究。改进柠檬酸钠、钾、钱生产工艺。要从发酵液中直接提取这些盐类。此外，对柠檬酸酷（如：柠檬酸三丁醋）虽有研究，具有广阔的前景，但尚未工业化生产，还有柠檬酸本身的品种也需扩大，除生产一水及无水柠檬酸外还应生产液体柠檬酸，工业用柠檬酸等等。供短途客户或使用方便之需要，可节省大量人力与物力。

4开展柠檬酸应用研究，如代替三聚磷酸钠应用于洗涤剂中。开发重垢型液体新一代洗液剂、去垢剂、消泡剂、增塑剂、防腐剂等等。进一步开拓国内外市场，使国内柠檬酸消费量能有较大幅度增长。形成国内外市场并举，促进我国柠檬酸工业发展。

5成立跨国柠檬酸公司，统筹柠檬酸产品及原料进出口、管理技术开发、咨询、转让、服务等。[8]1.4本设计的意义和主要任务1.4.1本设计的意义我国柠檬酸发酵生产虽然取得了长足的进步，但与国外先进水平相比仍有很大的差距。因此提高我国柠檬酸生产的工艺技术水平，实现低消耗、低成本、高效率的生产目标，建立具有竞争力的、更经济的生产体系，对柠檬酸行业的生存和发展有着极其重要的意义。发酵是柠檬酸工业的龙头，发酵水平的高低主导着柠檬酸生产的成本和经济效益。原料和菌种是柠檬酸行业亟待解决的课题。我们目前主要的原料是薯干和玉米。前者仍粗料发酵，它带来了一系列固有的缺陷，如培养基营养成分的波动；大量不参与生化反应杂质空耗能源，并给提取增加额外负担；发酵液总糖浓度偏低，影响了发酵指数和设备利率；发酵液滤渣价值很低，难以综合利用等等。本设计发酵原料采用玉米粉发酵，而没有用国内常用的以薯干为原料生产柠檬酸的发酵技术，虽然我国以薯干为原料生产柠檬酸的深层发酵技术具有独创性，发酵指数处于世界前列，但提取工艺和设备都比较落后，生产能耗高，收率低，产品质量差，单位产值能耗是国际先进水平的180％～240％，收率比国际先进水平低8％～15％，且在生产过程中产生的大量废水，废气，废渣未能有效治理。而采用玉米为原料的发酵方法，不仅因为它营养价值高，更因为它利用率高，经过脱胚芽榨油的渣可转变为饲料，可降低企业生产成本，竞争力较强。从山芋干到玉米粉，是一个飞跃。它使设备的生产能力提高了30％，再也不会出现倒罐的现象，总收率比1994年提高了22个百分点；发酵周期大大缩短，产品全部达到出口标准；其每吨产品成本下降了30％低于国内同行1500元左右，低于国外同行近400美元；粮耗降13％，电耗降35％，水耗降65％；含糖废水COD降低了50％……同时，综合利用每吨柠檬酸新增产值1000余元。因此采用玉米粉发酵技术。1.4.2本设计的主要任务主要任务是完成工艺计算，发酵车间设备设计与选型及车间布置，最后是绘图设计。其中，工艺计算包括物料衡算与热两衡算。物料衡算含有=1\*GB3①工艺技术指标及基础数据=2\*GB3②原料消耗计算=3\*GB3③发酵醪量的计算=4\*GB3④接种量=5\*GB3⑤液化醪量计算=6\*GB3⑥成品柠檬酸=7\*GB3⑦淀粉质原料年产5万吨一水柠檬酸厂总物料衡算。热量衡算包括=1\*GB3①液化热平衡计算=2\*GB3②发酵过程中的蒸汽耗用量计算=3\*GB3③发酵过程中的冷却水耗用量计算=4\*GB3④发酵过程中的无菌空气用量计算。发酵车间设备设计与选型包括发酵罐的选型，种子罐的选型及贮罐的选型。要解决发酵罐的选型则需要解决以下问题=1\*GB3①确定发酵罐的容积和台数=2\*GB3②主要尺寸的计算=3\*GB3③发酵罐冷却面积的计算=4\*GB3④发酵罐搅拌器的设计=5\*GB3⑤发酵罐设备结构的工艺设计=6\*GB3⑥发酵管设备材料的选择=7\*GB3⑦发酵罐壁厚的计算=8\*GB3⑧发酵罐接管设计=9\*GB3⑨发酵罐支座的选择。要完成种子罐的选型则要确定=1\*GB3①种子罐的容积和数量=2\*GB3②种子罐的主要尺寸=3\*GB3③种子罐的型号。同样，贮罐的选型要完成发酵成熟醪贮罐，硫酸铵贮罐及设备一览表。2生产工艺2.1生产方法本次生产工艺设计采用玉米原料为原料，采用玉米直接粉碎调浆，加入定量的高温淀粉酶，加温处理，快速过滤掉过剩的蛋白质及玉米渣后，进行好氧液体深层发酵，钙盐法提取生产柠檬酸。[9]2.2工艺流程本次生产工艺的基本过程是：原料玉米经过磨粉与淀粉酶混合后进行液化，使玉米转化为糖液，糖液经过滤后除去玉米渣。糖液与菌种送至发酵罐，在发酵罐中保持所需温度及不断搅拌下，通入无菌空气进行深层发酵，使糖液转化为柠檬酸,发酵完成后经压滤出去菌丝体。发酵液进入提取中和锅，与相应量的碳酸钙反应生成柠檬酸钙晶体，该晶体送入碳解锅内与硫酸反应，反应结束后经抽滤，出去硫酸钙固体。液相为柠檬酸溶液送后工段进行精制造.溶液先经活性碳脱色，再经阳离子交换柱除去金属离子，再经阴离子交换柱出去酸离子后送入蒸发器加热浓缩，经三级真空蒸发浓缩后获得柠檬酸晶液，晶液经离心过滤得到湿柠檬酸液体，湿柠檬酸晶体再经震动硫化床以热风干燥，最后得到成品。工艺流程图见图2—1所示：成品阳柱废氨水阳柱废酸水再生冲洗水离子交换淡酸水碳柱废碱水沙柱冲洗水浓糖水菌丝体抽滤洗糖水玉米渣糖化洗滤布水洗罐水二压洗滤布水压滤发酵过滤糖化粉碎原料中和酸解沙滤活性炭吸附浓缩结晶阴离子交换阴离子交换成品阳柱废氨水阳柱废酸水再生冲洗水离子交换淡酸水碳柱废碱水沙柱冲洗水浓糖水菌丝体抽滤洗糖水玉米渣糖化洗滤布水洗罐水二压洗滤布水压滤发酵过滤糖化粉碎原料中和酸解沙滤活性炭吸附浓缩结晶阴离子交换阴离子交换图2—1：柠檬酸生产工艺流程示意图[10]2.3操作工艺（1）原料的处理以玉米为原料的柠檬酸生产厂家收购玉米的标准为：淀粉含量不低于65%，水分一般不高于14%，杂质要求不高于5%。贮存玉米的仓库为钢板仓，附有鼓风系统，定期鼓风。首先经刮板、提升等设备输入至粉碎机进行粉碎，加工成60目以上的细颗粒，通过引风机引风将粉碎过的玉米提升至玉米粉刮板机，然后进入调浆槽。粉碎机采用布袋除尘器，一则提高粉碎收率，二则降低玉米粉对大气的污染。粉碎所得的颗粒越细在后续的糖化工序中越容易将淀粉转变成单糖或双糖。调浆用的水质要求不高，蒸汽冷凝水、地面冲洗水都可以，所加工的玉米粉中10%供给发酵小糖化，90%供给原料大糖化。调好浆后泵入配料罐内加上循环水、蒸汽冷凝水等定容至规定的要求，添加氢氧化钙，将PH调到7左右即可，钙的作用主要是激活酶，提高们的效果。最后添加耐高温α淀粉酶。通过泵和加压蒸汽的作用使配好料的玉米浆在层流罐里升至75度左右，同时进行充分的糊化，最后进入维持罐，再加热至95度左右开启搅拌维持40分钟，之后取样加碘液若显原色即代表玉米中绝大部分的淀粉转化为糖类，若显深蓝色则说明糖化不够彻底，需继续延长时间维持。否则不仅会增加粮耗，还会影响发酵周期和产酸，所以在原料车间最主要的是要保证淀粉转变彻底。当然影响其原因的也很多：1、粉碎的颗粒低于60目以下糊化不充分；2、糊化和维持的温度和时间不够；3、糊化进料不够均匀等等。维持好的混合液进板框进行压滤，压成饼状后进一步烘干，变成蛋白饲料，清液即变成糖。在烘干过程中，引风机将干燥时产生的二次蒸汽给排到大气中，但极易引出部分蛋白饲料，为减轻对环境的污染，在引风机前装有湿式除尘器，产生的废水同样用于玉米粉调浆。连续使用的滤布定期清洗，清洗的废水也用于玉米粉调浆。但夏天天气炎热，容易滋生细菌。这类水通常当废水排放，COD很高一般在10000mg/l左右,水量少，无毒害物质。尤其不能提供给发酵车间所直接用的玉米浆的调浆用水，极易造成发酵罐染菌。同时还定期用甲醛对配料罐、层流罐、维持罐、糖液贮槽进行消毒，产生的废水进入污水站，烘干玉米渣的蒸汽冷凝水可提供给粉碎调浆、配料罐定容，这样原料的工作就完成了。（2）发酵工序柠檬酸生产的最重要的一个环节，它的生产水平的高低直接决定着柠檬酸成本的高低，因为柠檬酸生产65%的能耗都集中在发酵车间。首先在电耗方面：几乎每只发酵罐的搅拌电机的功率在200KW左右，不包括供氧所用的大功率空压机，所以当发酵产柠檬酸的浓度高、周期短时柠檬酸的生产成本会直线下降，反之，成本会直线上升。其次在蒸汽方面：发酵罐和种子罐的消罐、小糖化的生产、发酵后的柠檬酸清液加热等（蛋白质絮凝,便于后续板框过滤）都会涉及到很多蒸汽。粉碎机直接提供给发酵的玉米粉，一方面用于发酵车间经糖化后的混合液作种子罐培养基，另一方面作为发酵罐底料，发酵罐放罐和清洗、消罐的水全部进入加热槽后开始往该罐内重新加入底料，同时将黑曲霉菌和降温后的糖液泵入种子罐内进行种子培养，发酵罐底料加完后再加入温度在85度左右的糖液（糖液温度若偏低易酸败），加完糖液后在发酵罐内用沙滤水定容至规定的位置，再用常温的循环水通过罐外的循环水管将混合后的料液换热至36度左右，最后将种子罐的料液泵入发酵罐，同时开启搅拌机、空压机进行供氧。50小时后分析检测发酵液的残糖、还原糖等，若低于要求后即可停止供气和搅拌，准备放罐。放到加热槽内升温至60度后泵入发酵的板框压滤机，经压滤后所得到的清液就是粗柠檬酸，渣就是菌丝体，将菌丝体用地面冲洗水或循环水调浆后再次泵入板框，尽量对菌丝体中的残酸吃干榨尽，提高收率。而菌丝体因PH的上升，更容易出售，可以外卖当饲料。[11]（4）提取工段1、粗柠檬酸清液和石灰（碳酸钙或氢氧化钙）反应得到柠檬酸钙、水和二氧化碳。

通过反应、漂洗得到纯净的柠檬酸钙，其余的全部排入废水中。

2、柠檬酸钙和浓硫酸反应生成硫酸钙（即石膏）和柠檬酸。

硫酸钙通过漂洗、脱水降低水分和残酸，提高柠檬酸（酸解液）收率及石膏售价。酸解液通过预涂过硅藻土或珍珠岩的助滤剂去除悬浮物等杂质。反应后的助滤剂和石膏混合出售。清洗滤布的废水回到酸解锅或离交废水池。

3、柠檬酸经离交柱脱色、去除阴阳离子后即可得到纯柠檬酸清液（离交液）。

加入HCL、NaOH、无离子水对酸解液中的阴阳离子、色度等进行去除，产生的废水即为离交水。

该车间实际上将粗柠檬酸清液提取成纯柠檬酸清液的一个过程，提高柠檬酸溶液的透光率、酸浓度。降低易碳倍数、浊度和阴阳离子等。去除的这些“垃圾”全部进入废水和硫酸钙（石膏）中。（5）精制工段1、离子交换与脱色柠檬酸液从暂贮灌中泵送离交纯化工序，经由阳离于交换塔，阴离子交换塔和活性炭脱色塔，离交脱色除去色泽及影响成品质量加速设备腐蚀的阴阳离子，阴阳树脂需经过酸洗、碱洗再生处理，离交后的柠檬酸精制母液送入蒸发工序。2、蒸发与结晶在提纯溶液进入蒸发部分前，通过精过滤器除去清液中的微小树脂颗粒。精滤后的溶液经热交换器预热后送至双效真空浓缩器经浓缩至特定浓度后，转入真空结晶器，或者低温结晶器进行结晶。以确定产品(一水产品或无水产品)，再经分离将柠檬酸晶粒从液相中分离出来，液相(母液)在分离后分别放至各级母液贮罐，根据其杂质离交浓度情况，送往重新蒸发式回流到前工序处理提纯，晶体送往干燥机。3、干燥与包装从离心机分离出来的湿柠檬酸晶粒被送到流化床干燥器，根据生产品种控制干燥空气、温度及冷却空气量进行干燥，排空经湿式旋风分离器处理排放，干燥后的柠檬酸晶粒通过传送装置运到筛选机，不合格颗粒被筛分出来，溶解后返回到结晶系统，柠檬酸成品进行定量、包装，存放。[12]3工艺计算书3.1物料衡算3.1.1工艺技术指标及基础数据项目内容①生产规模50000t/a99.5%一水柠檬酸折合成45813t/a99.5%无水柠檬酸②生产方法外加耐高温α-淀粉酶液化，深层液体发酵，钙盐干法提取③生产天数每年300天④食用99.5%无水柠檬酸日产量45813/300=152.7，取整数为153⑤食用99.5%无水柠檬酸年产量153×300=45813t⑥产品质量国际药典柠檬酸99.5%（质量分数），副产品约占2%⑦主要原料含淀粉量70%，水分13%⑧α-淀粉酶用量8U/g原料⑨操作参数[13]淀粉糖转化率98.5%，糖酸转化率95%，提取阶段分离收率95%，精制阶段收率98%，倒罐率1%则其得率为；产酸率（即糖发酵液转化率）13%；发酵周期75，发酵温度（351）℃，发酵通风量3.1.2原料消耗计算年产5万吨一水柠檬酸，折合无水柠檬酸，按1995年5月，中国发酵工业协会柠檬酸分会制定的“柠檬酸行业统计办法”（基准：1吨成品柠檬酸）：无水柠檬酸需要量为：50000/1.0914=45813t/a（1）生产无水柠檬酸的总化学反应式：X1921000（2）生产1000kg99.5%无水柠檬酸所需的理论淀粉消耗量：X=1000*（162/192）*99.5%=839.53kg（3）生产1000kg99.5%无水柠檬酸所需实际淀粉消耗量：Kg（4）生产1000kg99.5%无水柠檬酸所需实际玉米粉原料消耗量：kg（5）α-淀粉酶的消耗量:应用酶活力为20000u/g的α-淀粉酶使淀粉液化。α-淀粉酶用量按8u/g原料计算；有：1390.57×103×8/20000=0.56kg3.1.3发酵醪量的计算根据发酵液转化率为13%：1000*99.5%/（95%*98%*13%）=8221.1kg3.1.4接种量接种量为发酵醪的10%，则：3.1.5液化醪量计算因为成熟蒸煮醪为：8221.1-747.37-0.56=7473.17则调浆浓度为：1390.57*100%/7473.17=18.6%粉浆的干物质浓度为：973.4*100%/7473.17=12.54%蒸煮直接蒸汽加热,采用连续液化工艺:操作流程:混合后粉浆温度为50℃,应用喷射液化器迅速使粉浆升温至100℃.升温后进入维持罐,使料液保温20～30min以完成液化,进蒸汽压力保持在0.3～0.4Mpa表压液化完成的醪液由板式换热器降温至35+1℃备用。调浆及液化灭菌时产生的泡沫可用少量泡敌消泡。工艺计算:干物质含量B0=70%的玉米原料比热容为:C0=4.18(1-0.7B0)=2.13kJ/(kg·K)粉浆的干物质浓度为B1=12.54%液化醪的比热容为:C1=B1C0+(1.0-B1)Cw=12.54%×2.13+(1.0-12.54%)×4.18=3.92kJ/(kg·K)Cw-水的比热容取4.18kJ/(kg·K)为简化计算,假定液化醪的比热容在整个过程中维持不变.经喷射液化器前的液化醪量为X:X+X×3.92(100-50)/(2731.2-100×4.18)=7473.17(kg)解得X=6889.4（kg）其中2731.2-喷射液化器加热蒸汽0.3Mpa的焓3.1.6成品柠檬酸日产柠檬酸量为：45813/300=152.7即结晶液中柠檬酸的含量为：152.7需精制液中柠檬酸含量为：152.7/98%=155.8需分离液中柠檬酸的含量为：152.7/95%*98%=164t/d3.1.7淀粉质原料年产5万吨一水柠檬酸厂总物料衡算即对生产4581399.5%无水柠檬酸的玉米原料柠檬酸厂进行计算。[14]（1）柠檬酸成品日产食用99.5%无水柠檬酸量为152.7t，取整数为153t日产副产品为：153*2/98=3.12t则日产总量为：156.12t实际年产量为：食用柠檬酸量为：153*300=45900副产物为：3.12*300=936总产量为：46836（2）主要原料玉米用量日耗量：1390.57*10－3*156.12=217.1t年耗量：217.1*300=65130t（3）根据以上计算，将物料衡算结果列于表3—1。表3—150000玉米原料柠檬酸厂物料衡算表物料名称每吨产品耗物量年产5万吨耗物量每天（每年食用柠檬酸98015345900副产品203.12936玉米原料1390.57217.165130淀粉973.4151.9745591α-淀粉酶0.560.08726.23发酵醪8221.11257.8377348.4接种量747.37114.334304.2成熟蒸煮醪7473.171143.4343018.5玉米浆量6889.41054316223.53.2热量衡算3.2.1液化热平衡计算喷射加热器耗热喷射加热初温t1=50℃加热后t2=100℃醪液的比热容为C1=3.91kJ/(kg·℃)由工艺可知:经过喷射加热器温度由t1=50℃升温至t2=100℃Q=C1×G醪液(100-50)=3.92×6889.4×(100-50)=1350322.4kJ3.2.2发酵过程中的蒸汽耗量的计算（1）蒸汽用量的计算公式整个生产过程采用蒸汽间接加热，蒸汽耗用量计算公式为：式中：η——为蒸汽的热效率，取；I——汽化潜热。（2）基础数据在28下，查得：淀粉的比热容为1.55水的比热容为4.174加热蒸汽的热焓为2549.5加热蒸汽的冷凝水的热焓为1250.60由前面的计算可知：日耗玉米粉量为217.1t/d日耗淀粉量为151.97t/d日耗玉米浆量为1054t/d则日耗调浆用水量为：1143.4-217.1=926.3t/d日耗淀粉浆量为：152+926.3=1078.3t/d淀粉浆中含水量为：（926.3/1078.3）*100%=85.9%淀粉浓度为：（91.3/662.41）*100%=14.1%由此可算得淀粉浆的比热容为：式中：X——淀粉浓度，14.1%Y——水浓度，85.9%（3）生产过程中蒸汽耗量的计算①培养基灭菌及管道灭菌：培养基采取连消塔连续灭菌，进塔温90℃，灭菌130℃则灭菌用蒸汽量：每罐的初始体积为180，初糖浓度是13g/100ml，灭菌前培养基含糖量19%。其数量为：180*13%/19%=123.15t灭菌加热过程中用0.3Mpa，蒸汽（表压）I=2725.3，由维持罐（90℃），进入连消塔加热至130℃，糖液比热容3.69。每罐灭菌时间3h，输料流量123.15/3=41.05t/h，消毒灭菌用蒸汽量：；每天培养基灭菌用蒸汽量：2.78*3*4=33.36t/d；所有用罐空罐灭菌及相关管道灭菌用蒸汽量，根据经验取培养基灭菌用蒸汽量的10%，则：。加热发酵醪所用的蒸汽量：柠檬酸水溶液的比热容可按下式近似计算：式中：0.99——比热容℃——柠檬酸质量分数，=（98.42/771.8）*100%=12.8%t——温度，℃代入上式，得：C=（0.99-0.66*12.8%+0.001*35）*4.19=3.94那么由此可得为：（4）将发酵段蒸汽衡算列于表3—2。表3—2发酵车间蒸汽衡算生产工序日用蒸汽量(t/d)平均蒸汽用量(t/h)年用蒸汽量（t/a）培养基灭菌33.362.7810008加热发酵醪107.254.532175空罐灭菌3.340.141002合计143.957.42431853.2.3发酵过程中的冷却水耗用量计算已知发酵过程中的发酵热为4.18*6000，200的发酵罐一般装料量为180（填充系数为0.9），则已知25的种子罐（填充系数0.7），装料量为17.5将发酵段水衡算列入表3—3。表3—3发酵车间冷却水衡算表生产工序平均耗水量(t/h)日耗水量(t/d)年耗水量(t/a)发酵罐用水1993.84883077598154.4种子罐用水193.85807758155合计2187.791154656309.43.2.4发酵过程中的无菌空气耗用量的计算（1）单罐发酵罐用无菌空气量：根据无菌空气用量的计算公式：V=发酵罐体积*通气速率*填充系数已知：发酵罐体积为200通气速率为0.18填充系数为60%则：V=200*0.18*60%=21.6（2）单个种子罐用无菌空气量：取种子罐的空气消耗量为发酵过程空气耗量的25%,则（3）将发酵车间蒸汽衡算列入表3—4。表3—4发酵车间无菌空气用量衡算表设备名称单罐每小时用气量()单罐每日用气量()每罐每年用气量()年总用气量发酵罐21.6518.41555201866240种子罐5.4129.638880155520总用量2764819440023328004发酵车间设备设计与选型4.1发酵罐的选型当前，我国柠檬酸发酵占统治地位的发酵罐仍是机械涡轮搅拌通风发酵罐，即通常所说的通用罐。选用这种发酵罐的原因主要是：历史悠久，资料齐全，再比拟放大方面积累了较丰富的成功经验，成功率高。此外在柠檬酸发酵生产设备方面，大型气升式发酵罐仍处于试用攻关阶段。从试用情况看，由于气升式罐在生产周期、产酸率、供氧周期波动的影响、通风量增加的综合能耗、生产的稳定性及可重复性等因素，所以多数厂家目前仍延用机械搅拌通风式发酵罐。因而，就本项目而言，按技术成熟，可靠、稳妥的原则，结合柠檬酸工程中的设计经验，通过对罐内空气分配器进行适当改造，成为新型的通风式机械搅拌型发酵罐。其搅拌功率，比相同容积的通用发酵罐降低约10%。从生物发酵行业醪液处理供料的均衡性考虑，发酵放罐间隔时间不宜大于8小时，在技术可靠的前提下，大罐放料容积不大于400。[15]结合目前本行业发酵技术的现状，目前国内行业成熟技术水平、加工技术水平，企业可能达到的发酵控制管理水平等，从生产的可靠性、可实施性等方面考虑，本设计拟采用放罐容积约200的新型通风发酵罐。现以此类发酵罐进行设计选型。4.1.1发酵罐容积和台数的确定（1）发酵初糖浓度：由前面的计算可知，发酵液中柠檬酸的含量为153，则根据：180192可计算出葡萄糖量为：153*180/192=143.4则发酵初糖浓度为：143.4*100/839.53=17%（2）生产能力的计算：现每天产99.5%纯度的柠檬酸153，柠檬酸发酵周期为75（包括发酵罐清洗、灭菌、进出物料等辅助操作时间）。则每天需糖液体积为。每天产纯度为99.5%的柠檬酸153，每吨100%的柠檬酸需糖液7.58；=7.58*153t=1159.7设发酵罐的填充系数，则每天需要发酵罐的总容积为（发酵周期为48h）。=1159.7/90%=1288.6（3）发酵罐个数的确定：现选择公称容积为200的六弯叶机械搅拌通风发酵罐为例，则需要发酵罐的个数为。查表知公称容积为200的发酵罐，总容积为226.5，则：发酵罐所需个数=日产量/每台设备产量*操作周期/24=153/24.2*75/24=19.7个取公称容积200发酵罐20个；每日投（放）罐次：153/24.2=6.3,圆整到7次，日运转11088*66/75=10.45。。（4）实际产量验算：226.5*0.9*7*300=54882>45900.能满足产量要求。4.1.2主要尺寸的计算（1）现按公称容积200的发酵罐计算V全＝V筒+2V封＝230（m3），封头折边忽略不计，以方便计算：则V全＝0.785D2×2D+π/24×D3×2＝230解方程得：D＝5.009（m）取D=5m，H=2D=10m；根据《发酵工厂设计概论》通用发酵罐系数表，查得封头高为H封＝ha+hb==1250+50=1300(mm)。（2）验算全容积：===2304.1.3发酵罐冷却面积的计算对柠檬酸酸发酵，每1发酵液，每1h传给冷却器得最大热量约为4.18×6000kJ/(·h)。采用竖式列管换热器。取经验值K＝4.18×500kJ/(·h·℃)。平均温差为：35℃35℃15℃28℃207代入得：=℃对公称体积200得发酵罐，每次放罐次4罐，每罐实际装液量为：1159.7/7=165.7换热面积F=Q/K=(4.18*6000*165.7)/4.18*500*13.1=151.84.1.4发酵罐搅拌器的设计选用六弯叶涡轮搅拌器。（1）主要尺寸：列该搅拌器的各部尺寸与罐径有一定的比例关系，如下：搅拌器叶径叶宽弧长底距盘径叶弦长叶距弯叶板厚12（2）转速：取四档搅拌，搅拌转速N可根据50罐，搅拌器直径1.05m，转速n=110r/min,以等为标准放大求得：（3）搅拌轴功率：通风搅拌发酵罐，搅拌轴功率的计算有许多方法，现采用修正的脉凯尔式求搅拌轴功率，并由此选择电机。①计算：＝式中：－搅拌器直径，为1.7m－搅拌器转速，为＝80/60＝1.33(r/s)－醪液密度，＝1050kg/－醪液粘度，＝N·s/将数代入上式，得：＝视为湍流，则搅拌功率准数＝4.7②计算不通气时的搅拌轴功率：＝式中：－在湍流状态时其值为常数4.7－搅拌器转速，为1.33(r/s)－搅拌器直径，为1.7m－醪液密度，＝1050kg/代入上式得：＝4.7××1050＝168.849kW四档功率则为：＝4＝659.396kW③计算通风时的轴功率：＝kW式中：－不通气时的搅拌轴功率，－搅拌器转速，为80r/min－搅拌器直径(cm)，－通风量(ml/min)，通风比为，取低限，如通风量变大，会小，为安全，现取0.11，则：＝(1.98×＝3.835kW④求电机功率：＝采用三角带传动＝0.92，滚动轴承＝0.99，滑动轴承＝0.98，端面密封增加的功率为1％，代入公式数值得：＝＝535.830kW查取合适电机。4.1.5发酵罐设备结构的工艺设计（1）空气分布器本罐使用单管进风，风管直径计算见后面的接管设计。（2）档板档板的作用是加强搅拌强度，促使液体上下翻动和控制流型，防止产生涡而降低混合与溶氧效果。本罐因有扶梯和竖式蛇管，故不设档板。（3）密封方式本罐采用双面机械密封方式，处理轴与罐的动静问题。（4）冷却管布置竖式蛇管冷却装置。求最高热负荷下的好水量W：式中：--每1醪液在发酵最旺盛时，1的发酵量与醪液总体积的乘积：=165.7*4.18*6000=4.16*106--冷却水的比热容，4.174KJ/h--冷却水出温，15℃代入上式得：W=22.35kg/s冷却水体积流量为，取冷却水在竖直蛇管中流速为，根据流体力学方程式，冷却管总截面积为：式中：--冷却水体积流量，1.2124*--冷却水流速，1则有：进水管直径冷却管组数和管径设冷却管总表面积为竖直蛇管得组数N，根据管的大小一般取3、4、6、8、12……组，通常每组管圈数不超过6圈，增加组数可排下更多的冷却管，管与搅拌器的最小距离不应小于250mm；每圈管子的中心距为2.5，管两端U型或V型弯管，可弯制或焊接，安装是每组竖直蛇管用专用夹板夹紧，悬挂在托架上。夹板和托架则固定在罐壁上，管子与管壁的最小距离应大于100mm，主要考虑便于安装、清洗和良好传热。根据发酵罐的实际情况，取管径。由上式得：查金属材料表选取无缝管，＝68mm>，＝72mm，现取竖蛇管圈端部U型弯管曲径为200mm，则两直管间距离为400mm，总长度：＝＝3.14×400＝1256mm冷却管总长度L的计算：冷却管总面积F＝151.3，无缝钢管为，每米的冷却面积为：冷却管占有体积：每组管长和管组高度：另需连接管可排竖直蛇管的高度，设为静液面高度，下部可伸入封头250mm。设发酵罐内附件占有体积为0.5,则总占有体积：由前可知，=则管筒体部分液深为：竖蛇管总高：又两端弯管总长：则直管部分高度：则一圈管长：每组管子数：（圈），取（圈）现取管间距为竖蛇管与管壁的最小距离为0.15m，则可计算出与搅拌器的距离在允许范围内（不小于200mm）。校核布置后冷却管的实际传热面积：可满足要求。4.1.6发酵罐设备材料的选择发酵设备的材料选择，优先考虑的是满足工艺的要求，其次是经济性。有机酸发酵，考虑到对产品质量和产量的影响，安全性，后道工序除铁困难，腐蚀性强等，必须使用加工性能好，耐酸腐蚀的不锈钢，采用制作发酵设备。4.1.7发酵罐壁厚的计算（1）确定发酵罐的壁厚Smm式中：P—设计压力，取最高工作压力的1.05倍，现取P=0.4MPa;D—发酵罐内径，5000mm[σ]—不锈耐酸钢的许用应力；φ—焊封系数，由D=5000mm>800mm,双面对接焊局部探伤，取φ=0.9；C—壁厚附加量；其中：--钢板负偏量，视钢板厚度查表确定，其范围为--为腐蚀余量，单面腐蚀取1mm，双面对接焊局部探伤，取φ=0.9；--加工减薄量，对冷加工C=0.5+0+0=0.5mm则：S=0.4*500/（2*131.29*0.9-0.4）+0.05=8mm选取10mm厚不锈耐酸钢。封头壁厚计算标准椭圆封头的厚度计算公式如下：代入数得：S=0.4*5000/（2*131.29*0.9-0.4）+1.5=9.97mm选取10mm厚不锈耐酸钢。4.1.8发酵罐接管设计（1）接管的长度H设计取接管长度为8m。（2）接管直径的确定该管实装醪量174.34，设5h内排空，则物料体积流量：Q=174.34/（3600*5）=9.7*发酵醪流量取；则排料管截面积：由得：管径取无缝钢管认为适用。若接通风管计算，压缩空气在下，支管气速为，现通风比，为常温20℃，0.1MPa下的情况，要折算到0.4MPa，36℃状态下，风量Q，取最大值，利用气态方程式计算工作状态的风量：取风速V=25m/s，则风管直径：因通风管也是排料管，故取两者中的大值，取无缝钢管，可满足工艺要求。（3）排料实践复核：物料流量流速管道截面积在相同流速下，流国物料因管径较原料计算结果大，则相应流速比为：倍排料时间：4.1.9发酵罐支座的选择对于以上的发酵罐，由于设备重量较大，应选用裙式支座。4.2种子罐的选型种子罐的选型同发酵罐，采用机械搅拌通风发酵罐。4.2.1种子罐容积和数量的确定（1）种子罐容积的确定：接种量按10%计算，则种子罐容积为：式中：——发酵罐总容积。种子罐个数确定：种子罐与发酵罐对应上料。发酵罐平均每天上7罐，需种子罐7个。种子罐培养20h,辅助操作8~10h,生产周期约25h，因此，种子罐7只就足够。4.2.2种子罐主要尺寸确定种子罐仍采用几何相似的机械搅拌通风罐。，则种子罐总容积：；简化计算方程如：整理后，圆整到推荐的系列尺寸，取则：查相应表得封头高：罐体总高：查表选取椭圆封头直边高度：圆筒容量：不计上封头容积：校核种子罐总容积：比需要的种子罐容积23m3大，可满足设计要求。4.2.3种子罐型号确定由上述计算，选用容积为30m3的机械搅拌通风式发酵罐作为种子罐。4.3贮罐选型4.3.1发酵成熟醪贮罐根据化工原理贮罐类设计原则，便于计量和清洗，不宜多，一般不超过3支本设计根据生产规模的需要，选择1支发酵成熟醪贮罐。（采用蒸汽直接加热，装料系数取0.7）。则有：，分三班运做，则，取筒径高比H=2D，有：，取整D=6m,则H=2D=12m，,满足要求。4.3.2硫酸铵贮罐按前计算，硫酸铵总量按对接种量质量比0.5%，得硫酸铵用量：G=0.35t/d，流加硫酸铵溶液为40%，最终重度为5。（1）则每天用硫酸铵溶液体积为取（2）计划硫酸铵溶液制备灭菌工作安排三班作业，每班配制硫酸铵溶液，占全天使用量的1/3，则每支罐体积为（3）灭菌所需热量由内列管提供。取H=2D，有：圆整到推荐的系列值，取D=3.8m，H=7.6m则，满足要求。（4）材料的选择根据硫酸铵的浓度，温度，及腐蚀性，本设备选用不锈钢制作。4.3.3设备一览表其他设备都作为辅助设备要根据生产能力，按物料衡算结果进行选型。现将发酵车间所选设备结果见表4—1：表4—1年产5万吨柠檬酸发酵车间设备一览表序号设备名称规格与型号台数材料备注1发酵罐公称容积200，201Gr18Ni9Ti钢专业设备2种子罐公称容积30，7钢专业设备3预过滤器JLS-Yu-04520金属镍专业设备4蒸汽过滤器JLS-F-03520金属镍专业设备5金属过滤器JLS-04520金属镍专业设备6液化醪泵IS80-50-2001机体铸铁通用设备7硫酸铵溶液输送泵IS80-50-2001机体铸铁通用设备8种子液输送泵IS80-50-2007机体铸铁通用设备9发酵醪液输送泵IS80-50-2007机体铸铁通用设备10自来水输送泵IS80-50-2001机体铸铁通用设备11硫酸铵贮罐V=93.311Gr18Ni9Ti钢非标准设备12发酵醪贮罐V=367.211Gr18Ni9Ti钢非标准设备13调浆桶V=621Gr18Ni9Ti钢专业设备14液化维持罐V=1211Gr18Ni9Ti钢专业设备合计109台5全厂及车间布置5.1全场及车间布置在本设计中，作为一个面向现代化的柠檬酸工厂，在设计中厂区的交通，卫生，环境要求都比较高，各车间的布局要合理，便于生产的顺利进行，将生产区和办公大楼分开建设，一个完善而先进的污水处理站也是必需的。同时，还应该有工人娱乐场，工会组织等。车间布置设计的目的是对厂房的配置和设备的排列作出合理的安排，并决定车间，工段的长度，高度和建筑结构形式，以及各车间之间与工段之间的相互关系。车间布置设计必须在充分调查的基础上，掌握必要懂得资料作为设计的依据或参考。这些资料包括：生产工艺流程图，物料衡算数据及物料性质，设备资料，公用系统耗用量，土建资料和劳动安全，防火，防爆资料，车间组织及定员资料，厂区总平面布置，有关布置方面的一些规范资料。本设计负责年产50000吨一水柠檬酸厂发酵车间工艺设计，其主要工序包括液化醪→发酵醪→发酵成熟醪→至提取。车间布局包括三层楼。发酵罐因罐体较大贯穿于第1、2、3层；种子罐与硫酸铵贮罐贯穿于第1、2层；泵体一般安装于第1层，除主物料液化醪的输送泵置于第2层楼，（为了节省能耗，从液化段的喷射冷凝器直接送到二楼）；而发酵液贮罐因罐体庞大且无特殊要求，可置于发酵车间的室外；金属过滤器都安装于第3层，便于对发酵罐操作。这样的布局符合柠檬酸生产的工艺要求。具体布局见附图。5.2车间布置设计原则5.2.1车间布置设计的目的和重要性车间布置设计是为了对厂房中的设备，原材料的放置进行合理的安排，从而确定车间大小，并在其基础上尽量节省开支，通过对工厂车间的布置做到使工艺流程做到最优化。车间的布置需要深思熟虑，仔细推敲，从而在不同的方案中选择最为合理的方案。车间布置设计室以工艺为主导，并在其他专业，如总图、土建、设备、安装、电力、暖风、外管等密切配合下完成的。因此在进行车间布置设计时，要集中各方面意见，最后由工艺人员汇总完成。[16]5.2.2车间布置的有关技术要求和参数车间布置设计的目的是对厂房的配置和设备的排列作出合理的安排，并决定车间、工段的长度、宽度、高度和建筑结构形式，以及各车间之间与工段之间的相互联系。优良的车间布置应该满足技术先进、节省投资、操作维修方便、设备排列简洁、紧凑、整齐、美观。车间的布置设计还要符合生产工艺、操作、设备安装和检修、节约等要求。在本次设计中，之所以选择糖蜜为原料，也是考虑到糖蜜为原料的发酵工艺较其他几种简单，同时对设备的要求相对较小，从而达到节约资金。在这次设计之中，由于发酵罐，种子罐等设备高度较高，从而选择了采用3层厂房的设计，而多层厂房各层楼板、地板表面之间的层高应采用300mm的倍数。在这里，我选用了600mm层高，能够满足大多数设备勿需穿层，且另外几种较大设备也可以合理分配。发酵工厂厂房一般有长方形、L型、T型和II型。其中长方形最常用，本次设计也是选用以长方形为基准的车间。柱距多层厂房的柱距应采用6m，当采用方格式柱网时，一般由6×6m组成，目前有一些工厂为满足工艺布置和设计的需要而采用较大的柱网尺寸，所以，由于考虑设备大小因素，选择了9m×15m。楼梯由于选择了3层车间设计，所以楼梯时车间中不可缺少的一部分，车间一般布置在建筑物的出入口附近。由于本车间较大，故选择了2个楼梯，楼梯宽度为1200mm，坡度为30°跨度多层厂房的总宽度，由于受到自然采光和通风的限制，一般不宜超过24m。在此次设计中，选择了15m的跨度，车间总厂49.8m5.2.3设备的安全距离设备的安全距离设备之间或设备与墙之间的净间距大小，无统一规定，设计者应根据设备大小，车间布置要求，设备上连接管线多少，管径粗细，检修的频繁程度等各种因素，再根据生产经验，决定其各种设备的安全间距，从而保证工厂生产中的安全，消除安全隐患。表5—1部分设备的安全距离项目净安全距离/m①泵与泵的间距不少于0.7②泵离墙的间距至少1.2③计量罐与计量罐的间距0.4—0.6④贮罐与贮罐间的距离0.4—0.6⑤离心机周围通道不小于1.5⑥过滤机周围通道1.0—1.8⑦反应罐盖上窗洞装置离天花板距离