生产吨柠檬酸工艺设计.docx
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生产吨柠檬酸工艺设计
年产20000吨柠檬酸工艺设计
第一部分文献综述
第二部分课程设计部分
第一部分文献综述
1.柠檬酸
1.1简介
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颗粒，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。
柠檬酸根据结晶条件不同，它的结晶形态有无水柠檬酸和含结晶水柠檬酸。
商品柠檬酸主要是无水柠檬酸（C6H8O7）和异柠檬酸（C6H8O7·H2O）。
异柠檬酸由低温（低于36.6℃）的水溶液中结晶析出，经分离干燥后的产品，分子量210.14，熔点70—75℃，密度1.542。
放置在干燥的空气中，异柠檬酸中的结晶水会逸出风化。
无水柠檬酸是在高于36.6℃的水溶液中结晶析出的，分子量192.12，密度1.665。
异柠檬酸转变为无水柠檬酸的临界温度为36.6士0.15℃[1]。
1.2应用
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、化工、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。
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，因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、淹制品、罐头制品、豆制品及烟草中。
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时，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、柠檬酸铁铵、柠檬酸钾、柠檬酸钠、柠檬酸铜、柠檬酸镁被广泛应用于临床。
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。
柠檬酸被广泛用于缓冲剂、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。
其中在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，作为绿色环保的无磷洗衣粉的原料[2]。
2柠檬酸的生产工艺
2.1生产工艺概述
本项目采用玉米为原料，玉米粉碎调浆后利用喷射液化工艺进行玉米浆的液化，液化醪过滤除渣得液化清液，液化清液再进入发酵工段。
在提取工段，本项目采用国内先进的“吸交法”提取柠檬酸工艺。
柠檬酸的生产全过程可划分为四个工艺阶段：
（1）发酵原料的的预处理；
（2）玉米粉调浆和液化；（3）发酵生产柠檬酸；（4）柠檬酸的提取和精制。
及这四个工艺流程相适应，需要配置原料制备车间、发酵车间、分离纯化车间。
2.2工艺流程
以玉米为原料，经粉碎、调浆、液化、过滤、发酵、阴离子交换、解脱液煮沸、脱色、阳离子交换、二次脱色、蒸发浓缩、结晶、离心分离、干燥后得成品。
工艺流程如下：
玉米渣菌丝体
↑↑
玉米→除杂→粉碎→调浆→液化→过滤→发酵→过滤
↓
阳柱转型←过滤←活性炭脱色←解脱液煮沸←阴离子交换附
↓
二次脱色→蒸发浓缩→冷却结晶→离心分离→干燥→包装→柠檬酸成品
2.3基本步骤
2.3.1原料预处理
将原料玉米除杂后进行粉碎，60目过筛得合格的玉米粉。
2.3.2玉米粉调浆和液化
向调浆罐通过物料输送机输送玉米粉；按质量比（玉米粉：
水）为1:
4.5的比例加入65℃的水，利用碱性盐Na2CO3溶液调节浆料pH在5.0～7.0范围内，并加入0.1%氯化钙，作为淀粉酶的保护剂和激活剂。
最后加入粉耐高温α-淀粉酶（酶活力20000U/g，加入量为10U/g玉米粉），混合均匀，将物料打入高压喷射器，在喷射器中粉浆和蒸汽可直接瞬间接触，出料温度105℃。
从喷射器中喷出的液料，经过冷却降温系统使液料温度降至97℃，并将其倒入层流罐保温30分钟，保温罐温度维持在95℃[3-5]。
然后进行二次喷射，在第二只喷射器内液料和蒸汽直接接触使温度迅速上升至130℃，并在维持罐内维护8分钟左右，彻底杀死耐高温α-淀粉酶，进一步凝固聚沉蛋白质，对处理后的物料进行过滤处理，滤液经过真空闪急冷却系统进行冷却，然后将液料打入二次液化罐，使液料温度降低到95℃，在二次液化罐内加入耐高温α-淀粉酶（酶活力为20000U/g，加入量为8U/g玉米粉），液化30分钟，碘试合格后，结束液化。
2.3.3发酵
液化醪过滤除去玉米渣得液化清液，温度降至37℃后打入发酵罐，同时按以下质量体积比向发酵罐内加入已灭菌的0.9%尿素、0.1%KH3PO4、0.25%MgSO4和10%种子液。
发酵温度控制在34℃，pH6.7左右，发酵周期约72h。
发酵结束后，发酵液经真空转鼓过滤机除去菌丝体得发酵清液，菌丝体是优质饲料的原料，发酵清液进入提取精制工段[3-5]。
2.3.4提取和精制
发酵清液经过8310＃阴离子交换吸附树脂将柠檬酸和其它杂质分离（交换过程中，改变吸附交换柱内压力，调压力为4.9×106Pa至放空，反复2到3次），然后用10%的NH4OH解脱得解脱液。
向解脱液中加碱液调节pH9.0，在常压下加热煮沸10分钟，取出后加入粉末状活性炭（5g活性炭/L解脱液），过滤除去有机杂质和部分色素等残渣获得清液[6-8]。
清液经阳离子交换树脂去除氨根离子，然后进行二次脱色得到18%的柠檬酸液。
将此纯净柠檬酸液经蒸发浓缩后进行结晶，然后用离心机分离母液和晶体，母液返回再次吸附交换，晶体进行干燥得合格的柠檬酸[9]。
过程可以使吸附交换树脂充分搅动，所以不需要像离交法那样在洗胶工序后树脂仍需批批再生，降低了水、酸、碱的消耗。
调节解脱液pH，提高分离杂质的效果。
从阴离子交换树脂流出的解脱液加碱调节PH至8～10，可以破坏柠檬酸解脱液的胶体稳定性，从而使混入的少量可溶性蛋白质、糖、胶体、杂酸等杂质絮凝从解脱液中分离。
“吸交法”[10-13]。
采用碱解脱法，避免原来酸解脱法存在的还原糖偏高、易碳化合物不达标的缺点。
及传统的钙盐法相比，提取收率由原来的75%左右提高到80%，提高了产品质量，降低了生产成本。
2.3.5成品包装
干燥合格的柠檬酸晶体经包装后运送成品库。
3国内外柠檬酸生产情况及展望
自21世纪以来，柠檬酸产业的竞争加剧，许多小企业纷纷退出该领域，这使全球柠檬酸的生产和进出口更加集中。
目前，柠檬酸的主要产地有中国、美国和西欧。
柠檬酸的主要出口国有中国、奥地利、捷克、美国、英国、爱尔兰、德国、巴西、荷兰、哥伦比亚。
2005年上半年，全球柠檬酸总出口量为36.5万吨，上述十国的出口量之和占全球总出口量的92.6%。
我国从20世纪60年代开始生产柠檬酸，近10年来，由于出口的刺激，生产能力和产量增长很快。
1985年我国柠檬酸的产量只有3.7万吨/年，到2001年产量达约38.0万吨/年，2002年达到约40.0万吨/年。
2004年我国柠檬酸总产量达54万吨。
2007年国内柠檬酸产量76万吨，共出口70.83万吨，柠檬酸生产企业近百家，总产量居世界第一，出口遍布美国、比利时、荷兰等国，是世界上最大的柠檬酸出口国。
我国柠檬酸工业的技术改造和新技术开发近年来已有长足的发展、但和世界发达国家相比，显然还达不到他们的水平[14]。
第二部分课程设计部分
年产20000吨柠檬酸工艺设计
随着全世界经济的发展和人民生活水平提高，柠檬酸市场需求也在快速增长因此，柠檬酸市场就全世界而言具有较大的发展潜力。
在化学工业中，柠檬酸是一种调节剂的重要组成部分，在制备缓冲剂、催化剂、激活剂、螯合剂、清洗剂、稳定剂等试剂时起到重要的作用。
柠檬酸钠盐作为一种螯合剂可以替代三聚磷酸钠，绿色环保，可以作为无磷洗衣粉的重要原料。
很多的油脂中含有一定的金属离子，影响油脂的稳定性，在生产各种食用油时，金属离子的存在会对人体产生一定的危害。
柠檬酸的提取一直是制约柠檬酸行业发展的瓶颈，传统的钙盐法因为工艺成熟、设备简单、原材料易得和产品质量稳定等特点而在国内外被广泛使用，但也存在缺陷。
本设计拟以建设柠檬酸年产20000t的工厂为基础，从工艺路线、设备选择、物料衡算、热量衡算等角度探索果胶酶生产工艺，如果在辅之以市场调研，则可为柠檬酸投产做好理论准备。
1物料衡算
1.1全厂总物料衡算主要内容
（1）原料消耗的计算，主要原料为玉米，其他辅料有耐高温α-淀粉酶、CaCl2、
尿素、MgSO4、KH3PO4黑曲霉等。
（2）中间产品计算，主要有液化醪、发酵液量的计算。
（3）成品、副产品计算。
1.2工艺技术指标和基础数据
（1）生产规模：
年产20000t柠檬酸。
（2）生产方法：
玉米粉液化过滤后发酵。
（3）生产天数：
300天。
（4）产品质量：
达到英国药典、美国药典标准，柠檬酸含量为99.8%。
（5）副产品年产量：
玉米渣8000t，菌丝体13600t，（NH4）2SO411600t。
（6）玉米淀粉含量为70%，水含量低于13%。
（7）玉米浆液化添加0.1%CaCl2，耐高温α-淀粉酶（酶活力为20000U/g），
用量为8U/g玉米粉。
（8）柠檬酸发酵向发酵液添加0.9%尿素、0.1%KH3PO4、0.25%MgSO4。
（9）实际糖酸转化率为94%、成品收得率为88%、产酸率为14%、发酵周
期为72h。
1.3原辅料消耗及中间产品衡算
1.3.1总反应式
（1）糖化阶段：
（C6H12O5）n＋nH2OnC6H12O6
16218180
发酵阶段：
2C6H12O6＋3O22C6H8O7＋4H2O
2×1803×322×1924×18
（2）生产20000t无水柠檬酸玉米消耗量
20000×99.8%×（162÷192）÷84%÷70%÷94%＝30469.766t
玉米粉量20000×99.8%×（162÷192）÷84%÷70%=28641.58t
99.8%——无水柠檬酸达到英国药典标准，柠檬酸含量为99.8%。
70%——玉米淀粉含量为70%
（3）耐高温α-淀粉酶的消耗量
20000×99.8%×（162÷192）÷84%×18÷20000=18.06t
耐高温α-淀粉酶酶活力为20000U/g，用量为8U/g淀粉。
1.3.2液化醪量的计算
玉米粉和水按1：
4.5的比例混合，加入0.1%CaCl2，有关计算如下：
（1）玉米浆的量28641.58×5.5＝157528.69t
（2）CaCl2的用量157528.69×0.1%＝157.53t
1.3.3发酵液量的计算
成品柠檬酸中柠檬酸的量：
20000×99.8%＝19960t
发酵液中柠檬酸的量：
19960÷88%＝22681.82t
发酵液总体积：
22681.83÷14%＝1.62×108m3
尿素耗量：
1.62×108×0.9%＝1458t
KH3PO4耗量：
1.62×108×0.1%＝162t
MgSO4耗量：
1.62×108×0.25%＝405t
1.3.4离子交换树脂的计算
（1）8310#弱碱性阴离子交换树脂
8310#弱碱性阴离子交换树脂的技术参数如下：
型式：
羟型粒度：
20～60且＜90水分：
60%～70%强度：
＞90%
湿视密度：
0.65～0.75g/ml交换容量：
0.8～1.0g/g干树脂
再生交换容量：
＞9mmol/ml树脂
每吨柠檬酸所需发酵液的量是8100.65kg，所需湿树脂的量：
1÷（0.9×0.14）＝7.94t
湿树脂的体积：
7.94÷1.25＝6.35m3ρ=1.25g/ml
一般控制树脂的吸附量仅为树脂总交换量的70%，则所需树脂的体积：
6.35÷70%＝9.07m3
用15%NH4OH解脱，液氨（按100%计）用量是40kg/m3，
则所液氨的量：
9.07×40＝362.81kg
所需15%稀氨液的的量：
（362.81÷17）×31÷15%＝4410.65kg
1.3.5阳离子交换树脂[15]
解脱液常压煮沸后加活性炭脱色，过滤后要经过阳离子交换树脂转型，选用安徽三星树脂科技有限公司生产的001×7强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂。
其技术参数如下：
型式：
H型水分：
51%～56%湿视密度：
0.73～0.83g/ml湿真密度：
1.17～1.22g/ml磨后圆球率：
90%
质量交换容量：
1.75mmol/g树脂全交换容量：
＞5.0mmol/ml树脂
再生剂用量：
H2SO4（按100%计）75～150kg/m3
湿树脂每吨柠檬酸所需的树脂量：
1000÷（192×1.7）×1000＝3060.73kg
树脂的密度取1.25g/ml，则树脂的体积：
3036.73÷1.25×103＝2.451×106ml
一般控制树脂的吸附量仅为树脂总交换量的70%，则所需树脂的体积：
2.451÷70%＝3.5m3
用H2SO4再生，所需的H2SO4（按100%计）量是75～150kg/m3，取130kg/m3，则H2SO4需要量3.5×130＝455kg再生的浓度为2%，所需量为：
455÷2%＝22750kg再生后生成的（NH4）2SO4量：
（455÷98）×132＝613kg
经浓缩烘干后得固体（NH4）2SO4设收得率为94%，则每吨柠檬酸可产副产品（NH4）2SO4的量：
613×94%＝576.2kg
年产副产品（NH4）2SO4的量576.2×20000=11524t
表1物料衡算表
序号
名称
每吨产品耗量/t
每天耗量/t
每年耗量/t
1
玉米
1.52
101.57
30569.77
2
玉米粉
1.43
95.47
28641.58
3
玉米浆
7.88
525.10
157528.69
4
耐高温α-淀粉酶
0.0009
0.06
18.04
5
CaCl2
0.008
52.51
157.53
6
尿素
0.07
4.86
1458
7
KH3PO4
0.008
0.54
162
8
MgSO4
0.02
1.35
405
9
液化醪
8.21
547.33
164200
10
液化清液
7.76
157.33
155200
11
发酵液
8.1
540
162000
12
种子液
0.81
54
16200
13
液氨
0.58
38.41
11524
2热量衡算
2.1液化工段耗热量
液化醪冷却水作为调浆水，玉米浆初温为60℃。
（1）玉米浆由60℃喷射加热到105℃所耗热量
Q1＝157528.69×3.78×（105-60）＝2.68×1010kJ
（2）层流罐流出的玉米浆由95℃喷射加热到130℃所耗热量
Q2＝20000×8315.63×3.78×（130-95）＝2.2×1010kJ
3.78——比热容
（3）高温维持时间所耗热量
高温维持时间为8min，蒸发量为每小时8%，则蒸发水分量为：
V＝20000×8814.45×8%×8/60＝1880400kg
所耗热量Q3＝VI＝20000×94.02×2173.8＝4087613520kJ
式中I为维持温度下水的汽化潜热，kJ/kg
（4）热损失
其它过程总的热损失为上述所耗热量的15%。
（5）总热量
总热量Q＝1.15×（Q1＋Q2＋Q3）＝6.082×1010kJ
2.2提取工段所耗热量
（1）发酵液过滤后经过阴离子交换树脂，洗脱后所得解脱液常压下加热煮沸
10min，解脱液中柠檬酸的浓度约为16%，则解脱液的量：
1134.09÷16%×20000＝7088.06×20000=141761200kg
（2）加热煮沸10min，设温度从25℃升到100℃，所耗热量:
Q1＝141761200×3.98×（100―25）＝4.232×1010kJ
（3）煮沸时间10min，蒸发量为每小时5%，则蒸发水分量为:
141761200×5%×1/6＝1181400kg
故蒸发带走热量:
Q2＝1181400×2257.2＝2.67×109kJ
2257.2——煮沸温度100℃下的饱和蒸汽的汽化潜热，kJ/kg
（4）热损失
其它过程总的热损失为上述所耗热量的15%。
（5）由上述计算得总热量
Q＝1.15×（Q1＋Q2）＝5.17×1010kJ
（6）蒸发干燥所耗热量约为1150000×20000=2.3×1010kJ。
（7）提取工段所耗总热量
5.17×1010＋2.3×1010＝7.47×1010kJ其他工序所耗热量约为6×1010kJ。
2.3总耗热量
6.08×1010＋7.47×1010＋6×1010＝1.955×1011kJ
2.4蒸汽用量
使用0.5MPa的饱和蒸汽，I＝2748.9kJ/kg
蒸汽用量D＝1.955×1011÷[（2748.9―643.2）×0.95]＝9.775×107kg
643.2——喷射液化器加热蒸汽（0.5MPa）的焓，kJ/kg
95%——蒸汽的热效率
3水量衡算
3.1调浆用水
将玉米粉输送到调浆罐，按玉米粉：
水＝1：
4.5的比例加入65℃的水，
则水的用量：
20000×1432.07×4.5＝128886400kg
3.2冷却水
3.2.1液化清液冷却用水
按工艺要求，液化醪经过滤后40min由90℃降到37℃，所用冷却介质
为2℃的冷水，冷却后，水温约为70℃，则所耗热量：
7762.51×3.78×（90-37）×20000＝3.11×1010kJ所用冷却介质的量：
3.11×1010÷[4.18×（70―2）]＝109424518kg
3.2.2发酵冷却用水
发酵罐放出热量发酵罐放出的热量为：
Q＝Q1-Q2-Q3
发酵产热Q1＝8100.65×2146＝3.477×1011kJ
2146——每千克发酵液产生的发酵热，kJ/kg
蒸热量Q2＝25%Q1
射散热量Q3＝3%Q1
Q＝Q1―Q2―Q3＝3.477×1011×（1―25%―3%）＝2.50×1011kJ
冷却水用W＝Q/Cp（T2―T1）＝2.50×1011÷[4.18×（25―18）]＝855565904kg
其中冷却水的进、出温度为18℃、25℃。
考虑到冷却水可循环利用，因此可按3%的耗用率计算，则冷却水用量：
855565904×3%＝256669788.1kg
3.3清洗用水
3.3.1发酵罐清洗用水
发酵结束后清洗发酵罐，每吨柠檬酸发酵罐清洗用水约500kg，20000吨柠檬酸需1×104吨
3.3.2洗滤布用水
液化醪过滤后过滤机的滤布要清洗，每吨柠檬酸用水约2760kg，20000吨柠檬酸需5.52×104吨
3.4提取工段解脱液煮沸后降温所用冷耗量
工艺要求在30min内，解脱液的温度由100℃降到25℃，所用的冷冻介质是2℃的冷水。
所耗热量为4.232×1010kJ
所用冷却介质：
4.232×1010÷[4.18×（70-2）]＝148873200kg
4.18——水的比热容
3.5其他用水
3.5.1提取车间其它用水
主要包括阴离子交换树脂、阳离子交换树脂、活性炭柱再生冲洗水、设备冲洗水等，约3.6×105t。
3.5.2锅炉用水
蒸汽用量为87758t，按产蒸汽率95%计算，则用水量：
87758÷95%＝92376.84t
3.5.3清洁用水
主要包括地面冲洗水、管道冲洗水和设备冲洗水等，按每吨柠檬酸5t计，20000吨柠檬酸需105吨
3.6总用水量
冷冻介质用量：
109424518＋148873200＝258297718kg
除去调浆用水128886400kg，剩余水可再利用，损失按5%计，冷冻介质可再利用量：
128886400＋[（258297718―128886400）×95%]＝251827152kg
综上所述，冷冻介质用量为251827152kg
自来水用量为128886400＋256669788.1＋107＋5.52×107＋3.6×107＋92376840＋2＝226107067kg
4工艺设备的选型
基本参数：
生产周期为4d，全年生产天数为300d，柠檬酸含量为99.8%，年产量为20000t.
（1）粉碎机
由物料衡算知，每天所需玉米量为20000×99.8%×（162÷192）÷84%÷70%÷300=95.47t，设原料粉碎过程中损失率为6%，则每天玉米处理量为：
95.47÷94%＝101.57t每天粉碎机工作时间为8h，则每小时玉米处理量为：
101.57÷8＝12.7t/h选择2台JFS-120-43粉碎机.选择2台常州市恒悦机械有限公司生产JFS-120-43粉碎机，电机功率：
75kwh玉米产量：
6.5～8t/h
（2）调浆罐
由物料衡算知，每天处理玉米浆的量为95.47×5.5=525.1t，体积约为447.36m3。
需调浆罐的填充系数为70%，则所需体积为:
447.36÷70%＝639.1m3
取4个250m3的调浆罐即可满足生产，其中1个备用。
委托南京进口机械制造有限公司制造。
（3）喷射液化器
由物料衡算知，每小时处理玉米浆的量为22t。
选择2台南京赛义德流体设备有限公司生产的型号是HYB20的不锈钢低压蒸汽喷射液化器，其生产能力为20m3/h，可以满足生产。
（4）层流罐
由物料衡算知，每小时喷射液化器流出的玉米浆的量为：
153865.25÷300÷24＝21.37t/h，其体积流量为19.36m3/h。
玉米浆在层流罐逗留时间是30min，层流罐的填充系数是80%，则层流罐的体积为：
19.36×0.5÷80%＝12.1m3取15m3的层流罐1个即可。
第二次喷射液化所需的液化维持罐同层流罐。
（5）高温维持罐
由物料衡算知，每小时喷射液化器流出的玉米浆的量为：
153865.25÷300÷24＝21.37t/h，其体积流量为19.36m3/h。
玉米浆在高温维持罐逗留时间是8min，高温维持罐的填充系数是80%，则高温维持罐的体积为：
19.36×8/60÷80%＝3.23m3取5m3的高温维持罐1个即可。
（8）喷射液化系统
设计一套喷射液化系统，委托南京赛义德流体设备有限公司制造。
（9）板框压滤机
每天所需液化醪的量为：
546.5t工艺要求24h内将其过滤完，则板框压滤机的处理能力应该达到：
546.5÷24＝22.77t/h选择1台合肥天工科技开发有限公司生产的型号为BAB/1000-N的不锈钢板框压滤机，其技术参数如下：
过滤能力：
30t/h最大工作压力：
0.4MPa滤板片数：
80端板片数：
2总过滤面积：
150m2外形尺寸：
6500×1320×2100mm
提取工段解脱液加活性炭脱色后要过滤，选择相同型号的板框压滤机，所
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