Производство лимонной кислоты

По конструкции и способу соединения со штуцером или корпусом различают следующие основные виды фланцев:– фланцы, отлитые или откованные заодно с трубой или обечайкой;– плоские приварные фланцы;– фланцы с утолщением у основания ("с шейкой"), привариваемые к трубе в стык;– свободные фланцы на отбортовке и бурте;– фланцы на резьбе.Форма фланцев по преимуществу круглая. Она удобна для изготовления заготовки и механической обработки. Фланцы труб небольшого диаметра иногда делают квадратными. Число болтов фланцев должно быть кратно четырем. Исключением являются овальные фланцы трубопроводов высокого давления. По весу они получаются не менее тяжелыми, чем круглые при тех же Dу и ру. Болты для овальных фланцев делаются в 1,4 раза большего диаметра, чем болты круглых фланцев с четырьмя отверстиями для того, чтобы сохранить необходимую площадь сечения болтов.Фланцы всегда работают в паре или с другим фланцем, или с заглушкой, имеющей те же присоединительные размеры.Из всех разъемных неподвижных, прочно-плотных соединений, применяемых в химическом аппаратостроении, наибольшее распространение имеют фланцевые соединения. С помощью фланцев присоединяются к аппаратам всевозможные крышки, трубы, соединяются между собой составные корпуса и отдельные части аппаратов, трубопроводы и т.д.Диаметр болтов и расстояние между ними целесообразно принимать возможно меньшим. Основной исходной величиной при расчёте и конструировании проточно-плотного фланцевого соединения является расчётное растягивающие усилие в болтах (шпильках).где - расчётное растягивающие усилие, которое в значительной степени зависит от вида соединений, типа обтюрации, а также от ряда других факторов; - расчётная сила от давления среды; - расчётная сила осевого сжатия уплотняемых поверхностей в рабочих условиях, необходимая для обеспечения герметичности.Расчетная сила от давления среды в круглых фланцевых соединениях определяется по формуле:Тогда будет равно:Расчетный диаметр болтовой окружности определяется по формуле:где — коэффициент, величина которого выбирается в зависимости от P, т.к. значение P < 1.6 МПа, то значение = 1.11Расчетный диаметр болтов определяется по формуле:где — конструктивный диаметр горловины фланца. Тогда значение расчётного диаметра болтов будет равно:Таблица 13 – Основные параметры болтовdб, ммd1, ммFб10-4, м2М48×3,536,15518,75Расчетное количество болтов определяется по формуле:Выбираем тип фланцев 1.Таблица 14 – Основные параметры фланцевых соединенияDф, ммDб, ммSmin, ммh, ммdб, ммzm, кг3503405,140М204872,32.3.5 Расчёт перемешивающего устройстваПеремешивание жидких сред с целью интенсификации многих физико-химических процессов и при приготовлении различных смесей (растворов, суспензий, эмульсий и т. п.) имеет весьма широкое применение в химической и ряде других смежных с ней отраслей промышленности.Перемешивание в жидкой среде осуществляется разными способами, основными из которых являются механический, пневматический (сжатым газом, чаще всего воздухом) и вибрационный. Наибольшее распространение имеют первые два способа, в которых перемешивание осуществляется с помощью специальных перемешивающих устройств, устанавливаемых в разного рода химических аппаратах (реакторах, смесителях, отстойниках и т. д.).Перемешивающие устройства характеризуются интенсивностью и эффективностью действия. Первая определяется временем, требуемым для достижения заданного технологического результата, а вторая — затратами энергии для этого. Чем меньше время и расход энергии при этом, тем выше интенсивность и эффективность перемешивающего устройства.Выбираем турбинный тип перемешивающего устройства.Диаметр перемешивающего устройства найдем по формуле:Высоту перемешивающего устройства найдем по формуле:найдём по формуле:Диаметр диска рассчитывается по формуле: найдём по формуле:Расчетная мощность Nм определяется по формуле:где — критерий мощности; — плотность перемешиваемой среды; — частота вращения мешалки.Величина критерия мощности зависит от центробежного критерия Рейнольдса Rey, отношения Dв/, типа перемешивающего устройства и конструктивных особенностей аппарата.Центробежный критерий РейнольдсаRey определяется по формуле.где - динамический коэффициент вязкости смеси.По рисунку 14 определим величину центробежного критерия Рейнольдса.Рисунок 14 – Графики определения критерия мощности для лопастных (тип I) и листовых (тип 2) перемешивающих устройств: 1 – для лопастных перемешивающих устройств при Dв/dм=1,5; 2 – то же, что и 1, но в аппаратах с перегородками; 3 – для листовых перемешивающих устройств при приDв/dм=2; 4 – то же, что и 3, но в аппаратах с перегородкамиПо графику определили значение критерия мощности = 1,5.Тогда мощность перемешивающего устройства будет равна:По максимальной мощности был выбран привод вертикальный с одной промежуточной опорой вала (Тип 2) (ПО MH 5856-66)2.3.6 Расчёт приводаДля приведения во вращение механических перемешивающих устройств в химических аппаратах служат приводы, где в качестве движущей силы используется главным образом электроэнергия. В последнее время стали также применяться гидроприводы, где в качестве движущей силы используется находящаяся под давлением жидкость (масло) Существует весьма много различных конструкций приводов, в которых большей частью применяются стандартные многооборотные электродвигатели и типовые механические редукторы для снижения числа оборотов вала перемешивающего устройства до требуемого по расчету.Наибольшее распространение в химическом аппаратостроении получили выносные индивидуальные приводы со стандартными электродвигателями и типовыми редукторами, устанавливаемые на крышке или верхнем днище аппарата. Таблица 15 – Основные параметры привода Типоразмер мотор редуктораd, ммH, ммH1, ммl,не менее ммL,не более ммМасса, кгР*, Н10502108100040700039032302.3.7 Расчёт опорыОпоры аппаратов служат для установки аппаратов на фундаменты и несущие конструкции.При установке вертикальных аппаратов на полу или на фундаментах применяют опорные лапы (стойки), при подвеске их между перекрытиями – боковые.Стойки приваривают к днищам вертикальных аппаратов. Стойки также состоят из двух вертикальных косынок и приваренного к ним снизу основания. В резьбовом отверстии основания установлен регулировочный винт, предназначенный для нивелирования. Второе отверстие служит для крепления аппарата к фундаменту при помощи анкерных болтов. При небольшой толщине днища над стойками также приваривают накладные листы.Для опирания горизонтальных аппаратов используют седловидные опоры, размещаемые снизу аппарата и охватывающие его не менее чем на 120° по окружности. Количество опор может быть 2, 3 и более, в зависимости от длины аппарата.Рассчитать массу аппарата можно по формуле:Масса среды рассчитывается по формуле:Для нахождения объема среды нужно использовать формулу:Тогда масса среды будет равна:Масса аппарата будет равна:Сила опоры рассчитывается по формуле:Таблица 16 – Основные параметры опорыL, ммB, ммB1, ммB2,ммН, ммh, ммS, мма, мма1, мма2, ммМасса, кг2001801502402000241212125201202.3.8 Расчёт барботёра и трубы передавливанияБарботажными аппаратами или барботерами называются аппараты, в которых газы в виде пузырьков проходят через слой жидкости.Они широко применяются как газо-жидкостные химические реакторы и ферментаторы, флотаторы, а также в процессах физической абсорбции, жидкостной экстракции, смешения жидкостей, аэрации и озонирования воды.Расчёт диаметр трубы барботёра dтр.б. производится по формуле:где – скорость воздуха в трубе.Объём воздуха рассчитывается по формуле:Тогда диаметр трубы барботёра dтр.ббудет равен:Диаметр трубы передавливания dтрбудет находиться по формуле:2.4 Подбор оборудованиеПодбор оборудование в технологическую линию сводится к определению количества единиц однотипного оборудования и продолжительности их работы в смену (сутки). При этом оборудование можно условно разделить на три группы, методика расчета для каждой из которых имеет особенности:- оборудование непрерывного или полунепрерывного действия, подбор которых сопровождается расчетом их конструктивных элементов;- оборудование, число которых определяется по количеству выпускаемых изделий;-оборудование периодического действия, подбираемые по их номинальному рабочему объему или другим характеристикам без расчета их элементов.Нами выполнен подбор оборудования на основе технологической схемы получения лимонной кислоты с использованием этилового спирта и дрожжей Yarrowia lipolytica. Предлагаемое оборудование представлено в таблице 17.Таблица 17 – Технологическое оборудование процесса производства лимонной кислотыНаименованиеКоличествоУсловное обозначениеФильтр грубой очистки1ФГРКомпрессор1КТеплообменник2ТВлагоотделитель1ВФильтр2ФФильтр индивидуальной очистки1ФИИнокулятор1ИнСмеситель2СНагревательная колонна1НкВыдерживатель1ВдТрубчатый теплообменник1ТтЦентрифуга1ЦСушильная камера1СшАппарат фасовки-маркировки1ФмПерегонный аппарат1ПрНасос5НВыпарной аппарат1ВаАппарат обратного осмоса6ОоВесы5ВсДозатор2ДКонденсатоотводчик4КоОстановимся подробнее на наиболее важном оборудовании технологической линии производства лимонной кислоты. Промышленный фильтр грубой очистки Аруан ГФ 20 – (20-30 м3/час, Ду 40 мм) представлен на рисунке 15. Универсальные микронные фильтры серии Аруан 20 изготовляются в соответствии с ТУ 28.29.12–001–46422999–2017 и предназначены для очистки жидкостей от механических и других загрязнений. Ультратонкой очистки обеспечивается глубокое фильтрование (до 1 микрона). Фильтр способен задерживать значительное количество загрязнителей. В фильтрах «Аруан» используется гальваническая технология покрытия серебром фильтрующего элемента. Известно, что вода, насыщенная ионами серебра, угнетает патогенные бактерии и возбудители инфекционных заболеваний. Это позволяет обеззараживать фильтрующий элемент, а так же не давать размножаться бактериям внутри фильтра и покрывать фильтрующий элемент органической пленкой. В технологической линии производства лимонной кислоты с использованием дрожжей Yarrowia lipolytica необходим один фильтр грубой очистки.Рисунок 15 – Промышленный фильтр грубой очистки Аруан ГФ 20Компрессор Remeza КМ-100.VS204ТД (рис. 16) предлагает использования чистого безмасляного воздуха в больших объемах. За счет применения двух отдельных блоков сжатия производительность установки достигает 260 л. в минуту при давлении до 8 бар. Увеличенный ресивер на 100 л. позволяет хранить достаточный запас сжатой среды. Приводная мощность не превышает 3 кВт.Рисунок 16 – Компрессор Remeza КМ-100.VS204ТДОсобый тип конструкции компрессора Ремеза является идеальным решением для использования в медицинской отрасли, где существует потребность в чистом сжатом воздухе при высоком потреблении последнего. Два мощных поршневых блока итальянского производства устанавливаются на воздушном ресивере и имеют индивидуальные независимые электроприводы с прямой передачей крутящего момента. Такая компоновка дает увеличенную производительность при одновременной компактности всего агрегата.Блоки сжатия устанавливаются на резиновые опоры, что сокращает вибрацию установки и уменьшает шум, производимый ею во время эксплуатации. Компрессор требует подключения к трехфазной электросети.Использование теплообменников в пищевой промышленности при условии правильно подбора оборудования и грамотного построения технологического процесса позволяет добиваться высочайшего процента рекуперации, что, в свою очередь, приводит к существенному сокращению используемых энергоресурсов и обеспечивает повышение эффективности производства.AMX-30-03 теплообменник пластинчатый разборный (рис. 17) является Разборным пластинчатый теплообменник, который представляет собой сборно-разборную конструкцию, состоящую из нержавеющих пластин, собранных в пакет и стянутыми шпильками между двумя стальными плитами, закрепленными на раме. Одна плита является неподвижной, другая прижимной. Кроме плит в состав рамы входят верхняя направляющая, нижняя направляющая и задняя стойка.Промышленныйинокулятор компании БИОТЕХНО предназначен для проведения культивирования клеточных культур и вирусов. Для растворения питательных веществ, равномерного распределения клеточной массы, улучшения равномерности распределения температуры и равномерного распределения кислорода в питательной среде необходимо осуществлять перемешивание, при этом оно должно быть бережным, ввиду того, что у клеток млекопитающих нет клеточной стенки, они хрупкие и имеют более высокую чувствительность к гидродинамическим силам сдвига, чем прокариоты.Рисунок 17 – Пластинчатый теплообменник AMX-30-03С данной задачей хорошо справляется мешалка с крыльчаткой типа «морской винт», а применение магнитной муфты позволяет исключить риск контаминации за счет отсутствия контакта с внешней средой. Для того чтобы избежать накопления CO2, образующегося во время клеточного дыхания и метаболизма, можно использовать поверхностное извлечение; для этого подается стерильная смесь воздуха и CO2над поверхностью среды. Смешивание газов для аэрации осуществляется с помощью контроллеров массового расхода для воздуха, кислорода, углекислого газа или азота.Также необходимо правильно выбрать барботер, который определяет размер пузырьков, имеет большое значение для сведения к минимуму повреждения клеток, образования пены и увеличения коэффициента массопереноса кислорода и извлечения CO2. Для культуры клеток не рекомендуются микробарботеры, которые обеспечивают маленький размер пузырьков, которые могут привести к тангенциальному напряжению и низкому извлечению CO2.Промышленная проточная центрифуга CEPA Z 101/Z 101 GP Высокоскоростные центрифуги CEPA серии Z предназначены для разделения двух жидкостей, отделения осадка от жидкости, концентрирования и выделения вирусов и бактерий, а также для других применений в промышленных масштабах. Возможна установка центрифуг в кузов машины для проведения «полевых» исследований.Преимущества данной центрифуги заключается в быстром процессе центрифугирования, простоте установки и работы центрифуги, широко используемые моторы и подшипники, удобный сервис, не требуют много пространства под установку, возможна поставка в закрытом исполнении (корпус из серого чугуна).Смесь жидкостей подается в нижнюю часть ротора с помощью насосов или силы тяжести. Внутри ротора каждая фракция жидкостей располагается послойно, соответственно своей плотности, за счет чего даже самые мелкие примеси быстро и надежно осаждаются в роторе. Центрифугат (рис. 14)поднимается через центр ротора к его вершине, после чего выходит очищенным. Две фракции смеси жидкостей направляются в отдельные емкости для сбора.Перегонный аппарат – прибор, служащий для перегонки жидкостей. Устройство перегонных кубов довольно разнообразно. Обыкновенно они представляют цилиндрический, сравнительно с диаметром невысокий котёл с выпуклым, плоским или вогнутым дном и куполообразной крышкой, снабжённой шлемом, переходящим в пароотводную трубу.Рисунок 18 – Проточная центрифуга CEPA Z 101/Z 101 GPУ самого дна делается кран для выпуска остатка от перегонки. Куб(название это произошло посредством искажённой интерпретации широко используемого алхимиками латинского слова "cup", побуквенно прочитанного в России как "куп") нагревается или непосредственно огнём, для чего он вмазывается в кирпичную кладку с топкой внизу, или паром — закрытым (то есть циркулирующим внутри змеевика, помещаемого в перегонный куб) или прямым. В последнем случае пар впускается с помощью трубки в перегоняемую жидкость непосредственно. Иногда для нагревания паром делают куб с двойными стенками, между которыми и пускают пар – это так называемый куб с паровой рубашкой.Таким образом, рассмотрено оборудование обладающее особенностями, которые необходимо учитывать при проектировании технологической линии производства лимонной кислоты. ЗаключениеВ ходе выполнения курсовой работы проведен анализ литературы о значении и использовании лимонной кислоты. Проанализированы современные технологические линии производства лимонной кислоты. Определены их достоинства и недостатки.Разработана блок-схема производства лимонной кислоты сырьем, для которого является этиловый спирт и дрожжи Yarrowia lipolytica. Выполнен расчет материального баланса производства лимонной кислоты.Составлена технологическая схема технологии производства лимонной кислота с использованием программы КОМПАС. А также произведен расчет ферментера, который используется в данной технологической линией. В ходе выполнения курсовой работы выполнен подбор оборудования, характеристика основного представлена в техническом разделе.В дальнейшем планируется углубиться в изучение данной темы с разработкой более детального освещения предлагаемого оборудования, что будет представлено в дипломном проекте.Список литературыГореликова Г.А. Основы современной пищевой биотехнологии: учебное пособие. – Кемерово: Изд-во Кемер. технолог.институт пищ. пром-ти, 2004. – 100 с.Иванов В.Н., Угодчиков Г.А. Клеточный цикл микроорганизмов и гетерогенность их популяций. – Киев: Наукова Думка, 1984. – 280 с.Карасевич Ю.Н. Экспериментальная адаптация микроорганизмов. – М.: Наука, 1975. – 178 с. Кузнецова Е.А. Микробиология: учебно-методическое пособие. – Орел: ОрелГТУ, 2005. – 186 с.Моргунов И.Г. Метаболическая организация окислительных путей у дрожжей Yarrowia lipolytica – продуцентов органических кислот: автореф. дис. на соискание ученой степени докт. биол. наук 08.00.05 / Игорь Григорьевич Моргунов. – Пущино: Институт биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г.С. Скрябина РАН, 2009. – 46 с.Муратова Е.И. Зюзина О.В., Шуняева О.Б. Биотехнология органических кислот и белковых препаратов: учебное пособие / Е.И. Муратова,. – Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2007. – 80 с.Мусил Я., Новакова О., Кунц К. Современная биохимия в схемах / Я. Мусил, О. – М.: Мир, 1984. – 216 с.Никифорова Т. А. Пищевые кислоты – необходимые ингредиенты при производстве пищевой продукции // Пищевая промышленность. – 2004. – № 7. – С. 78-79.Никифорова Т.А., Новицкая И.Б., Минина Т.И. Приоритетные направления развития отечественной технологии пищевой лимонной кислоты // Пищевая промышленность. – 2010. – №5. – С. 53-54.Новинюк Л.В. Регламентирование гигиенических нормативов в производстве пищевой лимонной кислоты // Пищевая промышленность. – 2009. – № 7. – С. 14-15.Новинюк Л.В., Кулев Д.Х. Повышение экологической безопасности производства пищевой лимонной кислоты // Пищевая промышленность. – 2007. – № 7. – С. 46-47.Новицкая И.Б., Кулёв Д.Х. Критические контрольные точки в технологических процессах производства лимонной и молочной кислот // Пищевая промышленность. – 2016. – №4. –С. 62-64.Ревин В.В., Атыкян Н.А. Биотехнология этанола : учеб.пособие – Саранск : Изд-во Мордов. ун-та 2010. – 104 с.Ревин В.В., Атыкян Н.А., Водяков В.Н. и др. Фундаментальная биотехнология: учебник – 2-е изд., дор. И перераб. – Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2012. – 476 с. Ревин В.В., Атыкян Н.А., Водяков В.Н. [и др.] Общая биотехнология: учебник – 2-е изд., дор. И перераб. – Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2015. – 604 с.Ревин В.В., Атыкян Н.А., Лияськина Е.В. и др. Общая биотехнология : учебник; под общ.ред. акад. А.И. Мирошникова. - 3-е изд., доп. и перераб. - Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2019. - 416 с.Ревин В.В., Шутова В.В., Кадималиев Д.А. [и др.] Теоретические и прикладные основы получения биокомпозиционных материалов с помощью биологических связующих – Саранск : Изд-во Мордов. ун-та 2010. – 280 с.Скулачев В.П. Биоэнергетика – М.: Высшая школа, 1989. – 271 с.ПриложениеТехнологическая схема производства лимонной кислоты