发酵罐的设计 钟金富.docx
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发酵罐的设计钟金富
生物反应器课程设计
-----啤酒露天发酵罐设计
姓名：
钟金富
班级：
生工101
学号：
3100402137
一、啤酒发酵罐结构与动力学特征
1、啤酒的概述
啤酒是以大麦喝水为主要原料，大米、酒花和其他谷物为辅料经制麦、糖化、发酵酿制而成的一种含有二氧化碳、酒精和多种营养成分的饮料酒。
我国是世界上用谷物原料酿酒历史最悠久的国家之一，但我国的啤酒工业迄今只有100余年的历史。
改革开放以来，我国啤酒工业得到了很大的发展，生产大幅度增长，发展到现在距世界第二位。
由于啤酒工业的飞速发展，陈旧的技术，设备将受到严重的挑战。
为了扩大生产，减少投资保证质量，满足消费等各方面的需要，国际上啤酒发酵技术子啊原有传统技术的基础上有很大进展。
尤其是采用设计多种形式的大容量发酵和储酒容器。
这些大容器，不依靠室温调节温度，而是通过自身冷却来控制温度，具有较完善的自控设施，可以做到产品的均一性，从而降低劳动强度，提高劳动生产率。
1.发酵罐的发展史
第一阶段：
1900年以前，是现代发酵罐的雏形，它带有简单的温度和热交换仪器。
第二阶段：
1900-1940年，出现了200m3的钢制发酵罐，在面包酵母发酵罐中开始使用空气分布器，机械搅拌开始用在小型的发酵罐中。
第三阶段：
1940-1960年，机械搅拌，通风，无菌操作和纯种培养等一系列技术开始完善，发酵工艺过程的参数检测和控制方面已出现，耐蒸汽灭菌的在线连续测定的pH电极和溶氧电极，计算机开始进行发酵过程的控制。
发酵产品的分离和纯化设备逐步实现商品化。
第四阶段：
1960-1979年，机械搅拌通风发酵罐的容积增大到80-150m3。
由于大规模生产单细胞蛋白的需要，又出现了压力循环和压力喷射型的发酵罐，它可以克服—些气体交换和热交换问题。
计算机开始在发酵工业上得到广泛应用。
第五阶段：
1979年至今。
生物工程和技术的迅猛发展，给发酵工业提出了新的课题。
于是，大规模细胞培养发酵罐应运而生，胰岛素，干扰素等基因工程的产品走上商品化。
2.啤酒发酵罐的特点
1、单位占地面积的啤酒产量大；而且可以节约土建费用；
2、可以方便地排放酵母及其他沉淀物（相对朝日罐、通用罐、贮就罐而言）；
3、发酵温度控制方便、有效，麦汁发酵时对流好，发酵速度快，可以缩短发酵周期（相对卧式罐、发酵槽而言）；
4、可以回收利用二氧化碳，并可有利于啤酒的口味稳定性与非生物稳定性（相对开口容器而言）；
5、可以一关多用，生产工艺比较灵活；简化生产过程与操作，而且酒损也现对减少；
6、制作相应要比其他发酵罐简单；
7、便于自动控制，如自动清洗和自动灭菌，节省人力与洗涤费用，卫生条件好。
4、露天圆锥发酵罐的结构
（1）罐体部分
露天圆锥发酵罐的罐体有灌顶、圆柱体与锥底3部分组成，其中：
灌顶：
为圆拱形，中央开孔用于可拆卸大直径法兰，以安装CO2与CIP管道及其连接件，灌顶还装有真空阀，安全阀与压力传感器。
圆柱体：
为发酵罐主体，发酵罐的高度主要决定于圆柱体的直径与径高比，由于大直径的光耐压低，考虑到使用钢板的厚度，一般直径＜6.0m。
圆锥底：
它的夹角多为60—90°，也有90—120°，但这多用于大直径的罐及大容量的罐；如夹角过小会使椎体部分很高。
露天圆锥发酵罐圆锥底的高度与夹角有关，大致占总高的1/4—1/3。
圆锥底的外壁一般安装冷却夹套、阀门与视镜、取样管阀、测温、测压的传感元件或温度计，CO2洗涤装置等。
（2）温度控制部分
发酵罐的温度控制部分主要由冷却层、保温层、测温元器件、温度记录及温度控制装置等组成，其中：
冷却层是调节发酵罐内液体温度的主要部分，按其结构可分为盘式和夹套式两种；
发酵罐的保温层一般使用聚氨酯泡沫塑料或脲醛泡沫塑料，也有使用聚苯乙烯泡沫塑料，在发泡保温时，为了未来的维修剥离及复原的方便，罐身与发泡塑料之间最好能用塑料薄膜隔离；发酵罐的测温元件有直接感应与遥控两种；发酵罐的温控装置实际起供、断冷却水的作用。
（3）操作附件部分
发酵罐的操作附件比较多，主要包括：
进、出管道、阀门和视镜；CO2回收和CO2洗涤装置；真空/过压保护装置；取样阀；原位清洗装置（CIP）；换间板。
（4）仪器与仪表部分
发酵罐对一次仪表、二次仪表、记录装置、报警装置以及微机程序控制、自动控制的应用很广泛，这些仪器、仪表主要对发酵罐的物料数量（以容积或液位表示）、压力、温度三个参数进行显示、自动记录、自动控制及报警，还有测定浸出物含量与CO2含量的一次仪表，这样就可以进行真正的自动控制。
1）发酵罐发酵的动力学特征
发酵罐发酵的主要特点是采用较高的发酵温度和高凝性酵母、进一步提高发酵液浓度，保持茁盛的酵母层和缩短发酵时间进行可控发酵，其主要动力学特征有：
①由于采用凝聚性酵母，S3＞S1，使发酵速度3区＞1区；导致B3＜B1浓度差，促进发酵液的对流；
②由于3区发酵速度快，产生CO2多，加上液压，使P3＞P1而形成压力差推动发酵液对流；
③由于发酵时控制t3＞t1，形成温度差对流。
这三种推动力随罐高H增大而增大，由于传统发酵槽仅2m，而露天的圆柱锥形罐一般大于8m，所以此推动力将加速发酵，尤其在双儿酰还原阶段B、P趋于一致，但t3～t1可控，又因罐高，酵母沉降慢，发酵液仍保持强对流而促进代谢发酵。
第一节发酵罐的化工设计计算
一、发酵罐的容积确定
由指定参数：
V全=30m3
=85%
则：
V有效=V全*
=25.5m3
二、基础参数选择
1、D：
H：
由指定参数选用D：
H=1：
4
2、锥角：
由指定参数取锥角为900
3、封头：
选用标准椭圆形封头
4、冷却方式：
选取槽钢盘绕罐体的三段间接冷却（罐体两段，槽钢材质为A3钢，冷却介质采用20%、-4℃的酒精溶液）
5、罐体所承受最大内压：
2.5KG/CM3
外压：
0.3KG/CM3
6、锥形罐材质：
A3钢外加涂料，接管均用不绣钢
7、保温材料：
硬质聚氨酯泡沫塑料，厚度200mm
8、内壁涂料：
环氧树脂
三、D、H的确定
由D：
H=1：
4，则锥体高度H1=D/2tg450=0.5D
封头高度H2=D/4=0.25D
圆柱部分高度H3=（4.0-0.5-0.25）D=3.25D
又因为V全=V锥+V封+V柱
=
×D2/4×H1+
×D3+
×D2×H3
=0.131D2+0.131D2+2.551D2=30
得D=2.31m
查JB1154-74《椭圆形封头和尺寸》取发酵直径D=2400mm
再由V全=30cm2，D=2.4m
得径高比为：
D:
H=1：
3.4
由D=2400mm查表得
椭圆封头几何尺寸为：
h1=600mm（曲面高度）
h0=40mm（直边高度）
F=6.41m2（内表面积）
V=1.93m3（容积）
筒体几何尺寸为：
H=6391mm
F=39.82m2
V=23.86m3
锥体的几何尺寸为：
h0=40mm
r=360mm
H=1200mm
F=
=3.705m2
V=
=2.80m2
则：
锥形罐总高：
H=600+40+6391+40+1200=8271mm
总容积：
V=1.93+23.86+2.80=28.59m3
实际充满系数
：
25.5/28.59=89.2%
罐内液柱高：
H丿=（25.5-2.80）*4*102/2.42+（1200+40）=1742mm
四、发酵罐的强度计算
（一）罐体为内压容器的壁厚计算
1、标准椭圆封头
设计压力为1.1*2.5=2.75KG/cm2
S=
式中：
P=2.75KG/cm2
：
A3钢工作温度下的许用力取1520KG/cm2
：
焊接系数，本例采用双面对接焊作为局部无
探伤0.9壁厚附加量：
C=C1+C2+C3
查表得：
C1;钢板厚度的负偏差取0.8mm负偏差
C2:
腐蚀裕量取2mm
C3;制造减薄量取0.6
则；
S=[2.75*2400/（2*1520*0.9-2.75）]+3.4=5.8
取S0=6mm
直角边h0=25mm
校核
=（PD中/4S）*（D中/2h）
=[2.75*（2400+6）/（4*6）]*[（2400+6）/（2*600）]=552.75<=[
]t
2.筒体
P设=1.1*（p工作+p静）=1.1*（2.5+0.61）=3.42kg/cm2
S=[PD/（[
]
-P）]+C（C2=0.6,C2=2,C3=0.6）
=[（3.42*2400）/（2*1520*0.9-3.42）]+3.4=6.4mm
取S=8mm
校核
=PD中/2S=588<=[
]t
3.锥形封头
1）过渡区壁厚
S=[（KP设Dg）/（2[
]t-0.5P）]+C
P设=1.1*（2.5+0.9）=3.74kg/cm2（其中0.9为静压）
K=0.75
S=[（KP设Dg）/（2[
]t-0.5P）]+C
=（0.75*3.74*2400）/（2*1520*0.9-0.5*3.74）+C
=2.46+C=2.46+0.6+0.246=5.31mm
2）锥体
S=[（f*P设Dg）/（[
]t-0.5P）]+C
S0=[（f*P设Dg）/（[
]t-0.5P）]=（0.60*3.74*2400）/（1520*0.9-0.5*3.74）（f查表为0.60）依据《化工设备机械基础》
=3.94
S=S0+C=3.94+0.6+2+0.394=6.937
取S=8mmh0=25mm
校核锥体所受的最大压力处
=PD中/2Scos450
=3.74*（2400+8）/2*10*cos450
=636.81<=[
]t
（二）、锥体为外压容器的壁厚计算
1、标准椭圆封头
设S0=5mm
R内=0.9Dg=2160mm
R内/100S0=2160/100*5=4.32
查表4-1及B=260（依据化工容器设备设计手册）
[P]=B*S0/R内=260*5/2160=0.6kg/cm2>0.3kg/cm2
满足要求
取C1=0.5mm，C2=2mm，C3=0.5mm
则S=S0+C=8mm
2.筒体
设S0=6mmL/D=0.69D=2400/6=400
查表4-1及B=200
【P】=200*6/2400=0.5kg/㎠S0=6mm
故可取C1=0.6mm,C2=2mm,C3=0.6mm
则S=S0+C=9.2mm，取S=10mm
3.锥形封头
因为：
α=45°所以22.50°﹤α﹤60°
按第四章发酵罐设计中的封头设计可知，加强圈间中椎体截面积最大直径为：
2*1200/2*tan45°=1200mm
取加强圈中心线间椎体长度为1370mm
设S0=6mmL/D=1370/2400=0.57
D/S0=2400/6=400
查图表4-1可知及B=250
【P】=BS0/D=250*6/2400=0.625﹥0.3kg/㎠
故取S0=6mmC1=0.6mm，C2=2mm，C3=0.6mm
所以S=S0+C=9.2mm
综合前两步设计，取两者中较大的有生产经验确定
标准椭圆型封头厚度为10mmh0=25mm
圆筒壁厚10mm
标准形封头壁厚12mmh0=25mm
五、锥形罐的强度校核
1、内压校核
液压试验P试=125P设
由于液体的存在，锥体部分为罐体受压最重之处即最危险
设计压力P=3.74KG/cm2
液压实验P试=1.25P=4.68KG/cm2
查得A3钢
=2400kg/cm2
试=
=4.68
（2400+12-3.2）/2*（12-3.2）
=563.6kg/cm2
0.9
=0.9*0.9*2400=1944kg/cm2
试
可见符合强度要求，试压安全
2、外压实验
以内压代替外压
P=1.5*（0.3+1.2）=2.25kg/cm2
P试=1.25P=2.8kg/cm2
P内试
故可知试压安全
3、刚度校核
本例中允许S=2*2400/1000=4.8mm
而设计时取壁厚为S=10mm，故符合刚度要求
（公式：
S最小=
D内）
第二节发酵罐热工设计计算
一、计算依据
计采用A3钢作发酵罐材料，用8号槽钢做冷却夹套，分三段冷却，筒体二段，锥部一段，夹套工作压力为2.5kg／cm2冷媒为20%（v／v）酒精溶液，T进=-4℃，T出为-2℃，麦汁发酵温度维持12o（主发酵5-6天，封头及筒体部分保温层厚度为200mm，锥底部分为98mm）
二、总发酵热计算
Q=q*v=119*25.5=3034.5kg/hr
q每立方米发酵麦汁在主发酵期间每小时的放热量；
v为发酵麦汁量
三、冷却夹套型号选择
选取8号槽钢起截流面积为A=hb-截面积
=8*4.3-10.24=24.16cm2
冷却剂流量为（三段冷却）
3*24.16*10-4*1=7.284*10-3m3/s
查得20%（v／v）酒精溶液△t平=-3℃下的
=976kg/m3
C=1.04kcal/kg·oC
冷却剂的冷却能力为：
Q=7.248×103×976×1.041×2×2400
=35347.6kcal/hr﹥8330kcal/hr
故可选取8号槽钢为冷却夹套
四、发酵罐冷却面积的计算
考虑生产过程中，随着技术的改进，工艺曲线可能更改，按目前我国工艺曲线看，日降温量较大的为13℃→5℃，为了将来工艺更改留下余量，设计取13-5=8℃为设计的日降温量，取0.6℃/hr为设计的小时降糖量，则由Q6=KA△tm求得冷却面积。
3.传热系数K的确定
1）醪液α1的计算
t1+t2
2
4
6
8
10
C
25
150
170
185
204
α1=0.64×C×
=0.64×185×
=198.9kcal/㎡hºC
2）冷却夹套的α2的计算
润湿周边=80＋（80＋4×8.0）＋2×（43－1）=276㎜
de=
=204mm=20.4㎝
de=
=4.74㎝=0.0474m
20%（V/V）酒精在定性温度t=（﹣4－2）／2=﹣3℃下
μ=5.05CP=5.05×10³Pa·s
λ=0.402kcal/hrm℃=0.468W/㎏℃
Cp=1.041kcal/㎏℃=4.358×10³J/㎏℃
ρ=976㎏／㎡
υ=1m/s
Re=duρ/υ=9160=104
故可视为强制湍流流动得n=0.4
α2=0.023λ/d（Re）0.8（Cpμ/λ）0.4=1348.4kcal/hr·m·℃
因为计算时冷却盘管为直管，先修正：
α=α（1＋1.77d/R）
=1348.4×（1＋1.77×0.0474/1.829）
=1410.3kcal/hr·m·℃
3）筒体部分传热系数K
代入数据可得：
A1-筒体内层传热面面积12.3062㎡
A2-筒体平均传热面积12.3562㎡
A3-筒体外壁平均传热面积12.304㎡
Rs1-啤酒液污垢系数0.000675㎡h℃/kcal
Rs2-冷却剂污垢系数0.000307㎡h℃/kcal
1-发酵液传热系数192.5kcal/㎡h℃
2-夹套冷却剂的传热系数206.4kcal/㎡h℃
Λ-筒体材料导热系数4.562kcal/㎡h℃
b-筒体壁厚0.01m
=7.058×10﹣3
所以：
K=141.7kcal/㎡·℃
注：
h为假设夹套高度（m）
②锥形罐筒体需冷却的热量
1）醪液放热Q醪=Q1＋Q2
Q1=34765×0.055×146.6=2803.1kcal/hr
Q2=34765×0.9519×0.6=19855.68kcal/hr
所以Q醪=Q1＋Q2=22658.78kcal/hr
2）外界与罐体的传热量
a.封头部分Q1=KF（t外平＋t0附－t内）
代入数据得KF=2.02×（10%＋1）×（32＋8.5－5）
=78.88kcal/hr
b.筒体部分：
代入数据：
得：
KF=15.67kcal/K·℃
Q2=KF（t外平＋t0附－t内）
=1.1×15.67×（32+8.5－5）
=611.91kcal/hr
③筒体冷却面积A初定
℃
Q=KAΔtm
A=22958.78/（141.7×11.3）=14.34㎡
则醪液的冷却负荷为：
14.34/34765=0.413㎡/T＞0.3m³/T
故冷却面积能够满足要求。
④发酵罐冷却面积的确定
1）筒体部分
由前面叙述可知，筒体部分相同的冷却段，选用8#槽钢筒体冷却段面积为14.34㎡
则槽钢长=14.34/0.08=179m
取相邻两槽钢间距为80mm
一圈槽钢长：
l0=[（3.14×2.4）²＋0.12²]½=7.54m
179长的槽钢课绕圈数179/7.54≈24圈
则二段各绕12圈
冷却高度为
12×（80＋40）－40=1400mm
筒体实际冷却面积为
24×11.567×0.08=22.2㎡/T
2）锥底部分
锥体部分醪液量为10.213×1.0484=10.70kg
锥体部分冷却面积为
10.70×0.439=4.70㎡/T
则槽钢长为4.70/0.08=58.76m
绕制高度为1000mm
第三节发酵罐附件的设计及选型
①入孔
1）、选用入孔BIIPg6Dg450×8H1=220JB-64-28材料A3钢
2）、补强圈尺寸确定如下
D内=484mm
D外=760mm
补强圈的厚度S补
按下式计算，考虑罐体与入孔节均有一定的壁厚裕量，故
补强圈取8mm
S补=（d×S0）/（D2-D1）=（45×0.52）/（76-484）=0.85cm
②视镜
2、选用带劲视镜Pg6Dg150JB595-64-4
3、补强圈尺寸确定如下：
内径D1=163mm外径=300mm
补强圈的厚度S补按
S被=d*S0/D2-D1=150*8/300-163=8.8mm
考虑罐体与视镜筒节约有一定的壁厚余量，故补强圈取8mm
③接管
1）CO2回收接管
YB804-70Dg40无缝钢管重3.6kg/m
法兰Pg6Dg40HG5010—58重1.219kg
2）温度计取样接管
见发酵罐总装图
3）冷却剂进口接管
YB804-70Dg50无缝钢管重4.65kg/m
法兰Pg6Dg50HG5010—58重1.348kg
4）滤酒管
YB804-70Dg50不锈钢管重7.15kg/m
法兰Pg6Dg50HG5010—58重2.38kg
去滤酒馆于管内高度为1.2m即1200mm
5）麦汁进料及Y排放接管
Dg125球阀控制酒量Dg50玻璃视镜观测Y排放情况Dg50接管
第四节、发酵罐的计算特性和规范
1、技术特性
①本例按JB741—80钢制焊接压力容器技术条件：
及“SB5111”不锈钢耐酸性钢及碳钢、II类设备进行制造试验。
②设备制造完毕后，设备内壁所有内表面焊缝须打磨光滑平缓过渡，但须保证用材料同样厚度。
③立板焊接时应与底轴垂直，两块立板之间得分布误差不大于0.10
④设备安装后轴线对基础的不垂直度在全场上不大于10mm，设备在现场就位安装。
⑤设备组焊后，封头筒体锥形底的Ф400轴线在总高度范围内的不垂直度<15mm
⑥设备应进行下列实验：
1．液压实验罐内3.5kgf/cm2
夹套内3.5kgf/cm2
2．气压实验罐内3kg/cm2
夹套内3kg/cm2
⑦设备内应涂白色7535底漆层及面漆2层
⑧设备碳钢外露表面应涂Y351-1红丹油防锈漆2层
⑨设备保温罐外喷聚氨厚度200mm
二、发酵罐规范表
30m³圆柱锥底发酵罐的规范表
名称
30m³圆柱锥底发酵罐
罐体规格：
直径（mm）
2400
柱体高度（mm）
6391
总高度（mm）
8271
总容积m³
28.29
有效容积m³
25.5
罐利用率
89.2%
材质
A3钢
钢板厚度：
圆柱部分（mm）
8
上封头（mm）
10
圆锥部分（mm）
10
工作压力（㎏/㎝²）：
罐内
2.5
罐外
0.3
冷却形式
槽钢盘绕罐体的三段冷却
冷媒
20%酒精溶液（﹣4℃）
冷却面积m²/T
26.9
工作温度（℃）：
罐内
0—12
罐外
﹣4—4
外壁保温层
聚氨酯硬质泡沫材料
内壁涂料
环氧树脂
保护层
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