最新发酵罐的设计.docx

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最新发酵罐的设计

发酵罐的设计

工程大学课程设计任务书

班级：

姓名：

课题名称：

生物反应器设计（啤酒露天发酵罐设计）

指定参数：

1.全容：

m3

2.容积系数：

3.径高比：

4.锥角：

5.工作介质：

啤酒

设计内容：

1.完成生物反应器设计说明书一份（要求用A4纸打印）

⑴封面

⑵完成生物反应器设计化工计算

⑶完成生物反应器设计热工计算

⑷完成生物反应器设计数据一览表

2.完成生物反应器总装图1份（用CAD绘图A4纸打印）

设计主要参考书：

1.生物反应器课程设计指导书

2.化学工艺设计手册

3.机械设计手册

4.化工设备

5.化工制图

接受学生承诺：

本人承诺接受任务后，在规定的时间内，独立完成任务书中规定的任务。

接受学生签字：

生物工程教研室

2010-11-15

发酵罐设计

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=2.20m

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：

2.8

由D=2400mm查表得

椭圆封头几何尺寸为：

h1=600mm（曲面高度）

h0=25mm（直边高度）

F=6.41m2（内表面积）

V=1.93m3（容积）

筒体几何尺寸为：

H=6624mm

F=36.90m2

V=22.14m3

锥体的几何尺寸为：

h0=25mm

r=360mm

H=1200mm

F=

=3.705m2

V=

=2.80m2

则：

锥形罐总高：

H=600+25+4896+25+1200=6746mm

总容积：

V=1.93+22.14+2.80=26.87m3

实际充满系数

：

25.5/26.87=94.9%

罐内液柱高：

H丿=（25.5-2.80）*4*102/2.42+（1200+25）=6260mm

三、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*2740/2*tan45°=1918.6mm

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

5、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*24=8330kg/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=7.248×103×976×1.041×2×3600

=53021.4kcal/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。

1.传热系数K的确定

1）醪液α1的计算

α1=0.64×C×4

=0.64×185×4

=185.3kcal/㎡h°C

2）冷却夹套的α2的计算

湿润周边=80+（80+4*8.0）+2*（43-1）

de=

=204mm=20.4cm

de=4*24.16/20.4=4.74cm=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

=0.402kcal/hrm℃=0.468W/m℃

Cp=1.041kcal/kg℃=4.358×103J/kg℃

=976kg/㎡

μ=1m/s

Re=du/μ=9160=104

故可视为强制湍流流动得n=0.4

α2=0.023/d（Re）0.8（Cpμ/）0.4=1348.4kcal/hr·m·℃

因为计算时冷却盘管为直径的，先修正：

α’=α（1+1.77d/R）

=1348.4×（1+12）×0.0474/1.829

=1410.3kcal/hr·m·℃

3）筒体部分传热系数K

=++

代入数据可得：

1/k=

=

所以：

K=kcal/㎡°C

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=kcal/hr

Q2=kcal/hr

所以Q醪=Q1+Q2

2）外界与罐体的传热量

A.封头部分Q1=KF

带入数据得KF=

Q1=KF=

=

B.筒体部分：

带入数据：

得：

KF=

Q2=KF

=

=

3.筒体冷却面积A初定

A=

则醪液的冷却负荷为：

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

㎡

则槽钢长=

取相邻两槽钢间距为40mm

一圈槽钢长：

l0=

330m长的槽钢可绕圈数

则二段各绕圈

冷却段高度为

筒体实际冷却面积为

2）锥体部分

锥体部分醪液量为

锥体部分冷却面积为

则槽钢长为

绕制高度为

第三节发酵罐附件的设计及选型

1．人孔

1.选用人孔材料A3钢

2.补强圈