发酵罐设计.docx

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发酵罐设计

安徽工程大学课程设计任务书

班级：

课题名称：

生物反应器设计（啤酒露天发酵罐设计）

学生姓名：

指定参数：

1．全容：

50m3

2．容积系数：

75%

3．径高比：

1：

2

4．锥角：

900

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）

1）封面

2）设计任务书

3）生物反应器设计化工计算

4）完成生物反应器设计热工计算

5）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一份（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任务

接受学生签字：

生物工程教研室

2010-11-15

啤酒露天发酵罐设计

第一节发酵罐的化工设计计算

一、发酵罐的容积确定

在选用时V全=50m3的发酵罐

则V有效=Ｖ全×

=50×75%=37.5m3（

为容积系数）

二、基础参数选择

1．D:

H:

选用D:

H=1:

2

2．锥角：

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，锥体一段，槽钢材料为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：

2.5㎏/㎝3

外压：

0.3㎏/㎝3

6．锥形罐材质：

A3钢外加涂料，接管均用不锈钢

7．保温材料：

硬质聚氨酯泡沫塑料，厚度200㎜

8．内壁涂料：

环氧树脂

三、D、H的确定

由D:

H=1：

2，则锥体高度H1=D/2tan450=D/2（450为锥角的一半）

封头高度H2=D/4=0.25D

圆柱部分高度H3=（2-0.5-0.25）D=1.25D

又因为V全=V锥+V封+V柱

=

×D2/4×H1+

×D3+

×D2×H3

=50m3

得D=3.43m

查JB-T4746-2002《椭圆形封头和尺寸》取发酵直径D=3400mm

再由V全=50m3，D=3.4m

得径高比为：

D:

H=1:

2

由D=3400mm查表得

椭圆封头几何尺寸为：

h1=850mm

h0=50mm

F=13.0m2

V=5.60m3

筒体几何尺寸为：

H=4137mm

F=38.115m2

V=44.856m3

锥体的几何尺寸为：

h0=50mm

r=471mm

H=1895mm

F=

=19.43m2

V=

=9.74m3

则：

锥形罐总高：

H=850+50+4137+50+1895=6982mm

总容积：

V=5.60+44.856+9.74=60.196

实际充满系数

：

37.5/60.196=62.3%

罐内液柱高：

H丿=

*102+（3002+50）=6706.3mm

四、发酵罐的强度计算

（一）罐体为内压容器的壁厚S计算

1.标准椭圆封头

设计压力为P=1.1*2.5=2.75kg/cm2

S0=

+C

式中：

P=2.75kg/cm2

：

A3钢工作温度下的许用力取1520kg/cm2

ψ：

焊接系数，本例采用双面对接焊作为局部无探伤ψ=0.9

壁厚附加量：

C=C1+C2+C3

查表得：

C1：

钢板厚度的负偏差取0.8㎜负偏差

C2：

腐蚀裕量取2㎜

C3：

制造减薄量取0.6㎜

则：

S=[2.75*2700/（2*1520*0.9-2.75）]+3.4

=6.1㎜

取S0=8mm

直角边h0=40mm

校核

σ=（PD中/4S0）*（D中/2h1）

=[2.75*（3400+8）/4*8]*[（3400+8）/（2*850）]

=587.12<=[σ]t

2.筒体

P设=1.1*p工作

=1.1*2.5

=2.75kg/cm2

S=[PD/（2[σ]φ-P）]+C（C1=0.6,C2=2,C3=0.6）

=[（2.75*3400）/（2*1520*0.85-2.75）]+3.2

=6.8mm

取S=7mm

校核σ2=P设D中/2S

=

=669.23<=[σ]tφ

3．锥形封头

1）过渡区壁厚

S=[（KP设Dg）/（2[σ]tφ-0.5P）]+C

P设=1.1*2.5=2.75kg/cm2

折边锥体的系数K值

K=0.7161

S=[（KP设Dg）/（2[

]tφ-0.5P）]+C

=（0.7161*2.75*3400）/（2*1520*0.9-0.5*2.75）+C

=2.45+C=2.45+0.6+2+0.369=5.42mm

2）锥体

S=[（f*PDg）/（[

]tφ-0.5P）]+C

S0=[（f*P设Dg）/（[

]tφ-0.5P）]

=（0.577*2.75*3400）/（1520*0.9-0.5*2.75）

=3.95mm

S=S0+C=3.95+0.6+2+0.217=6.767mm

取S=10mmh0=40mm

校核锥体所受的最大压力处

σ=PD中/2Scos450

=2.75*3400/2*10*cos450

=935<=[σ]t

（二）、锥体为外压容器的壁厚计算

1．标准椭圆封头

设S=8mmS0=S-C=5mm

D0=Di+2S=3400+16=3416mm

Ri=0.9D0=3074.4mm

Ri/S0=3074.4/5=614.88mm

按外压球壳算法计算

A==0.121/614.88=0.00020

查上表得B=300

[P]=B*S0/R内300*5/3060=0.49kg/cm2>0.3kg/cm2

满足要求

取C1=0.5㎜，C2=2㎜，C3=0.5㎜

则S=S0+C=8㎜

2．筒体

设S=13㎜

D0=3400+2*6=3412

S0=S-C=13-3.2=9.8mm

L/D0=6982/3412=2.05

D0/S0=3412/9.8=348.2

A值取0.000792

[P]=（Ri/S0）=2*0.000792*2.05*（106/3）*348.2

=0.379kg/cm2>0.3kg/cm2

故可取C1=0.6㎜，C2=2㎜,C3=0.6㎜

则取S=13mm

3．锥形封头

因为：

ａ=450

所以22.500<ａ<600

按第四章发酵罐设计的中封头设计可知，加强圈间中锥体截面积最大直径为：

2*1895/2*tan450=1895㎜

取加强圈心线间椎体长度为950㎜

设S0=6㎜

L/D=950/3400=0.28

D/S0=3400/6=566.7

查表的B=110

[P]=BS0/D=110*6/566.7=1.16kg/cm2>0.3㎏/㎝2

故取S0=6㎜

C1=0.6㎜，C2=2㎜，C3=0.6㎜

所以S=S0+C=9.2mm

取S=10㎜

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10㎜h0=50㎜

圆筒壁厚13㎜

锥形封头壁厚12㎜h0=50㎜

五．锥形罐的强度校核

1．内压校核

液压试验P试=1.25P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设=3.74kg/cm2

液压实验P试=1.25P=4.68kg/cm2

查得A3钢

=2400kg/cm2

试=、

=4.68

=906cm2

0.9

=0.9*0.9*2400=1944

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*3400/1000=6.8mm

而设计时取壁厚为S=10m，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，筒体两段，锥部一段，夹套工作压力为2.5㎏/㎝2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12°主发酵5-6天，封头及筒体部分保温层厚度为200㎜，锥底部分为98㎜）

二、总发酵热计算

Q=q*v=119*37.5=4462.5㎏/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=24.16㎝2

冷却剂流量为（三段冷却）u=1m/s

3*24.164*10-4*1=7.284*10-3m3/s

查得20%（V/V）酒精溶液△t平=-3℃下的

ρ=976kg/m3

CP=1.04kcal/kg·℃

冷却剂的冷却能力为:

Q=7.248*10-3*976*1.04*2*3400

=50027.7kcal/hr>4462.5kcal/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Q0=KA△tm求的冷却面积。

1．传热系数K的确定

1）醪液а1的计算

а1=0.64*C*

=0.64*185*

=199.1kcal/m2·h·℃

2）冷却夹套的а2的计算

湿润周边=80+（80+4*8.0）+2*（43-1）=276mm=27.6cm

De=

de=4*24.16/27.6=0.035m

20%（V/V）酒精在定性温度t=（-4-2）/2=-3℃下

µ=5.05*103Pa·s

λ=0.402kcal/hr·m·℃=0.468W/m·℃

Cρ=1.041kcal/kg·℃=4.358*103J/kg·℃

ρ=976kg/m3

u=1m/s

Re=duρ/µ=9160=104

故可视为强制湍流流动得n=0.4

а2=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的，先修正：

а=а2（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

=

+

+

+

+

带入数据可得：

=

+

+

+

+

=7.352*10-3

所以：

K=136.02kcal/㎡·℃

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=41323*0.055*10-2*146.6=3331.9kcal/hr

Q2=41323*0.95*0.6=39256.9kcal/hr

所以Q醪=Q1+Q2=42588.8kcal/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）

带入数据得KF=2.02

Q3=KF（t外平+t0附-t内）

=78.8kcal/hr

B.筒体部分：

带入数据到下式：

得：

KF=15.67kcal/K℃

Q4=1.1KF（t外平+t0附-t内）

=6119kcal/hr

3.筒体冷却面积A初定

由Q=KA△tm的

式中K为传热系数kcal/m2h℃

△tm=

=11.30C

A=42588.8/136.5*11.3=35.2m2

则醪液的冷却负荷为：

35.2/41323=0.852m3/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号槽钢筒体冷却段面积为35.2㎡

则槽钢长=26.4/0.08=440m

取相邻两槽钢间距为40mm

一圈槽钢长：

l0=

=10.739m

330m长的槽钢可绕圈数330/10.739≈40圈

则二段各绕20圈

冷却段高度为20*（80+40）-40=12400mm

筒体实际冷却面积为40*11.367*0.008=3.64m2/T

2）锥底部分

锥底部分醪液量为:

9.74*1.0484=10.21kg

锥底部分冷却面积为:

10.21*0.439=4.48m2

则槽钢长为:

4.48/0.08=56m

绕制高度为:

1000mm

第三节发酵罐附件的设计及选型

一.人孔

选用人孔（AXB350）Dg450*6H1=150HG/T21616-2005材料A3钢

补强圈尺寸确定如下：

D内=484mmD外=760mm

补强圈取8mm

S补=

=

=0.85cm

二.视镜

选用带颈视镜Pg25，Dg80，H=100，HGJ502-86-6

补强圈尺寸确定如下：

内径D1=163mm外径D2=300mm

补强圈的厚度S补按

S补=d*S0/（D2-D1）=150*8/（300-163）=8.8mm

考虑罐体与视镜筒节均有一定的壁厚裕量，故补强圈取8mm

三.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

取滤酒管于罐内高度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

四.支座

见发酵罐总装图

第四节发酵罐的技术特性和规范

一、技术特性

1.本课程设计按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类设备进行制作试验。

2.设备制造完毕后，设备内壁所有内表面焊缝须打磨平滑平缓过渡，但须保证用材料同样厚度。

3.立板焊接时应于底轴垂直，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长上不大于10mm，设备在现场就位安装。

5.设备组焊后，封头简体锥形底的Φ400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3kgf/cm2

夹套内3kgf/cm2

7.设备内应涂白色7435底漆层及面漆2层。

8.设备碳钢外露表面应涂Y35-1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

50m³圆柱锥底发酵罐的规范表

名称

50m³圆柱锥底发酵罐

罐体规格：

直径（mm）

3400

柱体高度（mm）

4200

总高度（mm）

8152

总容积（m3）

60.2

有效容积（m3）

37.5

罐利用率

62.3%

材质

A3钢

钢板厚度：

圆柱部分（mm）

13

上封头（mm）

10

圆锥部分（mm）

12

工作压力（kg/）：

罐内

2.5

工作压力（kg/）：

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）

39.7

工作温度（℃）：

罐内

0-12

工作温度（℃）：

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