发酵罐的设计Word下载.docx

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取样阀；

原位清洗装置（CIP）；

换间板。

3.4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。

四、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。

第二章发酵罐的化工设计计算

一、发酵罐的容积确定

实际需要选用V有效=60m3的发酵罐

则V全=V有效／

=60／85%=71m3

二、基础参数选择

1.D:

H选用D:

H=1:

3

2.锥角：

取锥角为70°

3.封头：

选用标准椭圆封头

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㎏／cm3

外压：

0.3㎏／cm3

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:

3，则锥体高度H1=D／2tg35°

=0.714D

封头高度H2=D／4=0.25D

圆柱部分高度H3=（3.0-0.714-0.25）D=2.04D

又因为V全=V锥+V封+V柱=

×

H1+

D3＋

D2×

H3

=0.187D3+0.13D3+1.60D3=71

得D=3.33m

查JB1154-74《椭圆形封头和尺寸》取发酵直径D=3400mm

再由V全=71cm3，D=3.4m

得径高比为D:

2.8

由D=3400mm查表得椭圆形封头几何尺寸为：

h1=850mm

h0=50mm

F=13.0m2

V=5.6m3

筒体几何尺寸为：

H=5940mm

F=63.44m2

V=56.22m3

锥体封头几何尺寸为：

H0=50mm

r=510m

H=3115mm

F=πd2／4-[

+0.64]=7.75m2

V=πd3／24[（0.7+0.3COSa）2／tga+0.72]=4.91m3

则：

锥形罐总高：

H=850+50+5940+50+3115=10005mm

总容积：

V=5.6+56.22+4.91=66.73m3

实际充满系数：

60／66.73=89.91%

罐内液柱高：

H，=

+（3115+50）=3203mm

四、发酵罐的强度计算

4.1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=2.75㎏／cm2

S=

式中：

P=2.75㎏／cm2

：

A3钢工作温度下的许用力取1520㎏／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0.6mm

取S0=7mm

直边高：

h0=40mm

校核

=

=633.5

t

2.筒体

P设=1.1×

（P工作+P静）

=1.1*（2.5+0.61）=3.42㎏／cm2

S=

（取C2=0.6,C2=2,C3=0.6）

=

取S=8mm

校核

2=

3.锥形封头

（1）过渡区壁厚

P设=1.1*（2.5+0.9）=3.745㎏／cm2（0.9为静压）

K=0.75

=3.49+C

=3.49+0.6+2+0.369

=6.46mm

（2）锥体

+C

S0=

（

查表为0.60）

S=S0+C=5.6+0.6+2+0.59=8.57

取S=10mmh0=40mm

校核锥体所受最大应力处：

=778.5

=824.1

t

五、锥体为外压容器的壁厚计算

1.标准椭圆封头

设S0=5mm

R内=0.9Dg3240mm

R内/100S=3240/100*5=6.48

查图表4-1及B=275

[P]=B*S0/R内=275*5/3240=0.43kg/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=6mm

L/D=0.69

D=3400/6=567

查图表4-1及B=210

[P]=210*6/3400=0.357kg/cm2>

0.3kg

S0=6mm

故可取C1=0.6mm，C2=2mm，C3=0.6mm

则S=S0+C=9.2mm或10mm

3.锥形封头

因为：

α=35°

所以22.50°

<

α<

60°

按第四章发酵罐设计的中封头可知，加强圈间中锥体截面积最大直径为：

2*2740/2*tg35°

=1918.6mm

取加强圈中心线间锥体长度为1370mm

设S0=6mm

L/D=1370/3400=0.4

D/S0=3400/6=567

查图表4-1及B=320

[P]=BS0/D=320*6/3400=0.56>

故取S0=6mm

C1=0.6mm，C2=2mm，C3=0.6mm

所以S=S0+C=6+3.2=9.2

取S=10mm

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=40mm

圆筒壁厚10mm

标准形封头壁厚12mmh0=40mm

六、锥形罐的强度校核

6.1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σ=2400kg/cm3

σ试=P试[Dg+（S-C）]/2（S-C）

=4.68*[3400+（12-3.2）]/2*（12-3.2）

=906.4kg/cm2

0.9ψσ=0.9*0.9*2400=1944kg/cm2>

σ试

可见符合强度要求，试压安全

6.2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

6.3刚度校核

本例中允许S=2*3400/1000=6.8mm

而设计时取壁厚为S=10mm，故符合刚度要求（公式：

S最小=2D内/1000）

第三章发酵罐热工设计计算

一、计算依据

计采用A3刚作发酵罐材料，用8号槽钢做冷却夹套，分三段冷却，筒体二段，椎部一段，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12℃（主要发酵5-6天，封头及筒体部分保温层厚度为200mm，椎底部分为98mm）

二、总发酵热计算

Q=q*v=119*70=8330kg/hr

q为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

1、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Δt平=-3℃下的ρ=976kg/m3

Cρ=1.04kcal/kg·

℃

冷却剂的冷却能力为：

Q=7.248*103*976*1.041*2*3400=49131.3kcal/hr

故可选取8号钢槽为冷却夹套。

2、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℃到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为设计的小时降温量，则由Q=KAΔtm求得冷却面积。

2.1传热系数K的确定

2.1.1醪液α1的计算

α1=0.64*C*

=0.64*185*

=185.3kcal/m2·

h·

2.1.2冷却夹套的α2的计算

湿润周边=80+（80+4*8.0）+2*（43-1）

de=（4*流体流动截面面积）/湿润周边

=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

λ=0.402kcal/hr·

m·

℃=0.468W/m·

Cp=1.041kcal/kg·

℃=4.358*103J/kg℃

ρ=976kg/m2

μ=1m/s

Re=duρ/μ=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·

因为计算时冷却盘管为直管的，先修正：

α、=α（1+1.77d/R）

=1348.4*（1+12）*0.0474/1.829

=1410.3kcal/hr·

1）筒体部分传热系数K

1/KA2=1/α1A1+Rs1/A1+b/λA2+1/α2A3+Rs2/A3

代入数据可得：

1/K=7.325*10-3

所以：

K=136.5kcal/m2·

注：

h为假设夹套高度（m）

3、锥形罐筒体需冷却的热量

1）醪液放热Q醪=Q1’+Q2’

Q1‘=62110×

0.055×

146.6=4552.7kcal/hr

Q2’=62110×

0.9519×

0.6=35473kcal/hr

所以,Q醪=Q1‘+Q2’=40026kcal/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=0L.2

Q1=KF（t外平+t0附-t内）

=2.02×

（10%+1）×

（32+8.5-5）

78.72kcal/hr

b.筒体部分：

带入数据：

1/KF=1/αA1+δ1/λ1A2+δ2/λ2A2+δ3/λ2A4+1/αA5

得：

KF=15.67kcal/K·

°

C

Q2=KF（t外平+t0附-t内）

=1.1×

15.6（32+8.5-5）

=6119kcal/hr

4、筒体冷却面积A初定

Q=KAΔtm

A=40716.8/136.5×

11.3=26.4m2

则醪液的冷却负荷为：

26.4/62110=0.425m2/T>

0.3m3/T

故冷却面积能够满足要求。

5、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26.4m2，则槽钢长=26.4/0.08=330

取相邻两槽钢间距为40mm

一圈槽钢长：

l0=[（3.14×

3.62）2+0.122]1/2=11.367m

330m长的槽钢可绕圈数330/11.367≈30圈

则二段各绕15圈

冷却段高度为：

15×

（80+40）-40=1760mm

筒体时机冷却面积为：

30×

11.367×

0.08=1.439m2/T

2）锥底部分

锥体部分醪液量为4.91×

1.0484=5.32

锥体部分冷却面积为

5.32×

0.439=2.33m2

则槽钢长为2.33/0.08=29.1m

绕制高度为1000mm

第四章发酵罐附件的设计及选型

一、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

二、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

三、支座

第五章发酵罐的技术特性和规范

一、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

85m3圆柱锥底发酵罐的规范表

名称

85m3圆柱锥底发酵罐

罐体规格：

直径（mm）

3600

柱体高度（mm）

6624

总高度（mm）

10344

总容积m3

84.8

有效容积m3

70

罐利用率

82.5%

材质

A3钢

钢板厚度：

圆柱部分（mm）

10

上封头（mm）

圆锥部分（mm）

12

工作压力（kg/cm3）：

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%究竟溶液（-4°

C）

冷却面积

31.3

工作温度（°

C）：

0—12

-4～4

外壁保温层

聚氨酯硬质泡沫材料

内壁涂料

保护层

参考文献

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娄爱娟，吴志泉，吴叙美．化工设计．上海：

华东理工大学出版社，2002。

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国家医药管理局上海医药设计院．化工工艺设计手册（第二版）．北京：

化学工业出版社，1996。

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成都科技大学出版社，1998。

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化学发工业出版社，1994。

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化学工业出版社，2005。

[7]刘道德等．化工设备的选择与设计（第三版）．长沙：

中南大学出版社，2003。

[8]王静康．化工过程设计．北京：

化学工业出版社，2006。