啤酒发酵罐课件设计Word文档格式.docx

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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。

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。

第二章露天发酵罐设计

㈠、发酵罐的容积确定

设计需要选用V有效=24m3的发酵罐

则V全=V有效/φ=24m3/80%=30m3

㈡、基础参数选择

1．D∶H：

选用D∶H=1∶4

2．锥角：

取锥角为90°

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

5．罐体所承受的最大内压：

2.5㎏/cm³

外压：

0.3㎏/cm³

6．锥形罐材质：

A3钢材外加涂料，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

㈢、D、H的确定

由D∶H=1∶4，则锥体高度H1=D/2tan45°

=0.50D

封头高度H2=D/4=0.25D

圆柱部分高度H3=（4－0.50－0.25）D=3.25D

又因为V全=V锥＋V封＋V柱

=

=0.131D³

＋0.131D³

＋2.553D³

=30m3³

得D=2.20m

查JB1154-74《椭圆形封头和尺寸》取发酵罐直径D=2400mm

再由V全=30m³

D=2.4m

得径高比D∶H=1:

3.72

由D=2400mm查表得

椭圆形封头几何尺寸为：

h1=600mmh0=40mmF=6.52m2V=2.00m3

筒体几何尺寸为：

H=6614mmF=49.84㎡V=29.9m3

锥体封头几何尺寸为：

h0=40mmr=280mmH=1714mm

F=πd2/4[（0.7+0.3cosα）2/sinα+0.64]=6.91㎡

V=πd3/24[（0.7+0.3cosα）2/tanα+0.72]=2.16m³

则锥形罐体总高：

H=600＋40＋6614＋40＋1714=9008mm

总容积：

V全=2.00＋29.9＋2.16=34.1m3³

实际充满系数ψ=24/34.1=70.4%

罐内液柱高：

H′=[（24-2.16）/（3.14×

1.22）/4]×

102+（1714+40）=3686㎜

㈣、发酵罐的强度计算

⑴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㎏／㎝²

S=

式中：

P=2.75㎏／㎝²

[σ]：

A3钢工作温度下的许用力取1520.㎏／㎝²

ψ：

焊接系数，本设计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0.8负偏差

C2：

腐蚀裕量取2.0

C3：

制造减薄量取0.6

则：

S=（2.75×

2400/2×

1520×

0.9-2.75）＋3.4=5.8mm

取S0=8mm

直边高h0=40mm

校核

σ=

=[2.75×

（2400+8）/4×

8]×

（2400＋8）/（2×

900）

=369.1≦[δ]t

②．筒体

P设=1.1×

（P工作＋P静）

=1.1×

（2.5+0.61）=3.42㎏／㎝²

（取C1=0.6，C2=2，C3=0.6）

=3.42×

2400/（2×

0.9－3.42）＋3.2=6.2mm

取S=7mm

σ2=

=588.0≦ψ[σ]t

③．锥形封头

1）过渡区壁厚

（2.5＋0.9）=3.74㎏／㎝²

（0.9为静压）

K=0.716

=0.716×

3.74×

0.9－0.5×

3.74）＋C

=2.35＋C

=2.35＋0.6＋2＋0.59

=5.54mm

2）锥体

S0=

=0.60×

2400/（1520×

3.74）（f查表为0.60）

=3.94mm

S=S0＋C=3.94＋0.6＋2＋0.59=7.13mm

取S=10mmh0=40mm

校核锥体所受最大应力处：

=3.74×

2410/（2×

10×

cos45°

）

=637.3≦[σ]t

⑵锥体为外压容器的壁厚计算

设S0=5mm

R内=0.9Dg=2160mm

R内／100S0=2160／（100×

5）=4.32

查图表4-1得B=275

[P]=B×

S0／R内=275×

5／2160=0.64㎏／㎝²

＞0.3㎏／㎝²

满足要求

取C1=0.5mm，C2=2mm，C3=0.5mm

则S=S0＋C=8mm

设S0=6mm

L/D=0.69

D=2400/6=400

查图表4-1及B=210

[P]=210×

6／2400=0.53㎏／㎝²

S0=6mm

故可取C1=0.6mm，C2=2mm，C3=0.6mm

则S=S0＋C=9.2mm取S=10mm

因为α=45°

所以22.50°

＜α＜60°

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×

1714／2×

tan45°

=1714mm

取加强圈中心线间锥体长度为1157.5mm

设S0=5mm

L／D=1157.5／2400=0.482

D／S0=2400／5=480

查表4-1得B=275

S0/D=275×

5/2400=0.57㎏／㎝²

故取S0=5mm

C1=0.6mm，C2=2mm，C3=0.6mm

所以S=S0＋C=8.2mm

取S=9㎜

综合前两步设计，取两者中较大的。

由生产经验确定

标准椭圆型封头厚度为10mmh0=40mm

圆筒壁厚10mm

标准型封头壁厚12mmh0=40mm

⑶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中之处即最危险

设计压力P=3.74㎏／㎝²

液压试验P设=1.25P=4.68㎏／㎝²

查得A3钢σ=2400㎏／㎝²

=4.68×

[2400＋（12-3.2）]/2×

（12-3.2）

=640.5㎏／㎝²

0.9ψσ=0.9×

0.9×

2400=1944㎏／㎝²

＞σ试

可见符合强度要求，试压安全

②．外压试验

以内压代替外压

P=1.5×

（S＋C）=1.5×

（1.0＋0.3）=1.3㎏／㎝²

P试=1.25P=1.63㎏／㎝²

＜P内试

故可知试压安全

③．刚度校核

本设计中允许S=2×

2400／1000=4.8mm

而设计时取厚度为S=10mm，故符合刚度要求

㈠计算依据

计采用A3钢作为发酵罐材料，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2.5㎞／㎝²

冷媒为20%（V/V）酒精溶液，T进=-4℃，T出=-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200mm，锥底部分为98mm）

㈡总发酵热计算

Q=q×

v=119×

24=2856㎏／hr

q每立方米发酵麦汁在主发酵期间每小时放热量；

v为发酵麦汁量

㈢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）

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=976㎏／m³

Cρ=1.04kcal／㎏·

℃

冷却剂的冷却能力为：

Q=7.248×

10ˉ3×

976×

1.041×

2×

2400

=35347.6kcal／hr＞2856kcal／hr

故可选取8号槽钢为冷却夹套。

㈣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，按目前我国生产工艺曲线看，日降温量较大的为13℃→5℃，为了将来工艺更改留下裕量，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=KAΔtm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×

=0.64×

185×

=185.3kcal/㎡hº

C

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㎝

=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×

10³

Pa·

s

λ=0.402kcal/hrm℃=0.468W/㎏℃

Cp=1.041kcal/㎏℃=4.358×

J/㎏℃

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·

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）

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

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

1）选用带劲视镜Pg6Dg150JB595-64-4

2）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

取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

④支座

见发酵罐总装图

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

30m³

圆柱锥底发酵罐的规范表

名称

圆柱锥底发酵罐

罐体规格：

直径（mm）

柱体高度（mm）

6614

总高度（mm）

9008

总容积m³

34.1

有效容积m³

24

罐利用率

70.4%

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（㎏/㎝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

26.9

工作温度（℃）：

0—12

﹣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

第四章总装图