啤酒露天发酵罐的设计.docx
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啤酒露天发酵罐的设计
安徽工程大学课程设计任务书
课题名称：
生物反应器设计（啤酒露天发酵罐设计）
姓名：
吕超绍
指定参数：
1．全容：
40m3
2．容积系数：
75%
3．径高比：
1：
3
4．锥角：
700
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
露天发酵罐设计计算步骤
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=40m3的发酵罐
则V有效=Ｖ全×
=40×75%=30m3（
为容积系数）
二、基础参数选择
1．D:
H:
选用D:
H=1:
3
2．锥角：
取锥角为700
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：
3，则锥体高度H1=D/2tan350=0.714D（350为锥角的一半）
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
=
×D2/4×H1+
×D3+
×D2×H3
=0.187D3+0.13D3+1.60D3=40
得D=2.75m
查JB-T4746-2002《椭圆形封头和尺寸》取发酵直径D=2800mm
再由V全=40m3，D=2.8m
得径高比为：
D:
H=1:
2.9
由D=2800mm查表得
椭圆封头几何尺寸为：
h1=700mmh0=40mm
F=8.85m2V=3.12m3
筒体几何尺寸为：
H=5712mmF=50.24m2V=35.17m3
锥体的几何尺寸为：
h0=40mmr=420mmH=2169mm
F=
=0.619m2
V=
=13.597m3
则：
锥形罐总高：
H=700+5712+2169+40+40=8661mm
总容积：
V=3.12+35.17+4.105=42.395m3
实际充满系数
：
30/42.395=70.8%
罐内液柱高：
H丿=
*102+（2169+40）=2475mm
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*2800/（2*1520*0.9-2.75）]+3.4
=6.22㎜
取S0=7mm
直角边h0=40mm
校核
σ=（PD中/4S0）*（D中/2h1）
=[2.75*（2800+7）/4*7]*[（2800+7）/（2*700）]
=552.75<=[σ]t
2.筒体
P设=1.1*（p工作+p静）
=1.1*（2.5+0.61）
=3.42kg/cm2
S=[PD/（2[σ]φ-P）]+C（C1=0.6,C2=2,C3=0.6）
=[（3.42*2800）/（2*1520*0.9-3.42）]+3.2
=6.70mm
取S=7mm
校核σ2=P设D中/2S
=
=685.71<=[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+0.9）=3.74kg/cm2（其中0.9为静压）
折边锥体的系数K值
K=0.75
S=[（KP设Dg）/（2[
]tφ-0.5P）]+C
=（0.75*3.74*2800）/（2*1520*0.9-0.5*3.74）+C
=2.87+C
=2.87+0.6+2+0.369=5.84mm
2）锥体
S=[（f*PDg）/（[
]tφ-0.5P）]+C
S0=[（f*P设Dg）/（[
]tφ-0.5P）]
=（1.4*3.74*2800）/（1520*0.9-0.5*3.74）（f=1/cosа=1/0.7=1.4）
=4.61mm
S=S0+C=4.61+0.6+2+0.461=7.671mm
取S=8mmh0=40mm
校核锥体所受的最大压力处
σ=PD中/2Scos350
=3.74*2807/2*8*cos350
=400.6<=[σ]t
（二）、锥体为外压容器的壁厚计算
1．标准椭圆封头
Ri规定：
标准椭圆封头Ri=0.9D内
S0=5mm
R内=0.9Dg=0.9*2800=2520mm
R内/100S0=2520/100*5=5.04
查表得B=275
[P]=B*S0/R内=275*5/2520=0.54kg/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S0=6㎜
L/D=0.69
D=2800/6=450mm
查表的B=210
[P]=210*6/2800=0.45㎏/㎝2>0.3㎏/㎝2
S0=6㎜
故可取C1=0.6㎜，C2=2㎜,C3=0.6㎜
则S=S0+C=9.2mm取S=10mm
3．锥形封头
因为：
ˇａ=350
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*2740/2*tan350=1918.6㎜
取加强圈心线间椎体长度为1370㎜
设S0=6㎜
L/D=1370/2800=0.49
D/S0=2800/6=466.6mm
查表的B=320
[P]=BS0/D=320*6/2800=0.68>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=40㎜
圆筒壁厚10㎜
锥形封头壁厚12㎜h0=40㎜
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=P试
=4.68
=746.9kg/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*2800/1000=5.6mm
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*2800
=41238.9kcal/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*
=193.5kcal/m2·h·℃
2）冷却夹套的а2的计算
湿润周边=80+（80+4*8.0）+2*（40-1）=276mm
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=5.05Pa·s
λ=0.402kcal/hr·m·℃=0.468W/m·℃
Cρ=1.04kcal/kg·℃=4.358*103J/kg·℃
ρ=976kg/m3
u=1m/s
Re=duρ/µ=9750=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
=1797.9kcal/hr·m·℃
因为计算时冷却盘管为直管的，先修正：
а=а2（1+1.77d/R）
=1797.9*（1+12）*0.0474/1.829
=605.7kcal/hr·m·℃
3）筒体部分传热系数K
=
+
+
+
+
带入数据可得：
=
+
+
+
+
=12.99*10-3
所以：
K=77.0kcal/㎡·℃
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
降糖放热Q1=N*q*V1
N-简体部分所占醪液量：
42=40170kg
q-1kg麦芽糖发酵时放出的热量：
146.6kcal/kg
V1–降糖速度0.052Bx/h
Q1=32861*0.055*10-2*146.6=2649.6kcal/hr
降温放热Q2=NλV2
Λ-醪液传热系数0.95kcal/kg℃
V2–降温速录0.6℃/hv
Q2=32861*0.95*0.6=18730.8kcal/hr
所以Q醪=Q1+Q2=21360kcal/hr
2）外界与罐体的传热量
A.封头部分Q3=KF（t外平+t0附-t内）
带入数据得KF=2.03
Q3=KF（t外平+t0附-t内）
=78.81kcal/hr
B.筒体部分：
带入数据到下式：
得：
KF=13.8kcal/K℃
Q4=1.1KF（t外平+t0附-t内）
=618.13kcal/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=22057/136.5*11.3=14.3m2
则醪液的冷却负荷为：
26.4/62110=0.425m3/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5号槽钢筒体冷却段面积为8.3㎡
则槽钢长=14.3/0.08=178.75m
取相邻两槽钢间距为40mm
一圈槽钢长：
l0=
=8.85m
178.75m长的槽钢可绕圈数178.75/8.85≈20圈
则二段各绕10圈
冷却段高度为10*（80+40）-40=1160mm
筒体实际冷却面积为
20*8.79*0.08=14.06m2/T
2）锥底部分
锥底部分醪液量为:
5.91*1.0484=6.196kg
锥底部分冷却面积为:
6.196*0.439=2.72m2
则槽钢长为:
2.72/0.08=34m
绕制高度为:
1000mm
二、发酵罐规范表
40m³圆柱锥底发酵罐的规范表
名称
40m³圆柱锥底发酵罐
罐体规格：
直径（mm）
2800
柱体高度（mm）
5712
总高度（mm）
8661
总容积（m3）
42.395
有效容积（m3）
30
罐利用率
70.8%
材质
A3钢
钢板厚度：
圆柱部分（mm）
10
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）
14.3
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
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