生物反应器课程设计.docx
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生物反应器课程设计
生物反应器设计
（啤酒露天发酵罐设计）
姓名：
高金利
班级：
生工2072
学号：
3072106245
时间：
2010年11月20日
第一章啤酒发酵罐结构与动力学特征
一、啤酒是以大麦喝水为主要原料，大米、酒花和其他谷物为辅料经制麦、糖化、发酵酿制而成的一种含有二氧化碳、酒精和多种营养成分的饮料酒。
我国是世界上用谷物原料酿酒历史最悠久的国家之一，但我国的啤酒工业迄今只有100余年的历史。
改革开放以来，我国啤酒工业得到了很大的发展，生产大幅度增长，发展到现在距世界第二位。
由于啤酒工业的飞速发展，陈旧的技术，设备将受到严重的挑战。
为了扩大生产，减少投资保证质量，满足消费等各方面的需要，国际上啤酒发酵技术子啊原有传统技术的基础上有很大进展。
尤其是采用设计多种形式的大容量发酵和储酒容器。
这些大容器，不依靠室温调节温度，而是通过自身冷却来控制温度，具有较完善的自控设施，可以做到产品的均一性，从而降低劳动强度，提高劳动生产率。
就发酵罐的外形来分，主要有圆柱锥形底罐、圆柱蝶形罐、圆柱加斜底的朝日罐和球形罐等。
二、啤酒发酵罐的特点
1、单位占地面积的啤酒产量大；而且可以节约土建费用；
2、可以方便地排放酵母及其他沉淀物（相对朝日罐、通用罐、贮就罐而言）；
3、发酵温度控制方便、有效，麦汁发酵时对流好，发酵速度快，可以缩短发酵周期（相对卧式罐、发酵槽而言）；
4、可以回收利用二氧化碳，并可有利于啤酒的口味稳定性与非生物稳定性（相对开口容器而言）；
5、可以一关多用，生产工艺比较灵活；简化生产过程与操作，而且酒损也现对减少；
6、制作相应要比其他发酵罐简单；
7、便于自动控制，如自动清洗和自动灭菌，节省人力与洗涤费用，卫生条件好。
三、露天圆锥发酵罐的结构
（一）罐体部分
露天圆锥发酵罐的罐体有灌顶、圆柱体与锥底3部分组成，其中：
灌顶：
为圆拱形，中央开孔用于可拆卸大直径法兰，以安装CO2与CIP管道及其连接件，灌顶还装有真空阀，安全阀与压力传感器。
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。
（二）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。
（三）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。
（四）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。
第二章发酵罐设计计算步骤
第一部分：
生物反应器设计化工计算
一、发酵罐的容积确定
设计需要选用V有效=32m3的发酵罐
则V全=V有效/φ=32m3/80%=40m3
二、基础参数选择
1．D∶H：
选用D∶H=1∶2
2．锥角：
取锥角为70°
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
三、D、H确定
由D∶H=1∶2，则锥体高度H1=D/2tan35°=0.714D
封头高度H2=D/4=0.25D
圆柱部分高度H3=（2.0－0.714－0.25）=1.04D
又因为V全=V封＋V锥＋V柱
=
=0.187D³＋0.131D³＋0.87D³=40m³
得D=3.23m
查JB1154-74《椭圆形封头和尺寸》取发酵罐直径D=3400mm
再由V全=40m³D=3.4m
得经高比D∶H=1:
1.9
由D=3400mm查表得
h1=850mmh0=50mmF=13.0㎡V=5.60m³
筒体几何尺寸为：
H=5940mmF=63.44㎡V=32.43m³
锥体封头几何尺寸为：
h0=50mmV=9.83m³H=3115mmF=6.86㎡
则锥形罐体总高：
H=850＋50＋5940＋50＋3115=10005mm
总体积：
V全=5.60＋32.43＋9.83=47.86m³
实际充满系数ψ=83.6％
罐内液柱高：
H′=[40-9.83/（3.14×3.42）/4]×102+（3115+50）=8434㎜
四、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=2.75㎏／㎝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2mm
C3：
制造减薄量取0.6
则：
S=（2.75×3400/2×1520×0.9-2.75）＋3.4=7mm
取S0=8mm直边高h0=50mm
校核
σ=
=[2.75×（3400+8）/4×8]×（3400＋8）/2×900
=554.5≦[δ]e
2．筒体
P设=1.1×（P工作＋P静）
=1.1×（2.5+0.61）=3.42㎏／㎝²
S=
（取C1=0.6，C2=2，C3=0.6）
=3.42×3400/（2×1520×0.9－3.42）＋3.2=7.5mm
取S=8mm
校核
σ2=
=620.1≦ψ[σ]t
3．锥形封头
1）过渡区壁厚
S=
P设=1.1×（2.5＋0.9）=3.74㎏／㎝²（0.9为静压）
K=0.716
S=
=0.716×3.74×3400/（2×1520×0.9－0.5×3.74）＋C
=3.33＋C
=3.33＋0.6＋2＋0.59
=6.52mm
（2）锥体
S=
S0=
=0.60×3.74×3400/（1520×0.9－0.5×3.74）（f查表为0.60）
=5.58mm
S=S0＋C=5.58＋0.6＋2＋0.59=8.77mm
取S=10mmh0=25mm
校核锥体所受最大应力处：
σ=
=3.74×3410/（2×10×cos35°）
=778.5≦[σ]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=3060mm
R内／100S0=3060／100×5=6.12
查图表4-1得B=375
[P]=B×S0／R内=375×5／3060=0.61㎏／㎝²＞0.3㎏／㎝²
满足要求
取C1=0.5mm，C2=2mm，C3=0.5mm
则S=S0＋C=8mm
2．筒体
设S0=5mm
L/D=0.57
D=3400/5=680
查图表4-1得B=320
[P]=320×5／3400=0.47㎏／㎝²＞0.3㎏／㎝²
S0=5mm
故可取C1=0.5mm，C2=2mm，C3=0.5mm
则S=S0＋C=8mm
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设计可知，加强圈间中锥体截面积最大直径为：
2×3115／2×tan35°=2181.5mm
取加强圈中心线间锥体长度为1557.5mm
设S0=5mm
L／D=1557.5／3400=0.458
D／S0=3400／5=680
查表4-1得B=370
[P]=B×S0/D=370×5/3400=0.54㎏／㎝²＞0.3㎏／㎝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8mmh0=50mm
圆筒壁厚8mm
标准型封头壁厚10mmh0=50mm
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×[3400＋（10-3.2）]/2×（12-3.2）
=905.9㎏／㎝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=2×3400／1000=6.8mm
而设计时取厚度为S=8mm，故符合刚度要求
第二部分发酵罐热工设计计算
一、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）
二、总发酵热计算
Q=q×v=119×32=3808㎏／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
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）
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=7.248×103×976×1.041×2×3400
=50075.8kcal／hr＞3808kcal／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/㎡hºC
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㎝
de=
=4.74㎝=0.0474m
20%（V/V）酒精在定性温度t=（﹣4－2）／2=﹣3℃下
μ=5.05CP=5.05×10³Pa·s
λ=0.402kcal/hrm℃=0.468W/㎏℃
Cp=1.041kcal/㎏℃=4.358×10³J/㎏℃
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·m·℃
3）筒体部分传热系数K
代入数据可得：
=7.325×10﹣3
所以：
K=136.5kcal/㎡·℃
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=58179×0.055×146.6=4690.9kcal/hr
Q2=58179×0.9519×0.6=33228.4kcal/hr
所以Q醪=Q1＋Q2=37919.3kcal/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）
=1.1×15.67×（32+8.5－5）
=611.91kcal/hr
3.筒体冷却面积A初定
℃
Q=KAΔtm
A=36873.6/136.5×11.3=23.9㎡
则醪液的冷却负荷为：
23.9/58179=0.411㎡/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23.9㎡
则槽钢长=23.9/0.08=299m
取相邻两槽钢间距为40mm
一圈槽钢长：
l0=[（3.14×3.23）²＋0.12²]½=10.157m
299m长的槽钢课绕圈数299/10.157≈30圈
则二段各绕15圈
冷却高度为
15×（80＋40）－40=1760mm
筒体实际冷却面积为
30×11.367×0.08=27.28㎡/T
2）锥底部分
锥体部分醪液量为9.83×1.0484=10.31
锥体部分冷却面积为
10.31×0.439=4.52㎡
则槽钢长为4.52/0.08=56.6m
绕制高度为1000mm
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）
3400
柱体高度（mm）
5940
总高度（mm）
10005
总容积m³
40
有效容积m³
32
罐利用率
83.6%
材质
A3钢
钢板厚度：
圆柱部分（mm）
8
上封头（mm）
8
圆锥部分（mm）
10
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/T
31.8
工作温度（℃）：
罐内
0—12
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
保护层
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