啤酒发酵罐课程设计001.docx
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啤酒发酵罐课程设计001
生物反应器课程设计
-----啤酒露天发酵罐设计
姓名：
张小燕
班级：
生工112
学号：
3110402212
露天发酵罐设计
1、啤酒发酵罐的化工设计计算
㈠、发酵罐的容积确定
设计需要选用V有效=22.5m3的发酵罐
则V全=V有效/φ=22.5m3/75%=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确定
由D∶H=1∶4，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=（4－0.714－0.25）D=3.036D
又因为V全=V封＋V锥＋V柱
=
=0.187D³＋0.131D³＋2.386D³=30m³
得D=2.23m
查JB1154-73《椭圆形封头和尺寸》取发酵罐直径D=2400mm
再由V全=30m³D=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]=10.64㎡
V=πd3/24[（0.7+0.3cosα）2/tanα+0.72]=3.60m³
则锥形罐体总高：
H=600＋40＋6614＋40＋1714=9008mm
总体积：
V全=2.00＋29.9＋3.60=35.5m³
实际充满系数ψ=22.5/35.5=63.3%
罐内液柱高：
H′=[22.5-3.75/（3.14×1.22）/4]×102+（1714+40）=3413㎜
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1.5mm
C3：
制造减薄量取0.6
则：
S=（2.75×2400/2×1520×0.9-2.75）＋3.4=5.814mm
取S0=8mm
直边高h0=40mm
校核
σ=
=[2.75×（2400+8）/4×8]×（2400＋8）/2×900
=369.12≦[δ]t
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）
=3.42×2400/（2×1520×0.9－3.42）＋3.2=6.2mm
取S=7mm
校核
σ2=
=588.0≦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=
=0.716×3.74×2400/（2×1520×0.9－0.5×3.74）＋C
=2.35＋C
=2.35＋0.6＋2＋0.59
=5.54mm
2）锥体
S=
S0=
=0.60×3.74×2400/（1520×0.9－0.5×3.74）（f查表为0.60）
=3.94mm
S=S0＋C=3.94＋0.6＋2＋0.59=7.13mm
取S=8mmh0=40mm
校核锥体所受最大应力处：
σ=
=3.74×（2400+8）/（2×10×cos35°）
=687.14≦[σ]t
⑵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=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
②．筒体
设S0=5mm
L/D=0.69
D=2400/6=400
查图表4-1得B=210
[P]=210×6／2400=0.53㎏／㎝²＞0.3㎏／㎝²
S0=6mm
故可取C1=0.6mm，C2=2mm，C3=0.6mm
则S=S0＋C=9.2mm取S=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设计可知，加强圈间中锥体截面积最大直径为：
2×2215／2×tan35°=1551mm
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
[P]=B×S0/D=275×6/2400=0.69㎏／㎝²＞0.3㎏／㎝²
故取S0=6mm
C1=0.6mm，C2=2mm，C3=0.6mm
所以S=S0＋C=9.2mm
取S=10㎜
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=40mm
圆筒壁厚10mm
标准型封头壁厚10mmh0=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＋（10-3.2）]/2×（10-3.2）
=828.2㎏／㎝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
2、发酵罐热工设计计算
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=119×22.5=2677.5㎏／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=7.248×103×976×1.041×2×2400
=35347.6kcal／hr＞8330kcal／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
t1+t2
2
4
6
8
10
C
25
150
170
185
204
α1=0.64×C×
=0.64×185×
=198.9kcal/㎡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：
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）
=1.1×15.67×（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
3、发酵罐附件的设计及选型
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
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、发酵罐的计算特性和规范
1、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
2、发酵罐规范表
30m³圆柱锥底发酵罐的规范表
名称
30m³圆柱锥底发酵罐
罐体规格：
直径（mm）
2400
柱体高度（mm）
6614
总高度（mm）
9008
总容积m³
35.5
有效容积m³
22.25
罐利用率
63.3%
材质
A3钢
钢板厚度：
圆柱部分（mm）
8
上封头（mm）
10
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
26.9
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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