发酵罐的设计.docx

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发酵罐的设计

发酵罐设计实例

第一章啤酒发酵罐结构与动力学特征

一、概述

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

3.1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。

3.2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。

3.3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。

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:

H=1:

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:

H=1:

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

则：

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=

t

3.锥形封头

（1）过渡区壁厚

S=

P设=1.1*（2.5+0.9）=3.745㎏／cm2（0.9为静压）

K=0.75

S=

=

=3.49+C

=3.49+0.6+2+0.369

=6.46mm

（2）锥体

S=

+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

t

=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>0.3kg/cm2

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

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·m·℃

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·m·℃

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

见发酵罐总装图

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）

10

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）：

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

参考文献

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华东理工大学出版社，2002。

[2] 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。

[3] 时钧，汪家鼎等．化学工程手册（第二版）．北京：

化学工业出版社，1996。

[4] 绉兰，闫传智．化工工艺设计．成都：

成都科技大学出版社，1998。

[5] 魏崇光，郑晓梅．化工工程制图．北京：

化学发工业出版社，1994。

[6]戚世岳．化工工程制图．北京：

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：

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