啤酒露天发酵罐设计.docx
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啤酒露天发酵罐设计
生物反应器设计
安徽工程大学课程设计任务书
班级:
生工2081
学生姓名:
赵兴海
课题名称:
生物反应器设计(啤酒露天发酵罐设计)
指定参数:
1.全容:
40m3
2.容积系数:
85%
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
接受学生承诺:
本人承诺接受任务后,在规定的时间内,独立完成任务书中规定任务
接受学生签字:
生物工程教研室
2010-11-15
啤酒露天发酵罐设计
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×
=40×85%=34m3(
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
=
D3+0.43D3+
D3=40
得D=2.75m
查JB-T4737-1995《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:
2.5
由D=2800mm查表得
椭圆封头几何尺寸为:
h1=700mm
h0=40mm
F=8.8503m2
V=3.1198m3
筒体几何尺寸为:
H=4312mm
F=37.93m2
V=26.55m3
锥体的几何尺寸为:
h0=40mm
r=420mm
H=2173mm
F=
=13.54m2
V=
=13.60m2
则:
锥形罐总高:
H=700+40+4312+40+2173=7184
总容积:
V=3.1198+26.55+13.60=43.2698
实际充满系数
:
34/43.2698=79%
罐内液柱高:
H丿=
*103+(2173+40)=4460mm
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
=6.2㎜
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*900*4*8)]
=658.31<=[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
=6.7mm
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)]
=(0.6*3.74*2800)/(1520*0.9-0.5*3.74)(f查表为0.6)
=4.60mm
S=S0+C=4.60+0.6+2+0.460=7.66mm
取S=8mmh0=40mm
校核锥体所受的最大压力处
σ=PD中/2Scos450
=3.74*2808/(2*8*cos350)
=801.3<=[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=280/6=467
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*2173/2*tan350=1522㎜
取加强圈心线间椎体长度为1086.5㎜
设S0=6㎜
L/D=1086.5/2800=0.39
D/S0=2800/6=467
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=、
=4.68
=747cm2
0.9
=0.9*0.9*2400=1944
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*34=4046㎏/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
=41199.2kcal/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*(43-1)=292mm
De=
de=4*24.16/29.2=0.033m
20%(V/V)酒精在定性温度t=(-4-2)/2=-3℃下
µ=5.05*10-3Pa·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=9160=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
=1906.8kcal/hr·m·℃
因为计算时冷却盘管为直管的,先修正:
а=а2(1+1.77d/R)
=1906.8*(1+12)*0.0474/1.829
=642.4kcal/hr·m·℃
3)筒体部分传热系数K
=
+
+
+
+
带入数据可得:
=
+
+
+
+
=8.922*10-3
所以:
K=112.1kcal/㎡·℃
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=30168*0.055*10-2*146.6=4851.3kcal/hr
Q2=30168*0.95*0.6=17195.76kcal/hr
所以Q醪=Q1+Q2=22047.06kcal/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=2.02
Q3=KF(t外平+t0附-t内)
=78.72kcal/hr
B.筒体部分:
带入数据到下式:
得:
KF=13.6kcal/K℃
Q4=1.1KF(t外平+t0附-t内)
=609.18kcal/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=22734.96/(136.5*11.3)=14.7m2
则醪液的冷却负荷为:
14.7/30168=0.487m3/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14.7㎡
则槽钢长=114.7/0.08=183.75m
取相邻两槽钢间距为40mm
一圈槽钢长:
l0=
=8.856m
183.75m长的槽钢可绕圈数183.75/8.856≈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*8.856*0.08=14.17m2/T
2)锥底部分
锥底部分醪液量为:
13.60*1.0484=14.26kg
锥底部分冷却面积为:
14.26*0.439=6.26m2
则槽钢长为:
6.26/0.08=78m
绕制高度为:
1000mm
第三节发酵罐附件的设计及选型
一.人孔
选用人孔(AXB350)Dg450*6H1=150HG/T21616-2005材料A3钢
补强圈尺寸确定如下:
D内=484mmD外=760mm
补强圈取8mm
S补=
=
=0.85cm
二.视镜
选用带颈视镜Pg25,Dg80,H=100,HGJ502-86-6
补强圈尺寸确定如下:
内径D1=163mm外径D2=300mm
补强圈的厚度S补按
S补=d*S0/(D2-D1)=150*8/(300-163)=8.8mm
考虑罐体与视镜筒节均有一定的壁厚裕量,故补强圈取8mm
三.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
取滤酒管于罐内高度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
四.支座
见发酵罐总装图
第四节发酵罐的技术特性和规范
一、技术特性
1.本课程设计按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类设备进行制作试验。
2.设备制造完毕后,设备内壁所有内表面焊缝须打磨平滑平缓过渡,但须保证用材料同样厚度。
3.立板焊接时应于底轴垂直,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长上不大于10mm,设备在现场就位安装。
5.设备组焊后,封头简体锥形底的Φ400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3kgf/cm2
夹套内3kgf/cm2
7.设备内应涂白色7435底漆层及面漆2层。
8.设备碳钢外露表面应涂Y35-1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
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)
4312
总高度(mm)
7184
总容积(m3)
43.2698
有效容积(m3)
34
罐利用率
79%
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)
20.43
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
内壁涂料
环氧树脂