发酵罐设计.docx

1、发酵罐设计安徽工程大学课程设计任务书班级：课题名称：生物反应器设计（啤酒露天发酵罐设计）学生姓名：指定参数：1 全容：50m32 容积系数：75%3 径高比：1：24 锥角：9005 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

2、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=50m3的发酵罐则V有效=全=5075%= 37.5m3（为容积系数）二、基础参数选择 1D:H: 选用D:H=1:22锥角： 取锥角为9003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：0.3/36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2008内壁涂料：环氧树脂三、D、H的

3、确定由D:H=1：2，则锥体高度H1=D/2tan450=D/2(450为锥角的一半)封头高度H2=D/4=0.25D圆柱部分高度H3=（2-0.5-0.25）D=1.25D又因为V全=V锥+V封+V柱 =D2/4H1+D3+ D2H3 =50 m3 得D=3.43m 查JB-T4746-2002椭圆形封头和尺寸取发酵直径D=3400mm 再由V全=50m3，D=3.4m 得径高比为： D: H=1:2 由D=3400mm查表得椭圆封头几何尺寸为：h1=850mmh0=50mm F=13.0m2V=5.60m3筒体几何尺寸为：H=4137mmF=38.115m2V=44.856m3锥体的几何尺

4、寸为：h0=50mmr=471mmH=1895mmF=19.43m2V=9.74m3则：锥形罐总高：H=850+50+4137+50+1895=6982mm 总容积：V=5.60+44.856+9.74=60.196 实际充满系数：37.5/60.196=62.3%罐内液柱高：H丿=*102+(3002+50)=6706.3mm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=2.75 kg/cm2 ：A3钢工作温度下的许用力取1520 kg/cm2 ：焊接系数，本例采用双面对接焊作为局部无探伤=0.

5、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*2700/(2*1520*0.9-2.75)+3.4=6.1 取S0=8mm直角边h0=40mm校核 =(PD中/4S0)*(D中/2h1) =2.75*(3400+8)/4*8*(3400+8)/（2*850） =587.12=t2.筒体P设=1.1*p工作=1.1*2.5 =2.75kg/cm2 S=PD/(2-P)+C （C1=0.6,C2=2,C3=0.6） =(2.75*3400)/(2*1520*0.85-2.75)+3.2=6.8 mm

6、取S=7mm校核 2=P设D中/2S=669.23=t 3锥形封头1）过渡区壁厚S=（K P设Dg）/(2t-0.5P)+CP设=1.1*2.5=2.75kg/cm2折边锥体的系数K值K=0.7161S=（K P设Dg）/(2t-0.5P)+C =(0.7161*2.75*3400)/(2*1520*0.9-0.5*2.75)+C=2.45+C=2.45+0.6+2+0.369 =5.42mm2）锥体S=（f* P Dg）/( t-0.5P)+CS0=（f* P设Dg）/( t-0.5P)= (0.577*2.75*3400)/(1520*0.9-0.5*2.75) =3.95mmS=S0+C

7、=3.95+0.6+2+0.217 =6.767mm取S=10mm h0=40mm校核锥体所受的最大压力处=PD中/2Scos450 =2.75*3400/2*10* cos450 =9350.3 kg/cm2 满足要求 取C1=0.5，C2=2，C3=0.5 则S=S0+C=82筒体 设S=13 D0=3400+2*6=3412 S0=S-C=13-3.2=9.8mm L/D0=6982/3412=2.05 D0/S0=3412/9.8=348.2 A值取0.000792 P=（Ri/S0）=2*0.000792*2.05*(106/3)*348.2=0.379kg/cm20.3kg/cm2

8、 故可取C1=0.6，C2=2,C3=0.6 则取S=13mm3锥形封头 因为：=450 所以22.5000.3/2 故取S0=6C1=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=50 圆筒壁厚 13 锥形封头壁厚 12 h0=50五锥形罐的强度校核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 =906cm20.9=0.

9、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/cm2P试=1.25P=2.8kg/cm2P内试 故可知试压安全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=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

10、）二、总发酵热计算 Q=q*v=119*37.5=4462.5/hrq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=h b-截面积 8*4.3-10.24=24.162 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 =976kg/m3CP=1.04kcal/kg冷却剂的冷却能力为:Q=7.248*10-3*976*1.04*2*3400 =50027.7kcal/hr4462.5kcal/hr故可选取8号槽钢为冷却夹套四、发酵罐冷却面积的

11、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135，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=KAtm求的冷却面积。1传热系数K的确定1）醪液1的计算 1=0.64*C* =0.64*185* =199.1kcal/m2h2)冷却夹套的2的计算 湿润周边=80+（80+4*8.0）+2*（43-1）=276mm=27.6cm 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=5.05*103Pas=0.402kcal/h

12、rm=0.468W/mC=1.041kcal/kg=4.358*103J/kg=976kg/m3u=1m/sRe=du/=9160=104故可视为强制湍流流动得n=0.42=0.023/d(Re)0.8(C/)0.4=1348.4kcal/hrm因为计算时冷却盘管为直管的，先修正：=2（1+1.77d/R） =1348.4*(1+12) *0.0474/1.829=1410.3kcal/hrm3)筒体部分传热系数K =+带入数据可得：=+ + =7.352*10-3所以：K=136.02kcal/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+Q2Q1=4132

13、3*0.055*10-2*146.6=3331.9kcal/hrQ2=41323*0.95*0.6=39256.9kcal/hr所以 Q醪=Q1+Q2=42588.8kcal/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=2.02 Q3=KF(t外平+t0附-t内) =78.8kcal/hrB.筒体部分： 带入数据到下式： 得：KF=15.67kcal/K Q4=1.1KF(t外平+t0附-t内) =6119kcal/hr3.筒体冷却面积A初定 由Q=KAtm的 式中K为传热系数kcal/m2h tm=11.30CA=42588.8/136.5*

14、11.3=35.2m2 则醪液的冷却负荷为： 35.2/41323 =0.852m3/T0.3 m3/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号槽钢筒体冷却段面积为35.2 则槽钢长=26.4/0.08=440m 取相邻两槽钢间距为40mm 一圈槽钢长： l0=10.739m330m长的槽钢可绕圈数330/10.73940圈则二段各绕20圈冷却段高度为 20*（80+40）-40=12400mm 筒体实际冷却面积为40*11.367*0.008=3.64m2/T2）锥底部分 锥底部分醪液量为: 9.74*1.0484=10.

15、21kg锥底部分冷却面积为: 10.21*0.439=4.48m2则槽钢长为: 4.48/0.08=56m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*6 H1=150 HG/T21616-2005材料A3钢补强圈尺寸确定如下： D内=484mm D外=760mm 补强圈取8mmS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

16、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YB80470 Dg40无缝钢管 重3.6kg/m法兰 Pg6Dg40HG501058 重 1.219kg2.温度计取样接管见发酵罐总装图3.冷却剂进口接管YB80470 Dg50无缝钢管 重4.65kg/m法兰 Pg6Dg50HG501058 重 1.348kg4.滤酒管YB80470 Dg50不锈钢管 重7.15kg/m法兰 Pg6Dg50HG501058 重 2.38kg取滤酒管于罐内高度1.2m即1200mm5.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

17、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、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0.104.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400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/cm22）气压实验 罐 内 3kgf/cm2 夹

18、套内 3kgf/cm27.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50m圆柱锥底发酵罐的规范表名称50m圆柱锥底发酵罐罐体规格：直径（mm）3400柱 体 高 度（mm）4200总 高 度（mm）8152总 容 积(m3)60.2有 效 容 积(m3)37.5罐 利 用 率62.3%材 质A3钢钢板厚度：圆柱部分(mm)13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)39.7工 作 温 度（）：罐 内0-12工 作 温 度（）：罐 外-44外 壁 保 温 层聚氨酯硬质泡沫材料内 壁 涂 料环氧树脂