啤酒露天发酵罐的设计.docx

1、啤酒露天发酵罐的设计安徽工程大学课程设计任务书课题名称：生物反应器设计（啤酒露天发酵罐设计）姓名：吕超绍指定参数：1 全容：40m32 容积系数：75%3 径高比：1：34 锥角：7005 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. 化工制图露天发酵罐设计计算步骤第一节 发酵罐的化工设计计算一

2、、发酵罐的容积确定 在选用时V全=40m3的发酵罐则V有效=全=4075%= 30m3（为容积系数）二、基础参数选择 1D:H: 选用D:H=1:32锥角： 取锥角为7003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.

3、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 =D2/4H1+D3+ D2H3 =0.187D3+0.13D3+1.60D3=40 得D=2.75m 查JB-T4746-2002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=1:2.9 由D=2800mm查表得椭圆封头几何尺寸为：h1=700mm h0=40mm F=8.85m2 V=3.12m3筒体几何尺寸为：H=5712mm F=50.24m2 V=35.17m3锥体的几何尺寸为：h0=40mm r=420mm H=2169mmF=

4、0.619m2V=13.597 m3则：锥形罐总高：H=700+5712+2169+40+40=8661mm 总容积：V=3.12+35.17+4.105=42.395 m3 实际充满系数：30/42.395=70.8%罐内液柱高：H丿=*102+(2169+40)=2475mm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=0.9壁厚附加量：C=C1+C2+C3 查表得：C1：

5、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=6.22 取S0=7mm直角边h0=40mm校核 =(PD中/4S0)*(D中/2h1) =2.75*(2800+7)/4*7*(2800+7)/（2*700） =552.75=t2.筒体P设=1.1*（p工作+p静）=1.1*（2.5+0.61） =3.42kg/cm2 S=PD/(2-P)+C （C1=0.6,C2=2,C3=0.6） =(3.42*2800)/(2*1520*0.9-3.42)+3.2=6.70 mm取S=7mm校核 2=P

6、设D中/2S=685.71=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+0.9)=3.74kg/cm2（其中0.9为静压）折边锥体的系数K值K=0.75S=（K P设Dg）/(2t-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 =5.84mm2）锥体S=（f* P Dg）/( t-0.5P)+CS0=（f* P设Dg）/( t-0.5P) =(1.4*3.74*2800)/(1520*0.9-0.5*3.74) (f=1/cos=1/0.7=

7、1.4) =4.61mmS=S0+C=4.61+0.6+2+0.461 =7.671mm取S=8mm h0=40mm校核锥体所受的最大压力处=PD中/2Scos350 =3.74*2807/2*8* cos350 =400.60.3 kg/cm2 满足要求 取C1=0.5，C2=2，C3=0.5 则S=S0+C=82筒体 设S0=6 L/D=0.69 D=2800/6=450mm 查表的 B=210 P=210*6/2800=0.45/20.3/2 S0=6 故可取C1=0.6，C2=2,C3=0.6 则S=S0+C=9.2mm取S=10mm3锥形封头 因为： =350 所以22.5000.3

8、/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=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= P试 =4.68 =746.9 kg/cm20.9=0.9*0.9*2400=1944 kg/cm2试可见符合强度要求，试压安全2、外压实验 以内压代替

9、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*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*37.5=4462.5/hrq每立方米发酵

10、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*2800 =41238.9kcal/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

11、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* =193.5kcal/m2h2)冷却夹套的2的计算 湿润周边=80+（80+4*8.0）+2*（40-1）=276mm 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=5.05Pas=0.402kcal/hrm=0.468W/mC=1.04kcal/kg=4.358*103J/kg=976kg/m3u=1m/

12、sRe=du/=9750=104故可视为强制湍流流动得n=0.42=0.023/d(Re)0.8(C/)0.4=1797.9kcal/hrm因为计算时冷却盘管为直管的，先修正：=2（1+1.77d/R） =1797.9*(1+12) *0.0474/1.829=605.7kcal/hrm3)筒体部分传热系数K =+带入数据可得：=+ + =12.99*10-3所以：K=77.0kcal/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降糖放热Q1=N*q*V1 N-简体部分所占醪液量：42=40170kg q-1kg麦芽糖发酵时放出的热量：146.6kcal

13、/kg V1 降糖速度0.052Bx/hQ1=32861*0.055*10-2*146.6=2649.6kcal/hr 降温放热Q2=NV2 -醪液传热系数0.95kcal/kg V2 降温速录0.6/hvQ2=32861*0.95*0.6=18730.8kcal/hr所以 Q醪=Q1+Q2=21360kcal/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=2.03 Q3=KF(t外平+t0附-t内) =78.81kcal/hrB.筒体部分： 带入数据到下式： 得：KF=13.8kcal/K Q4=1.1KF(t外平+t0附-t内) =618.1

14、3kcal/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=22057/136.5*11.3=14.3 m2 则醪液的冷却负荷为： 26.4/62110 =0.425m3/T0.3 m3/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8.3 则槽钢长=14.3/0.08=178.75m 取相邻两槽钢间距为40mm 一圈槽钢长： l0=8.85m178.75m长的槽钢可绕圈数178.75/8.8520圈则二段各绕10圈冷却段高度为 10*（80+40）-40=

15、1160mm筒体实际冷却面积为 20*8.79*0.08=14.06m2/T2）锥底部分 锥底部分醪液量为:5.91*1.0484=6.196kg锥底部分冷却面积为: 6.196*0.439=2.72m2则槽钢长为:2.72/0.08=34m绕制高度为:1000mm二、发酵罐规范表40m 圆柱锥底发酵罐的规范表名称40m圆柱锥底发酵罐罐体规格：直径（mm）2800柱 体 高 度（mm）5712总 高 度（mm）8661总 容 积(m3)42.395有 效 容 积(m3)30罐 利 用 率70.8%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)14.3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