啤酒露天发酵罐设计.docx

1、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：40m32 容积系数：85%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 化工制图接受学生承诺：本人承诺

2、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=全=4085%= 34m3（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2

3、008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 =D2/4H1+D3+ D2H3 =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=700mmh0=40mm F=8.8503m2V=3.1198m3筒

4、体几何尺寸为：H=4312mmF=37.93m2V=26.55m3锥体的几何尺寸为：h0=40mmr=420mmH=2173mmF=13.54m2V=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=2.75 kg/cm2 ：A3钢工作温度下的许用力取1

5、520 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：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 =(PD中/4S0)*(D中/2h1) =2.75*(2800+7)/4*7*(2800+7)/（2*900*4*8） =658.31=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=

6、2,C3=0.6） =(3.42*2800)/(2*1520*0.9-3.42)+3.2=6.7 mm取S=7mm校核 2=P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）

7、/( t-0.5P)= (0.6*3.74*2800)/(1520*0.9-0.5*3.74) (f查表为0.6)=4.60mmS=S0+C=4.60+0.6+2+0.460 =7.66mm取S=8mm h0=40mm校核锥体所受的最大压力处=PD中/2Scos450 =3.74*2808/（2*8* cos350 ）=801.30.3 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=280/6=467 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=

8、0.6 则S=S0+C=9.2mm取S=10mm3锥形封头 因为： =350 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=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 =747cm20.9=0.9*0.9*

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*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

10、热计算 Q=q*v=119*34=4046/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*2800 =41199.2 kcal/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

11、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* =193.5kcal/m2h2)冷却夹套的2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=5.05*10-3Pas=0.402kcal/hrm=0.468W/mC=1.

12、04kcal/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=1906.8kcal/hrm因为计算时冷却盘管为直管的，先修正：=2（1+1.77d/R） =1906.8*(1+12) *0.0474/1.829=642.4kcal/hrm3)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+Q2Q1=30168*0.055*10-2*146.6

13、=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/hrB.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/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=22734.96/（136.5*11.3）=14.7

14、m2 则醪液的冷却负荷为： 14.7/30168 =0.487m3/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=8.856m183.75m长的槽钢可绕圈数183.75/8.85620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/T2）锥底部分 锥底部分醪液量为:13.60*1.0484=14.26kg

15、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*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考虑罐体与视镜筒节均有

16、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四节 发酵

17、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 夹套内 3k

18、gf/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）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-44外 壁 保 温 层聚氨酯硬质泡沫材料内 壁 涂 料环氧树脂