发酵罐的设计.doc

目 录第一章 啤酒发酵罐结构与动力学特征2一、概述2二、啤酒发酵罐的特点2三、露天圆锥发酵罐的结构3 3.1罐体部分3 3.2温度控制部分4 3.3操作附件部分4 3.4仪器与仪表部分4四、发酵罐发酵的动力学特征5第二章 发酵罐的化工设计计算6一 、发酵罐的容积确定6二、 基础参数选择6三、 D、H的确定6四、发酵罐的强度计算8 4.1 罐体为内压容器的壁厚计算8五、锥体为外压容器的壁厚计算11六、锥形罐的强度校核13 6.1内压校核13 6.2外压实验14 6.3刚度校核14第三章 发酵罐热工设计计算15一、计算依据15二、总发酵热计算15第四章 发酵罐附件的设计及选型20一、人孔20二、接管20三、支座21第五章 发酵罐的技术特性和规范22一、技术特性22二、发酵罐规范表23参考文献25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6090，也有90120，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1/41/3。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：HD1、由于采用凝聚性酵母，S3S1，使发酵速度 3区1区；导致B3B1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P3P1而形成压力差推动发酵液对流；3、由于发酵时控制t3t1，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=6085%=71 m3二、 基础参数选择1. D:H 选用D:H=1:32.锥角：取锥角为703.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：2.5cm3 外压：0.3cm36.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=D2tg35=0.714D封头高度H2=D4=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+D3D2H3=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=71 cm3 ，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=850mmh0=50mmF=13.0m2V=5.6m3筒体几何尺寸为：H=5940mmF=63.44 m2V=56.22m3锥体封头几何尺寸为：H0=50mmr=510mH=3115mmF=d24-+0.64=7.75 m2V=d324（0.7+0.3COSa）2tga+0.72=4.91 m3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：6066.73=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=2.75cm2S=式中：P=2.75cm2：A3钢工作温度下的许用力取1520cm2：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 = =633.5t2. 筒体 P设=1.1（P工作+P静） =1.1*（2.5+0.61）=3.42cm2S= （取C2=0.6,C2=2,C3=0.6）=取S=8mm校核 2=t3. 锥形封头(1) 过渡区壁厚S= P设=1.1*（2.5+0.9）=3.745cm2（0.9为静压）K=0.75S= =3.49+C =3.49+0.6+2+0.369 =6.46mm (2) 锥体S=+CS0=（查表为0.60）S=S0+C=5.6+0.6+2+0.59=8.57 取S=10mm h0=40mm校核锥体所受最大应力处：=778.5t =824.1t 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/cm20.3kg/cm2 满足要求 取C1=0.5mm，C2=2mm，C3=0.5mm 则S=S0+C=8mm2.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/cm20.3kg S0=6mm故可取C1=0.6mm，C2=2mm，C3=0.6mm 则S=S0+C=9.2mm或10mm3.锥形封头因为： =35所以 22.500.3kg/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 10mm h0=40mm 圆筒壁厚 10mm 标准形封头壁厚 12mm h0=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=2400kg/cm3 试=P试Dg+（S-C）/2(S-C) =4.68*3400+(12-3.2)/2*(12-3.2)=906.4kg/cm20.9=0.9*0.9*2400=1944kg/cm2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/cm20.3m3/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=(3.143.62)2+0.1221/2 = 11.367m330m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： 3011.3670.08=1.439m2/T2） 锥底部分 锥体部分醪液量为4.911.0484=5.32 锥体部分冷却面积为 5.320.439=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BIIPg6Dg4508H1=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=(dS0)/(D2-D1)=(450.52)/(76-484)=0.85cm二、接管1、 CO2回收接管YB804-70 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YB804-70 Dg50无缝钢管 重4.65kg/m法兰 Pg6Dg50HG501058 重1.348kg4、 滤酒管YB804-70 Dg50不锈钢管 重7.15kg/m法兰 Pg6Dg50HG501058 重2.38kg去滤酒馆于管内高度为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JB74180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0.104、 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400轴线在总高度范围内的不垂直度15mm6、 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 3kg/cm2 夹套内 3kg/cm27、 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m384.8有效容积m370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（-4C）冷却面积31.3工作温度（C）：罐内012 罐外-44外壁保温层聚氨酯硬质泡沫材料内壁涂