啤酒露天发酵罐设计.doc

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除 生物反应器课程设计-啤酒露天发酵罐设计 一、啤酒发酵罐结构与动力学特征1、啤酒的概述 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。1. 发酵罐的发展史第一阶段：1900年以前，是现代发酵罐的雏形，它带有简单的温度和热交换仪器。第二阶段：1900-1940年，出现了200m3的钢制发酵罐，在面包酵母发酵罐中开始使用空气分布器，机械搅拌开始用在小型的发酵罐中。第三阶段：1940-1960年，机械搅拌，通风，无菌操作和纯种培养等一系列技术开始完善，发酵工艺过程的参数检测和控制方面已出现，耐蒸汽灭菌的在线连续测定的pH电极和溶氧电极，计算机开始进行发酵过程的控制。发酵产品的分离和纯化设备逐步实现商品化。第四阶段：1960-1979年，机械搅拌通风发酵罐的容积增大到80-150m3。由于大规模生产单细胞蛋白的需要，又出现了压力循环和压力喷射型的发酵罐，它可以克服些气体交换和热交换问题。计算机开始在发酵工业上得到广泛应用。第五阶段：1979年至今。生物工程和技术的迅猛发展，给发酵工业提出了新的课题。于是，大规模细胞培养发酵罐应运而生，胰岛素，干扰素等基因工程的产品走上商品化。2. 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。4、露天圆锥发酵罐的结构（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。（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）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。（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。1） 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：HD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；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；由于发酵时控制t3t1，形成温度差对流。 这三种推动力随罐高H增大而增大，由于传统发酵槽仅2m，而露天的圆柱锥形罐一般大于8m，所以此推动力将加速发酵，尤其在双儿酰还原阶段B、P趋于一致，但t3t1可控，又因罐高，酵母沉降慢，发酵液仍保持强对流而促进代谢发酵。第一节 发酵罐的化工设计计算一、发酵罐的容积确定由指定参数：V全= 30m3 =85%则：V有效=V全*= 25.5 m3二、基础参数选择1、D：H：由指定参数选用D：H=1：42、锥角：由指定参数取锥角为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，槽钢材质为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：2.5KG/CM3 外压：0.3KG/CM36、锥形罐材质：A3钢外加涂料，接管均用不绣钢7、保温材料：硬质聚氨酯泡沫塑料，厚度200mm8、内壁涂料：环氧树脂三、D、H的确定 由D：H=1：4，则锥体高度H1=D/2tg450=0.5D 封头高度H2=D/4=0.25D 圆柱部分高度H3=（4.0-0.5-0.25）D=3.25D又因为V全=V锥+V封+V柱 =D2/4H1+D3+ D2H3 =0.131D2+0.131D2+2.551D2=30 得D=2.31m 查JB1154-74椭圆形封头和尺寸取发酵直径D=2400mm 再由V全=30cm2，D=2.4m 得径高比为： D:H=1：3.4 由D=2400mm查表得椭圆封头几何尺寸为：h1=600mm （曲面高度）h0=40mm （直边高度）F=6.41m2 （内表面积）V=1.93m3 （容积）筒体几何尺寸为：H=6391mmF=39.82m2V=23.86m3锥体的几何尺寸为：h0=40mmr=360mmH=1200mmF=3.705m2V=2.80m2则：锥形罐总高：H=600+40+6391+40+1200=8271mm 总容积：V=1.93+23.86+2.80=28.59m3 实际充满系数：25.5/28.59=89.2%罐内液柱高：H丿= （25.5-2.80）*4*102/2.42+（1200+40）=1742mm四、发酵罐的强度计算（一） 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=2.75KG/cm2S= 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;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0.6 则； S=2.75*2400/(2*1520*0.9-2.75)+3.4=5.8 取S0=6mm 直角边h0=25mm 校核 =(PD中/4S)*(D中/2h) =2.75*(2400+6)/（4*6）*(2400+6)/（2*600）=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/(-P)+C（C2=0.6,C2=2,C3=0.6） =(3.42*2400)/(2*1520*0.9-3.42)+3.4=6.4mm 取S=8mm校核 =PD中/2S=588=t3.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）K=0.75S=（K P设Dg）/(2t-0.5P)+C =(0.75*3.74*2400)/(2*1520*0.9-0.5*3.74)+C=2.46+C=2.46+0.6+0.246=5.31mm2）锥体S=（f* P设Dg）/( t-0.5P)+CS0=（f* P设Dg）/( t-0.5P)=(0.60*3.74*2400)/(1520*0.9-0.5*3.74)(f查表为0.60) 依据化工设备机械基础 =3.94S=S0+C=3.94+0.6+2+0.394=6.937取S=8mm h0=25mm校核锥体所受的最大压力处=PD中/2Scos450 =3.74*（2400+8）/2*10* cos450 =636.810.3 kg/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=2400/6=400查表4-1及B=200【P】=200*6/2400=0.5 kg/ S0=6mm故可取C1=0.6mm,C2=2mm,C3=0.6mm则S=S0+C=9.2mm，取S=10mm3.锥形封头因为：=45 所以22.5060按第四章发酵罐设计中的封头设计可知，加强圈间中椎体截面积最大直径为：2*1200/2*tan45=1200mm取加强圈中心线间椎体长度为1370mm 设S0=6mm L/D=1370/2400=0.57 D/ S0=2400/6=400查图表4-1可知及B=250 【P】=BS0/D=250*6/2400=0. 6250.3 kg/故取S0=6mm C1=0.6mm，C2=2mm，C3=0.6mm所以S=S0+C=9.2mm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=25mm圆筒壁厚 10mm标准形封头壁厚 12mm h0=25mm五、锥形罐的强度校核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/cm2试= =4.68 （2400+12-3.2）/2*(12-3.2) =563.6kg/cm20.9=0.9*0.9*2400=1944kg/cm2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*2400/1000=4.8mm而设计时取壁厚为S=10mm，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，筒体二段，锥部一段，夹套工作压力为2.5kgcm2冷媒为20%（vv）酒精溶液，T进=-4，T出为-2，麦汁发酵温度维持12o（主发酵5-6天，封头及筒体部分保温层厚度为200mm，锥底部分为98mm）二、总发酵热计算Q=q*v=119*25.5=3034.5kg/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=hb-截面积 =8*4.3-10.24=24.16cm2 冷却剂流量为（三段冷却） 3*24.16*10-4*1=7.284*10-3m3/s查得20%（vv）酒精溶液t平=-3下的 =976kg/m3C=1.04kcal/kgoC冷却剂的冷却能力为： Q=7.2481039761.04122400 =35347.6kcal/hr8330kcal/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Q6=KAtm求得冷却面积。3. 传热系数K的确定1） 醪液1的计算t1+t2 246810C25150170185204 1=0.64C =0.64185 =198.9kcal/hC2）冷却夹套的2的计算 润湿周边=80（8048.0）2（431）=276de= =204mm=20.4de=4.74=0.0474m20%（V/V）酒精在定性温度t=（42）2=3下=5.05CP=5.0510Pas=0.402kcal/hrm=0.468W/Cp=1.041kcal/=4.35810J/=976=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(Cp/)0.4=1348.4kcal/hrm因为计算时冷却盘管为直管，先修正：=（11.77d/R）=1348.4(11.770.0474/1.829)=1410.3kcal/hrm3)筒体部分传热系数K 代入数据可得：A1-筒体内层传热面面积12.3062A2-筒体平均传热面积12.3562A3-筒体外壁平均传热面积12.304Rs1-啤酒液污垢系数0.000675h/kcal Rs2-冷却剂污垢系数0.000307h/kcal 1-发酵液传热系数192.5kcal/ h 2-夹套冷却剂的传热系数206.4kcal/ h -筒体材料导热系数4.562kcal/h b-筒体壁厚0.01m =7.058103所以：K=141.7kcal/注：h为假设夹套高度（m）锥形罐筒体需冷却的热量1）醪液放热 Q醪=Q1Q2 Q1=347650.055146.6=2803.1kcal/hr Q2=347650.95190.6=19855.68kcal/hr 所以 Q醪=Q1Q2=22658.78kcal/hr2）外界与罐体的传热量 a.封头部分Q1=KF（t外平t0附t内） 代入数据得 KF=2.02（10%1）（328.55） =78.88kcal/hr b.筒体部分： 代入数据：得：KF=15.67kcal/KQ2=KF（t外平t0附t内） =1.115.67(32+8.55) =611.91kcal/hr筒体冷却面积A初定Q=KAtmA=22958.78/（141.711.3）=14.34则醪液的冷却负荷为： 14.34/34765=0.413/T0.3m/T故冷却面积能够满足要求。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14.34则槽钢长=14.34/0.08=179m取相邻两槽钢间距为80mm一圈槽钢长： l0=(3.142.4)0.12=7.54m179长的槽钢课绕圈数179/7.5424圈则二段各绕12圈冷却高度为12（8040）40=1400mm筒体实际冷却面积为2411.5670.08=22.2/T2）锥底部分锥体部分醪液量为10.2131.0484=10.70kg锥体部分冷却面积为10.700.439=4.70/T则槽钢长为4.70/0.08=58.76m绕制高度为1000mm第三节 发酵罐附件的设计及选型入孔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视镜2、 选用带劲视镜Pg6Dg150JB595-64-43、 补强圈尺寸确定如下：内径D1=163mm 外径=300mm补强圈的厚度S补按S被=d*S0/D2-D1=150*8/300-163=8.8mm考虑罐体与视镜筒节约有一定的壁厚余量，故补强圈取8mm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