啤酒发酵罐课程设计.doc

安徽工程大学 生物反应器课程设计-啤酒露天发酵罐设计姓名：张小燕班级：生工112学号：3110402212露天发酵罐设计1、啤酒发酵罐的化工设计计算、发酵罐的容积确定设计需要选用V有效=22.5m3的发酵罐则V全=V有效/=22.5m3/75%=30m3、基础参数选择1DH：选用DH=142锥角：取锥角为903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5罐体所承受的最大内压：2.5/cm 外压：0.3/cm6锥形罐材质：A3钢材外加涂料，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、D、H确定由DH=14，则锥体高度H1=D/2tan35=0.714D封头高度 H2=D/4=0.25D圆柱部分高度 H3=（40.7140.25）D=3.036D又因为V全=V封V锥V柱 = =0.187D0.131D2.386D=30m 得D=2.23m查JB1154-73椭圆形封头和尺寸取发酵罐直径D=2400mm再由V全=30m D=2.4m得径高比 DH=1:3.72由D=2400mm查表得椭圆形封头几何尺寸为：h1=600mm h0=40mm F=6.52m2 V=2.00m3筒体几何尺寸为：H=6614mm F=49.84 V=29.9m3锥体封头几何尺寸为：h0=40mm r=280mm H=1714mm F=d2/4(0.7+0.3cos)2/sin+0.64=10.64 V=d3/24(0.7+0.3cos)2/tan+0.72=3.60m 则锥形罐体总高：H=600406614401714=9008mm总体积：V全=2.0029.93.60=35.5m实际充满系数=22.5/35.5=63.3%罐内液柱高：H=22.5-3.75/(3.141.22)/4 102+(1714+40)=3413、发酵罐的强度计算罐体为内压容器的壁厚计算标准椭圆封头设计压力为1.12.5=2.75S=式中：P=2.75：A3钢工作温度下的许用力取1520. ：焊接系数，本设计采用双面对接焊作为局部无探伤0.9 壁厚附加量：C=C1C2C3查表得：C1：钢板厚度的负偏差取0.8负偏差 C2：腐蚀裕量取1.5mm C3：制造减薄量取0.6 则：S=(2.752400/215200.9-2.75)3.4=5.814mm取S0=8mm 直边高h0=40mm校核=2.75(2400+8)/48 (24008)/2900=369.12t筒体P设=1.1(P工作P静) =1.1（2.5+0.61）=3.42S=（取C1=0.6，C2=2，C3=0.6） =3.422400/(215200.93.42)3.2=6.2mm取S=7mm校核2=588.0t锥形封头1）过渡区壁厚S=P设=1.1（2.50.9）=3.74（0.9为静压）K=0.716S=0.7163.742400/(215200.90.53.74) C=2.35C=2.350.620.59=5.54mm2)锥体S=S0= =0.603.742400/(15200.90.53.74) （f查表为0.60）=3.94mmS= S0C=3.940.620.59=7.13mm取S=8mm h0=40mm校核锥体所受最大应力处：= =3.74（2400+8）/(210cos35) =687.14t锥体为外压容器的壁厚计算标准椭圆封头 设S0=5mm R内=0.9Dg=2160mm R内100S0=2160100*5=4.32查图表4-1得B=275P =BS0R内=27552160=0.640.3满足要求取C1=0.5mm，C2=2mm，C3=0.5mm则S=S0C=8mm 筒体设S0=5mmL/D=0.69D=2400/6=400查图表4-1得 B=210P =21062400=0.530.3 S0=6mm故可取C1=0.6mm，C2=2mm，C3=0.6mm则S= S0C=9.2mm 取S=10mm锥形封头因为=35所以22.5060按第四章发酵罐设计的中封头设计可知，加强圈间中锥体截面积最大直径为： 222152tan35=1551mm取加强圈中心线间锥体长度为1157.5mm设S0=5mmLD=1157.52400=0.482DS0=24005=480查表4-1得B=275P =BS0/D=2756/2400=0.690.3故取S0=6mmC1=0.6mm，C2=2mm，C3=0.6mm所以S= S0C=9.2mm取S=10综合前两步设计，取两者中较大的。由生产经验确定 标准椭圆型封头厚度为8mm h0=40mm 圆筒壁厚 10mm 标准型封头壁厚 10mm h0=40mm锥形罐的强度校核、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中之处即最危险设计压力 P=3.74液压试验 P设=1.25P=4.68查得A3钢=2400 =4.682400(10-3.2)/2(10-3.2) =828.2 0.9=0.90.92400=1944试可见符合强度要求，试压安全外压试验以内压代替外压P=1.5（SC）=1.5（1.00.3）=1.3P试=1.25P=1.63P内试故可知试压安全刚度校核本设计中允许S=224001000=4.8mm而设计时取厚度为S=10mm，故符合刚度要求2、发酵罐热工设计计算计算依据计采用A3钢作为发酵罐材料，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2.5冷媒为20%（V/V）酒精溶液，T进=-4，T出=-2，麦汁发酵温度维持12（主发酵56天，封头及筒体部分保温层厚度为200mm，锥底部分为98mm）总发酵热计算Q=qv=11922.5=2677.5hrq每立方米发酵麦汁在主发酵期间每小时放热量；v为发酵麦汁量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 =84.310.24=24.16冷却剂流量为（三段冷却）324.1610-41=7.28410-3m/s查得20%（V/V）酒精溶液t平=-3下的=976mC=1.04kcal冷却剂的冷却能力为：Q=7.2481039761.04122400 =35347.6 kcalhr8330kcalhr故可选取8号槽钢为冷却夹套。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，按目前我国生产工艺曲线看，日降温量较大的为135，为了将来工艺更改留下裕量，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求得冷却面积。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1000mm3、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1） 选用带劲视镜Pg6Dg150JB595-64-42） 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、发酵罐的计算特性和规范 1、技术特性本例按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。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。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0.10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。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15mm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/cm2设备内应涂白色7535底漆层及面漆2层设备碳钢外露表面应涂Y351-1红丹油防锈漆