生物反应器设计 Microsoft Word 文档

1、生物反应器课程之啤酒罐设计任务书啤酒罐设计任务书班级：xxx学生姓名：xxx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：202 容积系数：75%3 径高比：1:24 锥角：9005 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：本人承诺接受任务后，在规定的

2、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=20m3的发酵罐则V有效=全×=20×75%=15m3（为容积系数）二、基础参数选择 1D:H: 选用D:H=1:22锥角： 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，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

3、：环氧树脂三、D、H的确定由D:H=1：2，则锥体高度H1=D/2tan450=D/2(450为锥角的一半)封头高度H2=D/4=0.25D圆柱部分高度H3=（2.0-1/2-0.25）D=1.25D又因为： V全=V锥+V封+V柱 所以得到：20=×D2/4×H1+×D3+ ×D2×H3 20=D3+D3+D3 20=1.243 D3 得： D=2.525m 查JB-T4746-2002椭圆形封头和尺寸取发酵直径D=2600mm 再由V全=20m3，D=2.6m 得径高比为： D:H=1:1.94由D=2600mm查表得椭圆封头几何尺寸为：h

4、1=650mmh0=40mm F=7.63m2V=2.51m3筒体几何尺寸为：H=3094F=25.28m2V=16.43m3锥体的几何尺寸为：h0=40mmr=390mmH=1502mmF=9.648m2V=3.57m2则：锥形罐总高：H=650+40+3094+40+1502=5326mm 总容积： V=2.51+16.43+3.57=22.51m3 实际充满系数：15/22.51=66.7%罐内液柱高：H丿=*102+(1502+40)=1654.39mm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(1.1为最大压

5、力的倍数，在取值1.05-1.1以内)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钢板厚度2.02.22.52.8-3.03.2-3.53.8-4.04.5-5.56.0-7.08.0-25负偏差C10.180.18 0.20.220.250.30.50.60.8 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*2600/(2*1520*0.9-2.75)+3.4=7150/2733+3.4=6

6、.02 取S0=7mm直角边h0=40mm校核 =(PD中/4S0)*(D中/2h1) =2.75*(2600+7)/4*7*(2600+7)/（2*650） =513<=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*2600)/(2*1520*0.9-3.42)+3.2=8892/2732.58+3.2=6.45mm取S=7mm校核 2=P设D中/2S=512.2<=t3锥形封头1）过渡区壁厚S=（K P设Dg）/(2t-0.5P)+CP设=1.

7、1*(2.5+0.9)=3.74kg/cm2（其中0.9为静压）折边锥体的系数K值r/Di0.10.150.20.30.40.51000.66440.61110.57890.54030.51680.5002000.69580.63570.59860.55220.52230.5003000.75440.68190.63570.57490.53290.5003500.79800.71610.66290.59140.54070.5004000.85470.76040.69810.61270.55060.5004500.92530.81810.74400.64020.56350.5005001.027

8、00.89440.80450.67450.58040.5005501.16080.94800.88590.72490.60280.5006001.35001.14331.00000.79230.63370.500r为锥形半径375mm，Di=D内+2r（1-cos） =450可得r/ Di=375/2725=0.14K=0.8181S=（K P设Dg）/(2t-0.5P)+C =(0.8181*3.74*2600)/(2*1520*0.9-0.5*3.74)+C=7955.2/2734.13+C=5.8mm2）锥体S=（f* PDg）/( t-0.5P)+CS0=（f* P设Dg）/( t-0

9、.5P)=(1.4*3.74*2600)/(1520*0.9-0.5*3.74) (f=1/cos=1/0.7=1.4)=6.4mmS=S0+C=6.4+0.6+2+0.64=9.64mm取S=10mm h0=40mm校核锥体所受的最大压力处=PD中/2scos450 =3.74*2614/2*10* cos450 =697.2<=t(二)、锥体为外压容器的壁厚计算1标准椭圆封头Ri规定：标准椭圆封头Ri=0.9D内 S0=6mm R内=0.9Dg=0.9*2600=2340mm R内/100S0=2340/100*6=4.68由上图知B=160P=B*S0/ R内=160*6/2340

10、=0.41kg/cm2>0.3 kg/cm2 满足要求 取C1=0.8，C2=2，C3=0.8 则S=S0+C=9.62筒体 设S0=6 L/D=0.69 D=2600/6=433.33 由上表知：B=195 P=195*6/2600=0.45/2>0.3/2 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： =450 所以22.500<<600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： 2*1502/2*tan450=1502取加强圈心线间椎体长度为751 设S0=6L/D=75

11、1/2600=0.29D/S0=2600/6查上图知B=208 P=BS0/D=208*6/2600=0.48>0.3/2 故取S0=6C1=0.6，C2=2，C3=0.6所以S=S0+C=9.2mm 取S=12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 14 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 =693.7

12、kg/cm20.9=0.9*0.9*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*2600/1000=5.2mm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

13、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*15=1785/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 =8.0*4.3-10.24=24.162 冷却剂流量为（三段冷却） u=1m/s 3*15.054*10-4*1=4.52*10-3m3/s 查得20%（V/V）酒精溶液t平=-3下的 =976kg/m3C=1.04kcal/kg·冷却剂的冷却能力为:Q=7.248*10-3*976*1.04*2*2600 =38293kcal/hr>8330kcal/hr故可选

14、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Q0=KAtm求的冷却面积。1传热系数K的确定1）醪液1的计算t1+t2246810C25150170185204 1=0.64*C* =0.64*185* =199.12kcal/m2·h·2)冷却夹套的2的计算 湿润周边=80+（80+4*8.0）+2*（43-1）=276mm de=de=4*24.16/20.4=0.0474m

15、20%(V/V)酒精在定性温度t=(-4-2)/2=-3下µ=5.05*103Pa·s=0.402kcal/hrm=0.468W/m·C=1.04kcal/kg·=4.358*103J/kg·=976kg/m3u=1m/sRe=du/µ=9750=104故可视为强制湍流流动得n=0.42=0.023/d(Re)0.8(Cpµ/)0.4=0.23*0.402/3*(9750)0.8*(1.04*5.05/3)0.4=1547kcal/hr·m·因为计算时冷却盘管为直管的，先修正：=2（1+1.77d/R）

16、=1547*(1+1.77*2.5/19.3)=1901.7kcal/hr·m·3)筒体部分传热系数K =+A1-筒体内层传热面面积14.426m2A2-筒体平均传热面积14.564m2A3-筒体外壁平均传热面积14.562m2Rs1-啤酒液污垢系数0.000675m2h/kcalRs2-冷却剂污垢系数0.000307m2h/kcal 1-发酵液传热系数192.5kcal/ m2h2-夹套冷却剂的传热系数206.4kcal/ m2h-筒体材料导热系数4.562kcal/m2hb-筒体壁厚0.01m带入数据可得：=+ + =14.36*10-3所以：K=69.6kcal/&#

17、183;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：16489kg q-1kg麦芽糖发酵时放出的热量：146.6kcal/kg V1 降糖速度0.052Bx/hQ1=16489*0.055*10-2*146.6=1329.5kcal/hr 降温放热Q2=NV2 -醪液传热系数0.95kcal/kg V2 降温速录0.6/hvQ2=16489*0.95*0.6=9398.7kcal/hr所以 Q醪=Q1+Q2=10728.2kcal/hr 2）外界与罐体的传热量 A.封头部分Q3=KF(t外平+t0附-

18、t内) t外平 室外空气的平均温度28 t0附 -太阳辐射传热和热传导的附加温度7 t内 罐体内最低温度4 =+ K-总传热系数kcal/m2h F-传热计算面积m2 -空气对维护结构外表面给热系数1.3kcal/m2h A1-外表面积78.m52A2- 保护层计算面积78.4m2A3-保温层材料计算面积145.2m2A4-筒壁计算面积72.5m2A5-筒内壁计算面积72.3m21保温层的网纹板厚度0.007m2保温层厚度0.008m3 筒壁厚0.01m 1保温层材料导热系数10.4kcal/m2h 2保温层导热系数0.043kcal/m2h3 筒体材料导热系数192.4kcal/m2h0筒体

19、内表面液体对室外空气给热系数165.8kcal/m2h 代入数据得KF=1.85 Q3=KF(t外平+t0附-t内) =1.85*（10%+1）*（28+7-4） =63.1kcal/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) =1.1*13.6*31 =463.8kcal/hr3总冷却量的确定 Q=Q1+Q2+Q3+Q4=11255.1kcal/hr4.筒体冷却面积A初定 由Q=KAtm的 式中K为传热系数49.28kcal/m2htm= tm-对数温度差t1-啤酒与冷媒进口温度差12-(-4)=16 t2-啤酒与冷媒出口温

20、度差12-(-2)=14知tm=(16-14)/ln16/14=2/0.134=14.9 Q=KAtm可得A=Q/Ktm A=11255.1/49.28*14.9=15.32m2则醪液的冷却负荷为： 15.32/11255.1=1.30m3/T>0.3 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8号槽钢筒体冷却段面积为15.32 则槽钢长=15.32/0.08=191.5m 取相邻两槽钢间距为30mm 一圈槽钢长： l0=8.2m191.5m长的槽钢可绕圈数191.5/8.224圈则二段各绕12圈冷却段高度为 12*（

21、80+30）-40=1280mm筒体实际冷却面积为 24*8.2*0.08=15.75m2/T2）锥体部分 锥体部分醪液量为:2.13*1.0484=2.23kg锥体部分冷却面积为: 2.23*0.439=0.980m2则槽钢长为:0.980/0.08=12.25m绕制高度为:200mm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 补强圈的厚度S补 按下式计算，考虑罐体与人孔筒节均有一定的壁厚裕量，故补强圈取6mmS补=0.85cm二.视镜选用带颈视镜

22、Pg6Dg150JB595644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)=80*6/(200-130)=6.9mm考虑罐体与视镜筒节均有一定的壁厚裕量，故补强圈取6mm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