啤酒發(fā)酵罐的設(shè)計(jì)畢業(yè)論文.doc

啤酒發(fā)酵罐的設(shè)計(jì)畢業(yè)論文 目 錄第一章 啤酒發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)與動(dòng)力學(xué)特征2一、概述2二、啤酒發(fā)酵罐的特點(diǎn)2三、露天圓錐發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)3 3.1罐體部分3 3.2溫度控制部分4 3.3操作附件部分4 3.4儀器與儀表部分4四、發(fā)酵罐發(fā)酵的動(dòng)力學(xué)特征5第二章 發(fā)酵罐的化工設(shè)計(jì)計(jì)算6一 、發(fā)酵罐的容積確定6二、 基礎(chǔ)參數(shù)選擇6三、 D、H的確定6四、發(fā)酵罐的強(qiáng)度計(jì)算8 4.1 罐體為內(nèi)壓容器的壁厚計(jì)算8五、錐體為外壓容器的壁厚計(jì)算11六、錐形罐的強(qiáng)度校核13 6.1內(nèi)壓校核13 6.2外壓實(shí)驗(yàn)14 6.3剛度校核14第三章 發(fā)酵罐熱工設(shè)計(jì)計(jì)算15一、計(jì)算依據(jù)15二、總發(fā)酵熱計(jì)算15第四章 發(fā)酵罐附件的設(shè)計(jì)及選型20一、人孔20二、接管20三、支座21第五章 發(fā)酵罐的技術(shù)特性和規(guī)范22一、技術(shù)特性22二、發(fā)酵罐規(guī)范表23參考文獻(xiàn)25發(fā)酵罐設(shè)計(jì)實(shí)例第一章 啤酒發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)與動(dòng)力學(xué)特征一、概述 啤酒是以大麥喝水為主要原料,大米、酒花和其他谷物為輔料經(jīng)制麥、糖化、發(fā)酵釀制而成的一種含有二氧化碳、酒精和多種營(yíng)養(yǎng)成分的飲料酒。我國(guó)是世界上用谷物原料釀酒歷史最悠久的國(guó)家之一,但我國(guó)的啤酒工業(yè)迄今只有100余年的歷史。改革開(kāi)放以來(lái),我國(guó)啤酒工業(yè)得到了很大的發(fā)展,生產(chǎn)大幅度增長(zhǎng),發(fā)展到現(xiàn)在距世界第二位。由于啤酒工業(yè)的飛速發(fā)展,陳舊的技術(shù),設(shè)備將受到嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。為了擴(kuò)大生產(chǎn),減少投資保證質(zhì)量,滿足消費(fèi)等各方面的需要,國(guó)際上啤酒發(fā)酵技術(shù)子啊原有傳統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)上有很大進(jìn)展。尤其是采用設(shè)計(jì)多種形式的大容量發(fā)酵和儲(chǔ)酒容器。這些大容器,不依靠室溫調(diào)節(jié)溫度,而是通過(guò)自身冷卻來(lái)控制溫度,具有較完善的自控設(shè)施,可以做到產(chǎn)品的均一性,從而降低勞動(dòng)強(qiáng)度,提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。就發(fā)酵罐的外形來(lái)分,主要有圓柱錐形底罐、圓柱蝶形罐、圓柱加斜底的朝日罐和球形罐等。二、啤酒發(fā)酵罐的特點(diǎn)1、單位占地面積的啤酒產(chǎn)量大;而且可以節(jié)約土建費(fèi)用;2、可以方便地排放酵母及其他沉淀物(相對(duì)朝日罐、通用罐、貯就罐而言);3、發(fā)酵溫度控制方便、有效,麥汁發(fā)酵時(shí)對(duì)流好,發(fā)酵速度快,可以縮短發(fā)酵周期(相對(duì)臥式罐、發(fā)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穩(wěn)定性與非生物穩(wěn)定性(相對(duì)開(kāi)口容器而言);5、可以一關(guān)多用,生產(chǎn)工藝比較靈活;簡(jiǎn)化生產(chǎn)過(guò)程與操作,而且酒損也現(xiàn)對(duì)減少;6、制作相應(yīng)要比其他發(fā)酵罐簡(jiǎn)單;7、便于自動(dòng)控制,如自動(dòng)清洗和自動(dòng)滅菌,節(jié)省人力與洗滌費(fèi)用,衛(wèi)生條件好。三、露天圓錐發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)3.1罐體部分露天圓錐發(fā)酵罐的罐體有灌頂、圓柱體與錐底3部分組成,其中:灌頂:為圓拱形,中央開(kāi)孔用于可拆卸大直徑法蘭,以安裝CO2與CIP管道及其連接件,灌頂還裝有真空閥,安全閥與壓力傳感器。圓柱體:為發(fā)酵罐主體,發(fā)酵罐的高度主要決定于圓柱體的直徑與徑高比,由于大直徑的光耐壓低,考慮到使用鋼板的厚度,一般直徑S1,使發(fā)酵速度 3區(qū)1區(qū);導(dǎo)致B3P1而形成壓力差推動(dòng)發(fā)酵液對(duì)流;3、由于發(fā)酵時(shí)控制t3t1,形成溫度差對(duì)流。 第二章 發(fā)酵罐的化工設(shè)計(jì)計(jì)算一 、發(fā)酵罐的容積確定實(shí)際需要選用V有效60m3的發(fā)酵罐 則V全V有效/60/85%71 m3二、 基礎(chǔ)參數(shù)選擇1. D:H 選用D:H1:32.錐角:取錐角為703.封頭:選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭4.冷卻方式:選取槽鋼盤(pán)繞罐體的三段間接冷卻(罐體兩段,錐體一段,槽鋼材料為A3鋼,冷卻介質(zhì)采用20%、-4的酒精溶液)5.罐體所承受最大內(nèi)壓:2.5?/cm3外壓:0.3?/cm36.錐形罐材質(zhì):A3鋼外加涂料,接管均用不銹鋼7.保溫材料:硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料,厚度200?8.內(nèi)壁涂料:環(huán)氧樹(shù)脂三、 D、H的確定由D:H1:3 ,則錐體高度H1D/2tg350.714D封頭高度H2D/40.25D圓柱部分高度H3(3.0-0.714-0.25)D2.04D又因?yàn)閂全V錐+V封+V柱H1+D3+D2H30.187D3+0.13D3+1.60D371得D3.33m查JB1154-74橢圓形封頭和尺寸取發(fā)酵直徑D3400mm再由V全71 cm3 ,D3.4m得徑高比為D:H1:2.8由D3400mm查表得橢圓形封頭幾何尺寸為:h1850mmh050mmF13.0m2V5.6m3筒體幾何尺寸為:H5940mmF63.44 m2V56.22m3錐體封頭幾何尺寸為:H050mmr510mH3115mmFd2/4-+0.647.75 m2Vd3/24(0.7+0.3COSa)2/tga+0.724.91 m3則:錐形罐總高:H850+50+5940+50+311510005mm總?cè)莘e:V5.6+56.22+4.9166.73m3實(shí)際充滿系數(shù):60/66.7389.91%罐內(nèi)液柱高:H,+(3115+50)3203mm四、發(fā)酵罐的強(qiáng)度計(jì)算4.1 罐體為內(nèi)壓容器的壁厚計(jì)算1. 標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭設(shè)計(jì)壓力為:1.1*2.52.75?/cm2S式中:P2.75?/cm2:A3鋼工作溫度下的許用力取1520?/cm2:焊接系數(shù),本例采用雙面對(duì)接焊作為局部無(wú)探傷0.9壁厚附加量:CC1+C2+C3查表得:C1:鋼板厚度的負(fù)偏差取0.8mm負(fù)偏差C2:腐蝕裕量取2mmC3:制造減薄量取0.6mm則: 取 S07mm直邊高:h040mm校核633.5t2. 筒體 P設(shè)1.1(P工作+P靜) 1.1*(2.5+0.61)3.42?/cm2S(取C20.6,C22,C30.6)取S8mm校核 2t3. 錐形封頭1 過(guò)渡區(qū)壁厚S P設(shè)1.1*(2.5+0.9)3.745?/cm2(0.9為靜壓)K0.75S 3.49+C3.49+0.6+2+0.3696.46mm 2 錐體S+CS0(查表為0.60)SS0+C5.6+0.6+2+0.598.57取S10mmh040mm校核錐體所受最大應(yīng)力處: 778.5t824.1t 五、錐體為外壓容器的壁厚計(jì)算1.標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭設(shè)S05mmR內(nèi)0.9Dg3240mmR內(nèi)/100S3240/100*56.48查圖表4-1及B275 PB*S0/R內(nèi)275*5/32400.43kg/cm20.3kg/cm2 滿足要求 取C10.5mm,C22mm,C30.5mm 則SS0+C8mm2.筒體 設(shè)S06mm L/D0.69 D3400/6567查圖表4-1及B210P210*6/34000.357kg/cm20.3kg S06mm 故可取C10.6mm,C22mm,C30.6mm 則SS0+C9.2mm或10mm3.錐形封頭因?yàn)?35所以 22.5060按第四章發(fā)酵罐設(shè)計(jì)的中封頭可知,加強(qiáng)圈間中錐體截面積最大直徑為: 2 * 2740/2 *tg351918.6mm取加強(qiáng)圈中心線間錐體長(zhǎng)度為1370mm 設(shè)S06mm L/D1370/34000.4 D/S03400/6567查圖表4-1及B320PBS0/D320*6/34000.560.3kg/cm2故取S06mm C10.6mm,C22mm,C30.6mm所以 SS0+C6+3.29.2取S10mm綜合前兩步設(shè)計(jì),取兩者中較大的有生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)確定 標(biāo)準(zhǔn)橢圓型封頭厚度為 10mm h040mm 圓筒壁厚 10mm 標(biāo)準(zhǔn)形封頭壁厚 12mm h040mm六、錐形罐的強(qiáng)度校核6.1內(nèi)壓校核液壓試驗(yàn) P試125P設(shè)由于液體的存在,錐體部分為罐體受壓最重之處即最危險(xiǎn)設(shè)計(jì)壓力 P3.74kg/cm2液壓實(shí)驗(yàn) P試1.25P4.68kg/cm2 查得A3鋼2400kg/cm3試P試Dg+(S-C)/2S-C 4.68*3400+12-3.2/2*12-3.2 906.4kg/cm20.90.9*0.9*24001944kg/cm2試可見(jiàn)符合強(qiáng)度要求,試壓安全6.2外壓實(shí)驗(yàn)以?xún)?nèi)壓代替外壓P1.5*0.3+1.22.25kg/cm2P試1.25P2.8kg/cm2P內(nèi)試故可知試壓安全6.3剛度校核本例中允許 S2*3400/10006.8mm而設(shè)計(jì)時(shí)取壁厚為S10mm,故符合剛度要求(公式:S最小2D內(nèi)/1000)第三章 發(fā)酵罐熱工設(shè)計(jì)計(jì)算一、計(jì)算依據(jù)計(jì)采用A3剛作發(fā)酵罐材料,用8號(hào)槽鋼做冷卻夾套,分三段冷卻,筒體二段,椎部一段,夾套工作壓力為2.5kg/cm2冷媒為20%(V/V)酒精溶液,T進(jìn)-4,T出為-2,麥汁發(fā)酵溫度維持12(主要發(fā)酵5-6天,封頭及筒體部分保溫層厚度為200mm,椎底部分為98mm)二、總發(fā)酵熱計(jì)算*v119*708330kg/hrq為每立方米發(fā)酵麥汁在主發(fā)酵期間每小時(shí)的放熱量;v為發(fā)酵麥汁量1、冷卻夾套型號(hào)選擇選取8號(hào)槽鋼起截流面積為Ahb-截面積8*4.3-10.2424.16cm2冷卻劑流量為(三段冷卻)3*24.16*10-4*17.284*10-3m3/s查得20%(V/V)酒精溶液t平-3下的976kg/m3 C1.04kcal/kg? 冷卻劑的冷卻能力為: Q7.248*103*976*1.041*2*340049131.3kcal/hr 故可選取8號(hào)鋼槽為冷卻夾套。2、發(fā)酵罐冷卻面積的計(jì)算考慮生產(chǎn)過(guò)程中,隨著技術(shù)的改進(jìn),工藝曲線可能更改,按目前我國(guó)工藝曲線看,日降溫量較大的為13到5,為了將來(lái)工藝更改留下余量,設(shè)計(jì)取13-58為設(shè)計(jì)的日降溫量,取0.6/hr為設(shè)計(jì)的小時(shí)降溫量,則由QKAtm求得冷卻面積。2.1傳熱系數(shù)K的確定2.1.1醪液1的計(jì)算 10.64*C* 0.64*185* 185.3kcal/m2?h?2.1.2冷卻夾套的2的計(jì)算濕潤(rùn)周邊80+(80+4*8.0)+2*(43-1) de(4*流體流動(dòng)截面面積)/濕潤(rùn)周邊 204mm20.4cm de4*24.16/20.44.74cm0.0474m20%(V/V)酒精在定性溫度t(-4-2)/2-3下 5.05CP5.05*103Pa?s 0.402kcal/hr?m?0.468W/m? Cp1.041kcal/kg?4.358*103J/kg 976kg/m2 1m/s Redu/9160104故可視為強(qiáng)制湍流流動(dòng)得n0.420.023/d(Re)0.8(Cp/)0.41348.4kcal/hr?m?因?yàn)橛?jì)算時(shí)冷卻盤(pán)管為直管的,先修正:、(1+1.77d/R) 1348.4*(1+12)*0.0474/1.829 1410.3kcal/hr?m?筒體部分傳熱系數(shù)K1/KA21/1A1+Rs1/A1+b/A2+1/2A3+Rs2/A3代入數(shù)據(jù)可得:1/K7.325*10-3所以:K136.5kcal/m2?注:h為假設(shè)夾套高度(m)3、錐形罐筒體需冷卻的熱量1)醪液放熱Q醪Q1 + Q2 Q1 621100.055146.6 4552.7kcal / hr Q2 621100.95190.6 35473kcal / hr 所以,Q 醪Q1+Q2 40026kcal / hr2)外界與罐體的傳熱量 a封頭部分Q1 KFt外平+t0附-t內(nèi))帶入數(shù)據(jù)得KF0L.2Q1 KFt外平+t0附-t內(nèi)) 2.02(10%+1)(32+8.5-5) 78.72kcal / hr b筒體部分: 帶入數(shù)據(jù):1/KF1/A1 + 1/1A2 +2/2A2+3/2A4+1/A5 得: KF 15.67kcal/K?C Q2KFt外平+t0附-t內(nèi)) 1.115.6(32+8.5-5) 6119kcal/hr4、筒體冷卻面積A初定QKAtm A40716.8/136.511.326.4m2則醪液的冷卻負(fù)荷為:26.4/621100.425m2/T0.3m3/T 故冷卻面積能夠滿足要求。5、發(fā)酵罐冷卻面積的確定筒體部分由前面敘述可知,筒體部分相同的冷卻段,選用8#槽鋼筒體冷卻段面積為26.4m2,則槽鋼長(zhǎng)26.4/0.08330取相鄰兩槽鋼間距為40mm 一圈槽鋼長(zhǎng): l03.143.622+0.1221/2 11.367m 330m長(zhǎng)的槽鋼可繞圈數(shù)330/11.367 30圈則二段各繞15圈冷卻段高度為: 15(80+40)-401760mm筒體時(shí)機(jī)冷卻面積為: 3011.3670.081.439m2/T錐底部分 錐體部分醪液量為4.911.04845.32 錐體部分冷卻面積為 5.320.4392.33m2 則槽鋼長(zhǎng)為2.33/0.0829.1m 繞制高度為1000mm第四章 發(fā)酵罐附件的設(shè)計(jì)及選型一、入孔 1、選用入孔BIIPg6Dg4508H1220JB-64-28材料A3鋼 2、補(bǔ)強(qiáng)圈尺寸確定如下 D內(nèi)484mm D外760mm 補(bǔ)強(qiáng)圈的厚度S補(bǔ) 按下式計(jì)算,考慮罐體與入孔節(jié)均有一定的壁厚裕量,故 補(bǔ)強(qiáng)圈取8mm S補(bǔ)dS0/D2-D1450.52/76-4840.85cm二、接管CO2回收接管YB804-70Dg40無(wú)縫鋼管 重3.6kg/m法蘭Pg6Dg40HG5010?58重1.219kg溫度計(jì)取樣接管 見(jiàn)發(fā)酵罐總裝圖冷卻劑進(jìn)口接管YB804-70Dg50無(wú)縫鋼管 重4.65kg/m法蘭Pg6Dg50HG5010?58 重1.348kg濾酒管YB804-70 Dg50不銹鋼管重7.15kg/m法蘭 Pg6Dg50HG5010?58重2.38kg去濾酒館于管內(nèi)高度為1.2m即1200mm麥汁進(jìn)料及Y排放接管Dg125球閥控制酒量Dg50玻璃視鏡觀測(cè)Y排放情況Dg50接管三、支座 見(jiàn)發(fā)酵罐總裝圖 第五章 發(fā)酵罐的技術(shù)特性和規(guī)范一、技術(shù)特性本例按JB741?80鋼制焊接壓力容器技術(shù)條件:及“SB5111”不銹鋼耐酸性鋼及碳鋼、II類(lèi)設(shè)備進(jìn)行制造試驗(yàn)。設(shè)備制造完畢后,設(shè)備內(nèi)壁所有內(nèi)表面焊縫須打磨光滑平緩過(guò)渡,但須保證用材料同樣厚度。立板焊接時(shí)應(yīng)與底軸垂直,兩塊立板之間得分布誤差不大于0.10設(shè)備安裝后軸線對(duì)基礎(chǔ)的不垂直度在全場(chǎng)上不大于10mm,設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)就位安裝。設(shè)備組焊后,封頭筒體錐形底的400軸線在總高度范圍內(nèi)的不垂直度15mm設(shè)備應(yīng)進(jìn)行下列實(shí)驗(yàn):液壓實(shí)驗(yàn)罐 內(nèi) 3.5kgf/cm2 夾套內(nèi)3.