啤酒露天發(fā)酵罐設計

1、生物反應器設計安徽工程大學課程設計任務書班級：生工2081學生姓名：趙興海課題名稱：生物反應器設計（啤酒露天發(fā)酵罐設計）指定參數(shù)：1 全容：40m32 容積系數(shù)：85%3 徑高比：1：34 錐角：7005 工作介質(zhì)：啤酒設計內(nèi)容：1 完成生物反應器設計說明書一份（要求用A4紙打?。?) 封面2) 設計任務書3) 生物反應器設計化工計算4) 完成生物反應器設計熱工計算5) 完成生物反應器設計數(shù)據(jù)一覽表2 完成生物反應器總裝圖一份（用CAD繪圖A4紙打印）設計主要參考書：1 生物反應器課程設計指導書2 化學工藝設計手冊3 機械設計手冊4 化工設備5 化工制圖接受學生承諾：本人承諾接受任務后，在規(guī)定

2、的時間內(nèi)，獨立完成任務書中規(guī)定任務 接受學生簽字： 生物工程教研室 2010-11-15啤酒露天發(fā)酵罐設計第一節(jié) 發(fā)酵罐的化工設計計算一、發(fā)酵罐的容積確定 在選用時V全=40m3的發(fā)酵罐則V有效=全×=40×85%= 34m3（為容積系數(shù)）二、基礎參數(shù)選擇 1D:H: 選用D:H=1:32錐角： 取錐角為7003封頭：選用標準橢圓形封頭4冷卻方式：選取槽鋼盤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：2.5/3 外壓：0.3/36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，

3、厚度2008內(nèi)壁涂料：環(huán)氧樹脂三、D、H的確定由D:H=1：3，則錐體高度H1=D/2tan350=0.714D(350為錐角的一半)封頭高度H2=D/4=0.25D圓柱部分高度H3=（3.0-0.714-0.25）D=2.04D又因為V全=V錐+V封+V柱 =×D2/4×H1+×D3+ ×D2×H3 =D3+0.43D3+D3=40 得D=2.75m 查JB-T4737-1995橢圓形封頭和尺寸取發(fā)酵直徑D=2800mm 再由V全=40m3，D=2.8m 得徑高比為： D: H=1:2.5 由D=2800mm查表得橢圓封頭幾何尺寸為：h1=7

4、00mmh0=40mm F=8.8503m2V=3.1198m3筒體幾何尺寸為：H=4312mmF=37.93m2V=26.55m3錐體的幾何尺寸為：h0=40mmr=420mmH=2173mmF=13.54m2V=13.60m2則：錐形罐總高：H=700+40+4312+40+2173=7184 總?cè)莘e：V=3.1198+26.55+13.60=43.2698 實際充滿系數(shù)：34/43.2698=79%罐內(nèi)液柱高：H丿=*103+(2173+40)=4460mm四、發(fā)酵罐的強度計算（一）罐體為內(nèi)壓容器的壁厚S計算1.標準橢圓封頭設計壓力為P=1.1*2.5=2.75kg/cm2 S0= +C

5、 式中：P=2.75 kg/cm2 ：A3鋼工作溫度下的許用力取1520 kg/cm2 ：焊接系數(shù)，本例采用雙面對接焊作為局部無探傷=0.9壁厚附加量：C=C1+C2+C3 查表得：C1：鋼板厚度的負偏差取0.8負偏差 C2：腐蝕裕量取2 C3：制造減薄量取0.6則： S=2.75*2800/(2*1520*0.9-2.75)+3.4=6.2 取S0=7mm直角邊h0=40mm校核 =(PD中/4S0)*(D中/2h1) =2.75*(2800+7)/4*7*(2800+7)/（2*900*4*8） =658.31<=t2.筒體P設=1.1*（p工作+p靜）=1.1*（2.5+0.61）

6、 =3.42kg/cm2 S=PD/(2-P)+C （C1=0.6,C2=2,C3=0.6） =(3.42*2800)/(2*1520*0.9-3.42)+3.2=6.7 mm取S=7mm校核 2=P設D中/2S=685.71<=t 3錐形封頭1）過渡區(qū)壁厚S=（K P設Dg）/(2t-0.5P)+CP設=1.1*(2.5+0.9)=3.74kg/cm2（其中0.9為靜壓）折邊錐體的系數(shù)K值K=0.75S=（K P設Dg）/(2t-0.5P)+C =(0.75*3.74*2800)/(2*1520*0.9-0.5*3.74)+C=2.87+C=2.87+0.6+2+0.369 =5.84

7、mm2）錐體S=（f* P Dg）/( t-0.5P)+CS0=（f* P設Dg）/( t-0.5P)= (0.6*3.74*2800)/(1520*0.9-0.5*3.74) (f查表為0.6)=4.60mmS=S0+C=4.60+0.6+2+0.460 =7.66mm取S=8mm h0=40mm校核錐體所受的最大壓力處=PD中/2Scos450 =3.74*2808/（2*8* cos350 ）=801.3<=t(二)、錐體為外壓容器的壁厚計算1標準橢圓封頭Ri規(guī)定：標準橢圓封頭Ri=0.9D內(nèi) S0=5mm R內(nèi)=0.9Dg=0.9*2800=2520mm R內(nèi)/100S0=252

8、0/（100*5）=5.04 查表得B=275 P=B*S0/ R內(nèi)275*5/2520=0.54kg/cm2>0.3 kg/cm2 滿足要求 取C1=0.5，C2=2，C3=0.5 則S=S0+C=82筒體 設S0=6 L/D=0.69 D=280/6=467 查表的B=210 P=210*6/2800=0.45/2>0.3/2 S0=6 故可取C1=0.6，C2=2,C3=0.6 則S=S0+C=9.2mm取S=10mm3錐形封頭 因為： =350 所以22.500<<600按第四章發(fā)酵罐設計的中封頭設計可知，加強圈間中錐體截面積最大直徑為： 2*2173/2*ta

9、n350=1522取加強圈心線間椎體長度為1086.5 設S0=6L/D=1086.5/2800=0.39D/S0=2800/6=467查表的B=320 P=BS0/D=320*6/2800=0.68>0.3/2 故取S0=6C1=0.6，C2=2，C3=0.6所以S=S0+C=9.2mm 取S=10綜合前兩步設計，取兩者中較大的有生產(chǎn)經(jīng)驗確定 標準橢圓型封頭厚度為10 h0=40 圓筒壁厚 10 錐形封頭壁厚 12 h0=40五錐形罐的強度校核1內(nèi)壓校核液壓試驗 P試=1.25P設由于液體的存在，錐體部分為罐體受壓最重之處即最危險設計壓力P設=3.74kg/cm2液壓實驗P試=1.25

10、P=4.68kg/cm2查得A3鋼=2400kg/cm2試=、 =4.68 =747cm20.9=0.9*0.9*2400=1944試可見符合強度要求，試壓安全2、外壓實驗 以內(nèi)壓代替外壓P=1.5*（0.3+1.2）=2.25kg/cm2P試=1.25P=2.8kg/cm2P內(nèi)試 故可知試壓安全3剛度校核本例中允許S=2*2800/1000=5.6mm而設計時取壁厚為S=10m，故符合剛度要求（公式：S最小=D內(nèi)）第二節(jié) 發(fā)酵罐熱工設計計算一、計算依據(jù)計采用A3鋼作發(fā)酵罐材料，用8號槽鋼做冷卻夾套，分三段冷卻，筒體兩段，錐部一段，夾套工作壓力為2.5/2冷媒為20%（V/V）酒精溶液，T進=

11、-4，T出為-2，麥汁發(fā)酵溫度維持12°主發(fā)酵5-6天，封頭及筒體部分保溫層厚度為200，錐底部分為98）二、總發(fā)酵熱計算 Q=q*v=119*34=4046/hrq每立方米發(fā)酵麥汁在主發(fā)酵期間每小時的放熱量v為發(fā)酵麥汁量三、冷卻夾套型號選擇選取8號槽鋼起截流面積為A=h b-截面積 8*4.3-10.24=24.162 冷卻劑流量為（三段冷卻） u=1m/s 3*24.164*10-4*1=7.284*10-3m3/s 查得20%（V/V）酒精溶液t平=-3下的 =976kg/m3CP=1.04kcal/kg·冷卻劑的冷卻能力為:Q=7.248*10-3*976*1.04

12、*2*2800 =41199.2 kcal/hr>4462.5kcal/hr故可選取8號槽鋼為冷卻夾套四、發(fā)酵罐冷卻面積的計算 考慮生產(chǎn)過程中，隨著技術的改進，工藝曲線可能更改，按目前我國工藝曲線看，日降溫量較大的為135，為了將來工藝更改留下余量，設計取13-5=8為設計的日降溫量，取0.6/hr為設計的小時降糖量，則由Q0=KAtm求的冷卻面積。1傳熱系數(shù)K的確定1）醪液1的計算 1=0.64*C* =0.64*185* =193.5kcal/m2·h·2)冷卻夾套的2的計算 濕潤周邊=80+（80+4*8.0）+2*（43-1）=292mm De=de=4*24

13、.16/29.2=0.033m 20%(V/V)酒精在定性溫度t=(-4-2)/2=-3下µ=5.05*10-3Pa·s=0.402kcal/hr·m·=0.468W/m·C=1.04kcal/kg·=4.358*103J/kg·=976kg/m3u=1m/sRe=du/µ=9160=104故可視為強制湍流流動得n=0.42=0.023/d(Re)0.8(Cµ/)0.4=1906.8kcal/hr·m·因為計算時冷卻盤管為直管的，先修正：=2（1+1.77d/R） =1906.8*(1

14、+12) *0.0474/1.829=642.4kcal/hr·m·3)筒體部分傳熱系數(shù)K =+帶入數(shù)據(jù)可得：=+ + =8.922*10-3所以：K=112.1kcal/·注：h為假設夾套高度（m）2.錐形罐筒體需冷卻的熱量 1）醪液放熱 Q醪=Q1+Q2Q1=30168*0.055*10-2*146.6=4851.3kcal/hr Q2=30168*0.95*0.6=17195.76kcal/hr所以 Q醪=Q1+Q2=22047.06kcal/hr 2）外界與罐體的傳熱量 A.封頭部分Q3=KF(t外平+t0附-t內(nèi)) 帶入數(shù)據(jù)得KF=2.02 Q3=KF(

15、t外平+t0附-t內(nèi)) =78.72kcal/hrB.筒體部分： 帶入數(shù)據(jù)到下式： 得：KF=13.6kcal/K Q4=1.1KF(t外平+t0附-t內(nèi)) =609.18kcal/hr3.筒體冷卻面積A初定 由Q=KAtm的 式中K為傳熱系數(shù)kcal/m2h tm=11.30CA=22734.96/（136.5*11.3）=14.7 m2 則醪液的冷卻負荷為： 14.7/30168 =0.487m3/T>0.3 m3/T故冷卻面積能夠滿足要求。5.發(fā)酵罐冷卻面積的確定1）筒體部分 由前面敘述可知，筒體部分相同的冷卻段，選用5號槽鋼筒體冷卻段面積為14.7 則槽鋼長=114.7/0.08

16、=183.75m 取相鄰兩槽鋼間距為40mm 一圈槽鋼長： l0=8.856m183.75m長的槽鋼可繞圈數(shù)183.75/8.85620圈則二段各繞10圈冷卻段高度為 10*（80+40）-40=1160mm筒體實際冷卻面積為 20*8.856*0.08=14.17m2/T2）錐底部分 錐底部分醪液量為:13.60*1.0484=14.26kg錐底部分冷卻面積為: 14.26*0.439=6.26m2則槽鋼長為:6.26/0.08=78m繞制高度為:1000mm第三節(jié) 發(fā)酵罐附件的設計及選型一.人孔選用人孔(AXB350) Dg450*6 H1=150 HG/T21616-2005材料A3鋼補

17、強圈尺寸確定如下： D內(nèi)=484mm D外=760mm 補強圈取8mmS補=0.85cm 二.視鏡選用帶頸視鏡Pg25，Dg80，H=100，HGJ502-86-6補強圈尺寸確定如下： 內(nèi)徑D1=163mm 外徑D2=300mm補強圈的厚度 S補按 S補=d*S0/(D2-D1)=150*8/(300-163)=8.8mm考慮罐體與視鏡筒節(jié)均有一定的壁厚裕量，故補強圈取8mm三.接管1.CO2回收接管YB80470 Dg40無縫鋼管 重3.6kg/m法蘭 Pg6Dg40HG501058 重 1.219kg2.溫度計取樣接管見發(fā)酵罐總裝圖3.冷卻劑進口接管YB80470 Dg50無縫鋼管 重4.

18、65kg/m法蘭 Pg6Dg50HG501058 重 1.348kg4.濾酒管YB80470 Dg50不銹鋼管 重7.15kg/m法蘭 Pg6Dg50HG501058 重 2.38kg取濾酒管于罐內(nèi)高度1.2m即1200mm5.麥汁進料及Y排放接管Dg125球閥控制酒量Dg50玻璃視鏡觀測Y排放情況Dg50接管四.支座見發(fā)酵罐總裝圖第四節(jié) 發(fā)酵罐的技術特性和規(guī)范一、技術特性1.本課程設計按JB741-80鋼制焊接壓力容器技術條件：及“SB5111”不銹鋼耐酸性鋼及碳鋼、類設備進行制作試驗。2.設備制造完畢后，設備內(nèi)壁所有內(nèi)表面焊縫須打磨平滑平緩過渡，但須保證用材料同樣厚度。3.立板焊接時應于底軸垂直，兩塊立板之間得分布誤差不大于0.104.設備安裝后軸線對基礎的不垂直度在全長上不大于10mm，設備在現(xiàn)場就位安裝。5.設備組焊后，封頭簡體錐形底的400軸線在總高度范圍內(nèi)的不垂直度15mm。6.設備應進行下列實驗：1）液壓實驗 罐 內(nèi) 3.5kgf/cm2 夾套內(nèi) 3.5kgf/cm22）氣壓實驗 罐 內(nèi) 3kgf/cm2 夾套內(nèi) 3kgf/cm27.設備內(nèi)應涂白色7435底漆層及面漆2層。8.設備碳鋼外露表面應涂Y35-1紅丹油防銹漆2層。9.設備保溫罐外噴聚氨厚度200mm。二、發(fā)酵罐規(guī)范表圓