啤酒露天發(fā)酵罐設(shè)計

1、安徽工程大學機電學院生物反應器設(shè)計（啤酒露天發(fā)酵罐設(shè)計）學院：安陽工學院姓名：葉富本班級：08生工學號：200806030003時間：2011年5月28日第一章 啤酒發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)與動力學特征一、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、酒精和多種營養(yǎng)成分的飲料酒。我國是世界上用谷物原料釀酒歷史最悠久的國家之一，但我國的啤酒工業(yè)迄今只有100余年的歷史。改革開放以來，我國啤酒工業(yè)得到了很大的發(fā)展，生產(chǎn)大幅度增長，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)備將受到嚴重的挑戰(zhàn)。為了擴大生產(chǎn)，減少投資保證質(zhì)量，滿足消費等各方面

2、的需要，國際上啤酒發(fā)酵技術(shù)子啊原有傳統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)上有很大進展。尤其是采用設(shè)計多種形式的大容量發(fā)酵和儲酒容器。這些大容器，不依靠室溫調(diào)節(jié)溫度，而是通過自身冷卻來控制溫度，具有較完善的自控設(shè)施，可以做到產(chǎn)品的均一性，從而降低勞動強度，提高勞動生產(chǎn)率。就發(fā)酵罐的外形來分，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1、單位占地面積的啤酒產(chǎn)量大；而且可以節(jié)約土建費用；2、可以方便地排放酵母及其他沉淀物（相對朝日罐、通用罐、貯就罐而言）；3、發(fā)酵溫度控制方便、有效，麥汁發(fā)酵時對流好，發(fā)酵速度快，可以縮短發(fā)酵周期（相對臥式罐、發(fā)酵槽而言）；4、可以回收利用二氧化碳，并

3、可有利于啤酒的口味穩(wěn)定性與非生物穩(wěn)定性（相對開口容器而言）；5、可以一關(guān)多用，生產(chǎn)工藝比較靈活；簡化生產(chǎn)過程與操作，而且酒損也現(xiàn)對減少；6、制作相應要比其他發(fā)酵罐簡單；7、便于自動控制，如自動清洗和自動滅菌，節(jié)省人力與洗滌費用，衛(wèi)生條件好。三、露天圓錐發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)（一）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6.0m。圓錐底：它的夾角

4、多為6090°，也有90120°，但這多用于大直徑的罐及大容量的罐；如夾角過小會使椎體部分很高。露天圓錐發(fā)酵罐圓錐底的高度與夾角有關(guān)，大致占總高的1/41/3。圓錐底的外壁一般安裝冷卻夾套、閥門與視鏡、取樣管閥、測溫、測壓的傳感元件或溫度計，CO2洗滌裝置等。（二）溫度控制部分發(fā)酵罐的溫度控制部分主要由冷卻層、保溫層、測溫元器件、溫度記錄及溫度控制裝置等組成，其中：冷卻層是調(diào)節(jié)發(fā)酵罐內(nèi)液體溫度的主要部分，按其結(jié)構(gòu)可分為盤式和夾套式兩種；發(fā)酵罐的保溫層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，在發(fā)泡保溫時，為了未來的維修剝離及復原的方便，罐身與發(fā)泡塑料之

5、間最好能用塑料薄膜隔離；發(fā)酵罐的測溫元件有直接感應與遙控兩種；發(fā)酵罐的溫控裝置實際起供、斷冷卻水的作用。（三）操作附件部分發(fā)酵罐的操作附件比較多，主要包括：進、出管道、閥門和視鏡；CO2回收和CO2洗滌裝置；真空/過壓保護裝置；取樣閥；原位清洗裝置（CIP）；換間板。（四）儀器與儀表部分發(fā)酵罐對一次儀表、二次儀表、記錄裝置、報警裝置以及微機程序控制、自動控制的應用很廣泛，這些儀器、儀表主要對發(fā)酵罐的物料數(shù)量（以容積或液位表示）、壓力、溫度三個參數(shù)進行顯示、自動記錄、自動控制及報警，還有測定浸出物含量與CO2含量的一次儀表，這樣就可以進行真正的自動控制。四、發(fā)酵罐發(fā)酵的動力學特征發(fā)酵罐發(fā)酵的主要

6、特點是采用較高的發(fā)酵溫度和高凝性酵母、進一步提高發(fā)酵液濃度，保持茁盛的酵母層和縮短發(fā)酵時間進行可控發(fā)酵，其主要動力學特征有：HD1、 由于采用凝聚性酵母，S3S1，使發(fā)酵速度 3區(qū)1區(qū)；導致B3B1濃度差，促進發(fā)酵液的對流；2、 由于3區(qū)發(fā)酵速度快，產(chǎn)生CO2多，加上液壓，使P3P1而形成壓力差推動發(fā)酵液對流；3、 由于發(fā)酵時控制t3t1，形成溫度差對流。第二章 發(fā)酵罐設(shè)計計算步驟第一部分：生物反應器設(shè)計化工計算一、發(fā)酵罐的容積確定設(shè)計需要選用V有效=32m3的發(fā)酵罐則V全=V有效/=32m3/80%=40m3二、基礎(chǔ)參數(shù)選擇1DH：選用DH=122錐角：取錐角為70°3封頭：選用標

7、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5罐體所承受的最大內(nèi)壓：2.5/cm³ 外壓：0.3/cm³6錐形罐材質(zhì)：A3鋼材外加涂料，接管均用不銹鋼7保溫材料：硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料，厚度2008內(nèi)壁涂料，環(huán)氧樹脂三、D、H確定由DH=12，則錐體高度H1=D/2tan35°=0.714D封頭高度 H2=D/4=0.25D圓柱部分高度 H3=（2.00.7140.25）=1.04D又因為V全=V封V錐V柱 = =0.187D³0.131D³0.87D³=40m³ 得D=3.23m查JB1154-74橢圓形封頭和尺寸取

8、發(fā)酵罐直徑D=3400mm再由V全=40m³ D=3.4m得經(jīng)高比 DH=1:1.9由D=3400mm查表得h1=850mm h0=50mm F=13.0 V=5.60m³筒體幾何尺寸為：H=5940mm F=63.44 V=32.43m³錐體封頭幾何尺寸為：h0=50mm V=9.83m³ H=3115mm F=6.86則錐形罐體總高：H=850505940503115=10005mm總體積：V全=5.6032.439.83=47.86m³實際充滿系數(shù)=83.6 罐內(nèi)液柱高：H=40-9.83/(3.14×3.42)/4 ×

9、;102+(3115+50)=8434 四、發(fā)酵罐的強度計算（一）罐體為內(nèi)壓容器的壁厚計算1標準橢圓封頭設(shè)計壓力為1.1×2.5=2.75²S=式中：P=2.75²：A3鋼工作溫度下的許用力取1520. ²：焊接系數(shù)，本設(shè)計采用雙面對接焊作為局部無探傷0.9 壁厚附加量：C=C1C2C3查表得：C1：鋼板厚度的負偏差取0.8負偏差 C2：腐蝕裕量取2mm C3：制造減薄量取0.6 則：S=(2.75×3400/2×1520×0.9-2.75)3.4=7mm取S0=8mm 直邊高h0=50mm校核=2.75×(340

10、0+8)/4×8 ×(34008)/2×900=554.5e2筒體P設(shè)=1.1×(P工作P靜) =1.1×（2.5+0.61）=3.42²S=（取C1=0.6，C2=2，C3=0.6） =3.42×3400/(2×1520×0.93.42)3.2=7.5mm取S=8mm校核2=620.1t3錐形封頭1）過渡區(qū)壁厚S=P設(shè)=1.1×（2.50.9）=3.74²（0.9為靜壓）K=0.716S=0.716×3.74×3400/(2×1520×0.90

11、.5×3.74) C=3.33C=3.330.620.59=6.52mm(2)錐體S=S0= =0.60×3.74×3400/(1520×0.90.5×3.74) （f查表為0.60）=5.58mmS= S0C=5.580.620.59=8.77mm取S=10mm h0=25mm校核錐體所受最大應力處：= =3.74×3410/(2×10×cos35°) =778.5t（二）錐體為外壓容器的壁厚計算1標準橢圓封頭 設(shè)S0=5mm R內(nèi)=0.9Dg=3060mm R內(nèi)100S0=3060100×5

12、=6.12查圖表4-1得B=375P =B×S0R內(nèi)=375×53060=0.61²0.3²滿足要求取C1=0.5mm，C2=2mm，C3=0.5mm則S=S0C=8mm 2筒體設(shè)S0=5mmL/D=0.57D=3400/5=680查圖表4-1得 B=320P =320×53400=0.47²0.3² S0=5mm故可取C1=0.5mm，C2=2mm，C3=0.5mm則S= S0C=8mm3錐形封頭因為=35°所以22.50°60°按第四章發(fā)酵罐設(shè)計的中封頭設(shè)計可知，加強圈間中錐體截面積最大直徑

13、為： 2×31152×tan35°=2181.5mm取加強圈中心線間錐體長度為1557.5mm設(shè)S0=5mmLD=1557.53400=0.458DS0=34005=680查表4-1得B=370P =B×S0/D=370×5/3400=0.54²0.3²故取S0=5mmC1=0.6mm，C2=2mm，C3=0.6mm所以S= S0C=8.2mm取S=9綜合前兩步設(shè)計，取兩者中較大的。由生產(chǎn)經(jīng)驗確定 標準橢圓型封頭厚度為8mm h0=50mm 圓筒壁厚 8mm 標準型封頭壁厚 10mm h0=50mm五、錐形罐的強度校核1內(nèi)壓

14、校核液壓試驗 P試=1.25P設(shè)由于液體的存在，錐體部分為罐體受壓最中之處即最危險設(shè)計壓力 P=3.74²液壓試驗 P設(shè)=1.25P=4.68²查得A3鋼=2400² =4.68×3400(10-3.2)/2×(12-3.2) =905.9² 0.9=0.9×0.9×2400=1944²試可見符合強度要求，試壓安全2外壓試驗以內(nèi)壓代替外壓P=1.5×（SC）=1.5×（1.00.3）=1.3²P試=1.25P=1.63²P內(nèi)試故可知試壓安全3剛度校核本設(shè)計中允許S=

15、2×34001000=6.8mm而設(shè)計時取厚度為S=8mm，故符合剛度要求第二部分 發(fā)酵罐熱工設(shè)計計算一、 計算依據(jù)計采用A3鋼作為發(fā)酵罐材料，用8號槽鋼做冷卻夾套，分三段冷卻，筒體二段，錐部一段，夾套工作壓力為2.5²冷媒為20%（V/V）酒精溶液，T進=-4，T出=-2，麥汁發(fā)酵溫度維持12（主發(fā)酵56天，封頭及筒體部分保溫層厚度為200mm，錐底部分為98mm）二、 總發(fā)酵熱計算Q=q×v=119×32=3808hrq每立方米發(fā)酵麥汁在主發(fā)酵期間每小時放熱量；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=hb-截面積 =8

16、5;4.310.24=24.16²冷卻劑流量為（三段冷卻）3×24.16×10-4×1=7.284×10-3m³/s查得20%（V/V）酒精溶液t平=-3下的=976m³C=1.04kcal·冷卻劑的冷卻能力為：Q=7.248×103×976×1.041×2×3400 =50075.8 kcalhr3808 kcalhr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(shù)的改進，工藝曲線可能更改，按目前我國生產(chǎn)工藝曲線看，日降溫量較大的為1

17、35，為了將來工藝更改留下裕量，設(shè)計取13-5=8為設(shè)計的日降溫量，取0.6/hr為設(shè)計的小時降糖量，則由Q0=KAtm求得冷卻面積。1傳熱系數(shù)K的確定1）醪液1的計算1=0.64×C× =0.64×185× =185.3kcal/hºC2）冷卻夾套的2的計算 潤濕周邊=80（804×8.0）2×（431）=276de= =204mm=20.4de=4.74=0.0474m20%（V/V）酒精在定性溫度t=（42）2=3下=5.05CP=5.05×10³Pa·s=0.402kcal/hrm=0.

18、468W/Cp=1.041kcal/=4.358×10³J/=976=1m/sRe=du/=9160=104故可視為強制湍流流動 得n=0.42=0.023/d(Re)0.8(Cp/)0.4=1348.4kcal/hr·m·因為計算時冷卻盤管為直管，先修正：=（11.77d/R）=1348.4×(11.77×0.0474/1.829)=1410.3kcal/hr·m·3)筒體部分傳熱系數(shù)K 代入數(shù)據(jù)可得：=7.325×103所以：K=136.5kcal/·注：h為假設(shè)夾套高度（m）2.錐形罐筒體

19、需冷卻的熱量1）醪液放熱 Q醪=Q1Q2 Q1=58179×0.055×146.6=4690.9kcal/hr Q2=58179×0.9519×0.6=33228.4kcal/hr 所以 Q醪=Q1Q2=37919.3kcal/hr2）外界與罐體的傳熱量 a.封頭部分Q1=KF（t外平t0附t內(nèi)） 代入數(shù)據(jù)得 KF=2.02×（10%1）×（328.55） =78.88kcal/hr b.筒體部分： 代入數(shù)據(jù)：得：KF=15.67kcal/K·Q2=KF（t外平t0附t內(nèi)） =1.1×15.67×(32+8.55) =611.91kcal/hr3.筒體冷卻面積A初定Q=KAtmA=36873.6/136.5×11.3=23.9則醪液的冷卻負荷為： 23.9/58179=0