啤酒發(fā)酵罐課程設(shè)計

1、目錄第一章 啤酒發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)與動力學(xué)特征一、啤酒的概述二、啤酒發(fā)酵容器的演變?nèi)?、啤酒發(fā)酵罐的特點四、露天圓錐發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)五、發(fā)酵罐發(fā)酵的動力學(xué)特征第二章 露天發(fā)酵罐設(shè)計一、啤酒發(fā)酵罐的化工設(shè)計計算二、發(fā)酵罐熱工設(shè)計計算三、發(fā)酵罐附件的設(shè)計及選型第三章 發(fā)酵罐的計算特性和規(guī)范 一、技術(shù)特性 二、發(fā)酵罐規(guī)范表第四章 發(fā)酵罐設(shè)計圖第一章 啤酒發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)與動力學(xué)特征一、啤酒的概述 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

2、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(yán)重的挑戰(zhàn)。為了擴(kuò)大生產(chǎn)，減少投資保證質(zhì)量，滿足消費等各方面的需要，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(jìn)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(qiáng)度，提高勞動生產(chǎn)率。(一) 發(fā)酵罐的發(fā)展史第一階段：1900年以前，是現(xiàn)代發(fā)酵罐的雛形，它帶有簡單的溫度和熱交換儀器。第二階段：1900-1940年，出現(xiàn)了200m3的鋼制發(fā)酵罐，在面包酵母發(fā)

3、酵罐中開始使用空氣分布器，機(jī)械攪拌開始用在小型的發(fā)酵罐中。第三階段：1940-1960年，機(jī)械攪拌，通風(fēng)，無菌操作和純種培養(yǎng)等一系列技術(shù)開始完善，發(fā)酵工藝過程的參數(shù)檢測和控制方面已出現(xiàn)，耐蒸汽滅菌的在線連續(xù)測定的pH電極和溶氧電極，計算機(jī)開始進(jìn)行發(fā)酵過程的控制。發(fā)酵產(chǎn)品的分離和純化設(shè)備逐步實現(xiàn)商品化。第四階段：1960-1979年，機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐的容積增大到80-150m3。由于大規(guī)模生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白的需要，又出現(xiàn)了壓力循環(huán)和壓力噴射型的發(fā)酵罐，它可以克服些氣體交換和熱交換問題。計算機(jī)開始在發(fā)酵工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用。第五階段：1979年至今。生物工程和技術(shù)的迅猛發(fā)展，給發(fā)酵工業(yè)提出了新的課題。

4、于是，大規(guī)模細(xì)胞培養(yǎng)發(fā)酵罐應(yīng)運而生，胰島素，干擾素等基因工程的產(chǎn)品走上商品化。(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(yīng)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。四、露

5、天圓錐發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)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

6、元件或溫度計，CO2洗滌裝置等。2、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(fù)原的方便，罐身與發(fā)泡塑料之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(yīng)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。3、操作附件部分發(fā)酵罐的操作附件比較多，主要包括：進(jìn)、出管道、閥門和視鏡；CO2回收和CO2洗滌裝置；真空/過壓保護(hù)裝置；取樣閥；原位清洗裝置（C

7、IP）；換間板。4、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(jī)程序控制、自動控制的應(yīng)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(jìn)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(jìn)行真正的自動控制。五、 發(fā)酵罐發(fā)酵的動力學(xué)特征 發(fā)酵罐發(fā)酵的主要特點是采用較高的發(fā)酵溫度和高凝性酵母、進(jìn)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(jìn)行可控發(fā)酵，其主要動力學(xué)特征有：HD由于采用凝聚性酵母，S3S1，使發(fā)酵速度 3區(qū)1區(qū)；導(dǎo)致B3B1濃度差，促進(jìn)發(fā)酵液的對流；由于3區(qū)發(fā)酵速度快，產(chǎn)生CO2多

8、，加上液壓，使P3P1而形成壓力差推動發(fā)酵液對流；由于發(fā)酵時控制t3t1，形成溫度差對流。 這三種推動力隨罐高H增大而增大，由于傳統(tǒng)發(fā)酵槽僅2m，而露天的圓柱錐形罐一般大于8m，所以此推動力將加速發(fā)酵，尤其在雙兒酰還原階段B、P趨于一致，但t3t1可控，又因罐高，酵母沉降慢，發(fā)酵液仍保持強(qiáng)對流而促進(jìn)代謝發(fā)酵。第二章 露天發(fā)酵罐設(shè)計一、啤酒發(fā)酵罐的化工設(shè)計計算、發(fā)酵罐的容積確定設(shè)計需要選用V有效=24m3的發(fā)酵罐則V全=V有效/=24m3/80%=30m3、基礎(chǔ)參數(shù)選擇1DH：選用DH=142錐角：取錐角為90°3封頭：選用標(biāo)準(zhǔn)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

9、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、D、H的確定由DH=14，則錐體高度H1=D/2tan45°=0.50D封頭高度 H2=D/4=0.25D圓柱部分高度 H3=（40.500.25）D=3.25D又因為V全=V錐V封V柱 = =0.131D³0.131D³2.553 D³=30m3³ 得D=2.20m查JB1154-74橢圓形封頭和尺寸取發(fā)酵罐直徑D=2400mm再由V全=30m³ D=

10、2.4m得徑高比 DH=1:3.72由D=2400mm查表得橢圓形封頭幾何尺寸為：h1=600mm h0=40mm F=6.52m2 V=2.00m3筒體幾何尺寸為：H=6614mm F=49.84 V=29.9m3錐體封頭幾何尺寸為：h0=40mm r=280mm H=1714mm F=d2/4(0.7+0.3cos)2/sin+0.64=6.91 V=d3/24(0.7+0.3cos)2/tan+0.72=2.16m³ 則錐形罐體總高：H=600406614401714=9008mm總?cè)莘e：V全=2.0029.92.16=34.1m3³實際充滿系數(shù)=24/34.1=70

11、.4%罐內(nèi)液柱高：H=（24-2.16）/(3.14×1.22)/4 ×102+(1714+40)=3686、發(fā)酵罐的強(qiáng)度計算罐體為內(nèi)壓容器的壁厚計算標(biāo)準(zhǔn)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(fù)偏差取0.8負(fù)偏差 C2：腐蝕裕量取2.0 C3：制造減薄量取0.6 則：S=(2.75×2400/2×1520×0.9-2.75)3.4

12、=5.8mm取S0=8mm 直邊高h(yuǎn)0=40mm校核=2.75×(2400+8)/4×8 ×(24008)/(2×900)=369.1t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） =3.42×2400/(2×1520×0.93.42)3.2=6.2mm取S=7mm校核2=588.0t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&#

13、215;3.74×2400/(2×1520×0.90.5×3.74) C=2.35C=2.350.620.59=5.54mm2)錐體S=S0= =0.60×3.74×2400/(1520×0.90.5×3.74) （f查表為0.60）=3.94mmS= S0C=3.940.620.59=7.13mm取S=10mm h0=40mm校核錐體所受最大應(yīng)力處：= =3.74×2410/(2×10×cos45°) =637.3t錐體為外壓容器的壁厚計算標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭 設(shè)S0=5mm R內(nèi)

14、=0.9Dg=2160mm R內(nèi)100S0=2160(100×5)=4.32查圖表4-1得B=275P =B×S0R內(nèi)=275×52160=0.64²0.3²滿足要求取C1=0.5mm，C2=2mm，C3=0.5mm則S=S0C=8mm 筒體設(shè)S0=6mmL/D=0.69D=2400/6=400查圖表4-1及B=210P =210×62400=0.53²0.3² S0=6mm故可取C1=0.6mm，C2=2mm，C3=0.6mm則S= S0C=9.2mm 取S=10mm錐形封頭因為=45°所以22.50&

15、#176;60°按第四章發(fā)酵罐設(shè)計的中封頭設(shè)計可知，加強(qiáng)圈間中錐體截面積最大直徑為： 2×17142×tan45°=1714mm取加強(qiáng)圈中心線間錐體長度為1157.5mm設(shè)S0=5mmLD=1157.52400=0.482DS0=24005=480查表4-1得B=275P =B×S0/D=275×5/2400=0.57²0.3²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(biāo)準(zhǔn)橢圓型封頭厚度為10mm h0=40m

16、m 圓筒壁厚 10mm 標(biāo)準(zhǔn)型封頭壁厚 12mm h0=40mm錐形罐的強(qiáng)度校核、內(nèi)壓校核液壓試驗 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 =4.68×2400(12-3.2)/2×(12-3.2) =640.5² 0.9=0.9×0.9×2400=1944²試可見符合強(qiáng)度要求，試壓安全外壓試驗以內(nèi)壓代替外壓P=1.5×（SC）=1.5×（1.00.3）=1.3²

17、P試=1.25P=1.63²P內(nèi)試故可知試壓安全剛度校核本設(shè)計中允許S=2×24001000=4.8mm而設(shè)計時取厚度為S=10mm，故符合剛度要求二、發(fā)酵罐熱工設(shè)計計算計算依據(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(jìn)=-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）總發(fā)酵熱計算Q=q×v=119×24=2856hrq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)酵麥汁量冷卻夾套型

18、號選擇選取8號槽鋼起截流面積為A=hb-截面積 =8×4.310.24=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=7.248×103×976×1.041×2×2400 =35347.6 kcalhr2856kcalhr故可選取8號槽鋼為冷卻夾套。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(jìn)，工藝曲線可

19、能更改，按目前我國生產(chǎn)工藝曲線看，日降溫量較大的為135，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。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=5.05×10³

20、Pa·s=0.402kcal/hrm=0.468W/Cp=1.041kcal/=4.358×10³J/=976=1m/sRe=du/=9160=104故可視為強(qiáng)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：A1-筒體內(nèi)層傳熱面面積12.3062A2-筒體平均傳熱面積

21、12.3562A3-筒體外壁平均傳熱面積12.304Rs1-啤酒液污垢系數(shù)0.000675h/kcal Rs2-冷卻劑污垢系數(shù)0.000307h/kcal 1-發(fā)酵液傳熱系數(shù)192.5kcal/ h 2-夾套冷卻劑的傳熱系數(shù)206.4kcal/ h -筒體材料導(dǎo)熱系數(shù)4.562kcal/h b-筒體壁厚0.01m =7.058×103所以：K=141.7kcal/·注：h為假設(shè)夾套高度（m）錐形罐筒體需冷卻的熱量1）醪液放熱 Q醪=Q1Q2 Q1=34765×0.055×146.6=2803.1kcal/hr Q2=34765×0.9519&#

22、215;0.6=19855.68kcal/hr 所以 Q醪=Q1Q2=22658.78kcal/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/hr筒體冷卻面積A初定Q=KAtmA=22958.78/（141.7×11.3）=14.34則醪液的冷卻負(fù)荷為： 14.34/

23、34765=0.413/T0.3m³/T故冷卻面積能夠滿足要求。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8#槽鋼筒體冷卻段面積為14.34則槽鋼長=14.34/0.08=179m取相鄰兩槽鋼間距為80mm一圈槽鋼長： l0=(3.14×2.4)²0.12²½=7.54m179長的槽鋼課繞圈數(shù)179/7.5424圈則二段各繞12圈冷卻高度為12×（8040）40=1400mm筒體實際冷卻面積為24×11.567×0.08=22.2/T2）錐底部分錐體部分醪液量為10.213

24、15;1.0484=10.70kg錐體部分冷卻面積為10.70×0.439=4.70/T則槽鋼長為4.70/0.08=58.76m繞制高度為1000mm三、發(fā)酵罐附件的設(shè)計及選型入孔1)、選用入孔BIIPg6Dg450×8H1=220JB-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)=(d×S0)/(D2-D1)=(45×0.52)/(76-484)=0.85cm視鏡1） 選用帶勁視鏡Pg6Dg150JB595-64-42） 補(bǔ)強(qiáng)圈尺寸確定如下：內(nèi)徑D1=163mm 外徑=300mm補(bǔ)強(qiáng)圈的厚度S補(bǔ)按S被=d*S0/D2-D1=150*8/300-163=8.8mm考慮罐體與視鏡筒節(jié)約有一定的壁厚余量，故補(bǔ)強(qiáng)圈取8mm接管1)CO2回收接管YB804-70 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(jìn)口接管YB804-