啤酒發(fā)酵罐課件設計

22目錄第一章啤酒發(fā)酵罐結構與動力學特征一、啤酒的概述二、啤酒發(fā)酵容器的演變三、啤酒發(fā)酵罐的特點四、露天圓錐發(fā)酵罐的結構五、發(fā)酵罐發(fā)酵的動力學特征第二章露天發(fā)酵罐設計一、啤酒發(fā)酵罐的化工設計計算二、發(fā)酵罐熱工設計計算三、發(fā)酵罐附件的設計及選型第三章發(fā)酵罐的計算特性和規(guī)范一、技術特性二、發(fā)酵罐規(guī)范表第四章發(fā)酵罐設計圖第一章啤酒發(fā)酵罐結構與動力學特征一、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，設備將受到嚴重的挑戰(zhàn)。為了擴大生產(chǎn)，減少投資保證質量，滿足消費等各方面的需要，國際上啤酒發(fā)酵技術子啊原有傳統(tǒng)技術的基礎上有很大進展。尤其是采用設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。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)酵罐中開始使用空氣分布器，機械攪拌開始用在小型的發(fā)酵罐中。第三階段：1940-1960年，機械攪拌，通風，無菌操作和純種培養(yǎng)等一系列技術開始完善，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，計算機開始進行發(fā)酵過程的控制。發(fā)酵產(chǎn)品的分離和純化設備逐步實現(xiàn)商品化。第四階段：1960-1979年，機械攪拌通風發(fā)酵罐的容積增大到80-150m3。由于大規(guī)模生產(chǎn)單細胞蛋白的需要，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。計算機開始在發(fā)酵工業(yè)上得到廣泛應用。第五階段：1979年至今。生物工程和技術的迅猛發(fā)展，給發(fā)酵工業(yè)提出了新的課題。于是，大規(guī)模細胞培養(yǎng)發(fā)酵罐應運而生，胰島素，干擾素等基因工程的產(chǎn)品走上商品化。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。四、露天圓錐發(fā)酵罐的結構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V6.0m。圓錐底：它的夾角多為60—90°，也有90—120°，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，大致占總高的1/4—1/3。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。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：冷卻層是調節(jié)發(fā)酵罐內液體溫度的主要部分，按其結構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。3、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。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。五、發(fā)酵罐發(fā)酵的動力學特征發(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：①由于采用凝聚性酵母，S3>S1，使發(fā)酵速度3區(qū)>1區(qū)；導致B3VB1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P3>P1而形成壓力差推動發(fā)酵液對流；③由于發(fā)酵時控制t3>t1,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t3?t1可控，又因罐高，酵母沉降慢，發(fā)酵液仍保持強對流而促進代謝發(fā)酵。第二章露天發(fā)酵罐設計一、啤酒發(fā)酵罐的化工設計計算㈠、發(fā)酵罐的容積確定設計需要選用V有效=24m3的發(fā)酵罐則V=V/Q=24m3/80%=30m3全有效㈡、基礎參數(shù)選擇D：H：選用D：H=1：42．錐角：取錐角為90°.封頭：選用標準橢圓形封頭.冷卻方式：選取槽鋼盤繞罐體的三段間接冷卻.罐體所承受的最大內壓：2.5kg/cm3外壓：0.3kg/cm3.錐形罐材質：A3鋼材外加涂料，接管均用不銹鋼.保溫材料：硬質聚氨酯泡沫塑料，厚度200mm8．內壁涂料，環(huán)氧樹脂㈢、D、H的確定由D：H=1：4,則錐體高度H=D/2tan45°=0.50D1封頭高度H=D/4=0.25D

2圓柱部分高度H=(4－0.50－0.25)D=3.25D3又因為v『v錐+V封+V柱_nD2,，n八n八一=—義——義H+——義D3+—義D2*H3412443=0.131D3+0.131D3+2.553D3=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全二30m3D=2.4m得徑高比D:H=1:3.72由D=2400mm查表得橢圓形封頭幾何尺寸為：h1=600mmh0=40mmF=6.52m2V=2.00m3筒體幾何尺寸為：H=6614mmF=49.84m?V=29.9m3錐體封頭幾何尺寸為：h=40mmr=280mmH=1714mm0F=nd2/4[(0.7+0.3cosa)2/sina+0.64]=6.91mV=nd3/24[(0.7+0.3cosa)2/tana+0.72]=2.16m3則錐形罐體總高：H=600+40+6614+40+1714=9008mm總容積：V全=2.00+29.9+2.16=34.1m33實際充滿系數(shù)W=24/34.1=70.4%罐內液柱高：H,=[(24-2.16)/(3.14X1.22)/4]*102+(1714+40)=3686mm㈣、發(fā)酵罐的強度計算⑴罐體為內壓容器的壁厚計算①.標準橢圓封頭設計壓力為1.1X2.5=2.75kg/c"S=PDg2口1①-P式中：P=2.75kg/c2[o]：A鋼工作溫度下的許用力取1520.kg/cc23W：焊接系數(shù)，本設計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2.0￡：制造減薄量取0.6貝lj：S=(2.75X2400/2X1520X0.9-2.75)+3.4=5.8mm取S=8mm0直邊高h=40mm0校核

PD中4s二[2.75*(2400+8)/4X8]*(2400+8)/(2X900)=369.lW[6]t②.筒體P設=1.1X(P工作+P靜)=1.1X(2.5+0.61)=3.42kg/c"S=S=年P+C(m°1=0.6,02=2,C3=0.6)=3.42X2400/(2X1520X0.9-3.42)+3.2=6.2mm取S=7mm校核a=P%=588.03W[o]t22s③.錐形封頭1)過渡區(qū)壁厚S=KPDg2白J-0.5PP.=1-1X(2-5+0-9)=3-74^/-2(0.9為靜壓)K=0.716SKPDg2bl/0.5P=0.716X3.74X2400/(2X1520X0.9-0.5X3,74)+C=2.35+C=2.35+0.6+2+0.59=5.54mm2)錐體S=f*PD+CbJ①-0.5PS=f義PDg0bl①-0.5P=0.60X3.74X2400/(1520X0.9-0.5X3.74)(f查表為0.60)=3.94mmS=S°+C=3.94+0.6+2+0.59=7.13mm取S=10mmh=40mm0校核錐體所受最大應力處：PD■.2scos45■=3.74X2410/(2X10Xcos45°)=637.3W[o]t⑵錐體為外壓容器的壁厚計算.標準橢圓封頭設S=5mm0R內=0.9Dg=2160mmR內/100S°=2160/(100X5)=4.32查圖表4-1得B=275[P]=BXS0/R內=275X5/2160=0.64kg/c">0.3kg/cm滿足要求取C1=0.5mm,C2=2mm,C3=0.5mm則S=S0+C=8mm.筒體設S=6mm0L/D=0.69D=2400/6=400查圖表4-1及B=210[P]=210X6/2400=0.53kg/cm2>0.3kg/c"S=6mm0故可取C1=0.6mm,C2=2mm,C3=0.6mm則S=S0+C=9.2mm取S=10mm.錐形封頭因為a=45°所以22.50°VaV60°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：2X1714/2Xtan45°=1714mm取加強圈中心線間錐體長度為1157.5mm設S=5mm0L/D=1157.5/2400=0.482D/S=2400/5=4800查表4-1得B=275[P]=BXS/D=275X5/2400=0.57g/c2>0.3g/c20故取S=5mm0C1=0.6mm,C2=2mm,C3=0.6mm所以S=S0+C=8.2mm取S=9m綜合前兩步設計，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10mmh=40mm0圓筒壁厚10mm標準型封頭壁厚12mmh0=40mm⑶錐形罐的強度校核①、內壓校核液壓試驗P試=1.25P設由于液體的存在，錐體部分為罐體受壓最中之處即最危險設計壓力P=3.74kg/c"液壓試驗P設=1.25P=4.68kg/c"查得A3鋼o=2400kg/c2PiDg+(S-C)]O二一試/-試2S-C)=4.68*[2400+(12-3.2)]/2義(12-3.2)=640.5kg/cc20.9Wo=0.9X0.9X2400=1944kg/cc2>o試可見符合強度要求，試壓安全.外壓試驗以內壓代替外壓P=1.5X(S+C)=1.5X(1.0+0.3)=1.3kg/cc2P試=1.25P=1.63kg/cMVP內試故可知試壓安全.剛度校核本設計中允許S=2義2400/1000=4.8mm而設計時取厚度為S=10mm,故符合剛度要求二、發(fā)酵罐熱工設計計算㈠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2.5km/c"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5—6天，封頭及筒體部分保溫層厚度為200mm，錐底部分為98mm)㈡總發(fā)酵熱計算Q=qXv=119X24=2856kg/hrq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㈢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=8X4.3—10.24=24.16cm?冷卻劑流量為(三段冷卻)3X24.16X10-4X1=7.284X10-3m3/s查得20%(V/V)酒精溶液At平=-3℃下的p=976kg/m3Cp=1.04kcal/^'℃冷卻劑的冷卻能力為：0=7.248X10-3X976X1.041X2X2400=35347.6kcal/hr>2856kcal/hr故可選取8號槽鋼為冷卻夾套。㈣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，按目前我國生產(chǎn)工藝曲線看，日降溫量較大的為13°CT5°C,為了將來工藝更改留下裕量，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=KAAtm求得冷卻面積。①傳熱系數(shù)K的確定1)醪液Q1的計算a=0.64XCX4E1t1t2=0.64X185X413T5=185.3kcal/m?h°C2)冷卻夾套的a2的計算潤濕周邊=80+(80+4X8.0)+2X(43—1)=276mde=4義流體流動截面面積濕潤周邊=204mm=20.4cmde=4*2416=4.74cm=0.0474m20.420%(V/V)酒精在定性溫度上二(-4-2)/2=-3℃下U=5.05CP=5.05X103Pa?s入=0.402kcal/hrm℃=0.468W/kg℃C=1.041kcal/kg℃=4.358義103J/kg℃pp=976kg/m?u=1m/sRe=dup/u=9160=104故可視為強制湍流流動得n=0.4a/0.023入/d(Re)o.8(C口/人)o.4=1348.4kcal/hr?m?°C因為計算時冷卻盤管為直管，先修正：a=a(1+1.77d/R)=1348.4X(1+1.77X0.0474/1.829)二1410.3kcal/hr?m?℃3)筒體部分傳熱系數(shù)K11Rsb1Rs=+1+++2KA2%AA入A2%A3A3代入數(shù)據(jù)可得：A1-筒體內層傳熱面面積12.3062mA2-筒體平均傳熱面積12.3562mA3-筒體外壁平均傳熱面積12.304mRs1-啤酒液污垢系數(shù)0.000675mh℃/kcalRs2-冷卻劑污垢系數(shù)0.000307mh℃/kcal1-發(fā)酵液傳熱系數(shù)192.5kcal/mh℃2-夾套冷卻劑的傳熱系數(shù)206.4kcal/mh℃A-筒體材料導熱系數(shù)4.562kcal/m?h℃b-筒體壁厚0.01m112.3562h0.000675x12.3562h0.010.000307x12.3562h0.00815h=++++K193.5x12.304h12.304h4512.3062h12.3562h=7.058X10-3所以：K=141.7kcal/m2?℃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Qs=Q1+Q2Q=34765X0.055X146.6=2803.1kcal/hr1Q=34765X0.9519X0.6=19855.68kcal/hr2所以Q醪=Q1+Q2=22658.78kcal/hr2）外界與罐體的傳熱量a.封頭部分Q1=KF（t外平+t°附一t內）代入數(shù)據(jù)得KF=2.02X（10%＋1）X（32＋8.5－5）=78.88kcal/hrb.筒體部分:代入數(shù)據(jù)：1KF得：KF=15.67kcal/K?℃Q2=KF（t外平+t0附T內）=1.1X15.67X（32+8.5—5）

=611.91kcal/hr14—9=11.314—9=11.3℃At八t1Tlt2maAt1InAt2Q=KA&tmA=22958.78/(141.7X11.3)=14.34m?則醪液的冷卻負荷為：14.34/34765=0.413m/T>0.3m3/T故冷卻面積能夠滿足要求。④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14.34m則槽鋼長=14.34/0.08=179m取相鄰兩槽鋼間距為80mm一圈槽鋼長：l°=[(3.14X2.4)2+0.122]%=7.54m179長的槽鋼課繞圈數(shù)179/7.54~24圈則二段各繞12圈冷卻高度為12X(80+40)－40=1400mm筒體實際冷卻面積為24X11.567X0.08=22.2m?/T2)錐底部分錐體部分醪液量為10.213X1.0484=10.70kg錐體部分冷卻面積為10.70X0.439=4.70m?/T則槽鋼長為4.70/0.08=58.76m繞制高度為1000mm三、發(fā)酵罐附件的設計及選型①入孔1)、選用入孔BIIPg6Dg450X8H=220JB-64-28材料A3鋼12)、補強圈尺寸確定如下D內=484mmD外二760mm補強圈的厚度S.補按下式計算，考慮罐體與入孔節(jié)均有一定的壁厚裕量，故補強圈取8mmS補二(dXS0)/(D2-D1)=(45X0.52)/(76-484)=0.85cm②視鏡1)選用帶勁視鏡Pg6Dg150JB595-64-42)補強圈尺寸確定如下：內徑D=163mm外徑=300mm1補強圈的厚度5補按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，故補強圈取8mm③接管1）CO2回收接管YB804-70Dg40無縫鋼管重3.6kg/m法蘭Pg6Dg40HG5010—58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YB804-70Dg50無縫鋼管重4.65kg/m法蘭Pg6Dg50HG5