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1、安徽工程大学 1 生物反应器课程设计 -啤酒露天发酵罐设计 姓名:周若飞 班级:生工 091 学号: 3090402130 安徽工程大学 2 目录 一、啤酒发酵罐结构与动力学特征 1、啤酒的概述 2、啤酒发酵容器的演变 3、啤酒发酵罐的特点 4、露天圆锥发酵罐的结构 5、发酵罐发酵的动力学特征 二、露天发酵罐设计 1、啤酒发酵罐的化工设计计算 2、发酵罐热工设计计算 3、发酵罐附件的设计及选型 三、发酵罐的计算特性和规范 1 、技术特性 2 、发酵罐规范表 四、发酵罐设计图 安徽工程大学 3 一、啤酒发酵罐结构与动力学特征 1、啤酒的概述 啤酒是以大麦喝水为主要原料,大米、酒花和其他谷物为辅料
2、经 制麦、糖化、发酵酿制而成的一种含有二氧化碳、酒精和多种营养成 分的饮料酒。我国是世界上用谷物原料酿酒历史最悠久的国家之一, 但我国的啤酒工业迄今只有100 余年的历史。 改革开放以来, 我国啤 酒工业得到了很大的发展, 生产大幅度增长, 发展到现在距世界第二 位。由于啤酒工业的飞速发展, 陈旧的技术,设备将受到严重的挑战。 为了扩大生产,减少投资保证质量,满足消费等各方面的需要,国际 上啤酒发酵技术子啊原有传统技术的基础上有很大进展。尤其是采用 设计多种形式的大容量发酵和储酒容器。这些大容器,不依靠室温调 节温度,而是通过自身冷却来控制温度,具有较完善的自控设施,可 以做到产品的均一性,从
3、而降低劳动强度,提高劳动生产率。 2、发酵罐的发展史 第一阶段: 1900年以前,是现代发酵罐的雏形,它带有简单的温度和 热交换仪器。 第二阶段: 1900-1940年,出现了 200m3 的钢制发酵罐,在面包酵母发 酵罐中开始使用空气分布器,机械搅拌开始用在小型的发酵罐中。 第三阶段: 1940-1960年,机械搅拌,通风,无菌操作和纯种培养等 一系列技术开始完善,发酵工艺过程的参数检测和控制方面已出现, 耐蒸汽灭菌的在线连续测定的pH电极和溶氧电极,计算机开始进行 发酵过程的控制。发酵产品的分离和纯化设备逐步实现商品化。 安徽工程大学 4 第 四 阶 段: 1960-1979年 , 机械
4、搅 拌 通风 发 酵 罐的 容 积 增大 到 80-150m 3。由于大规模生产单细胞蛋白的需要,又出现了压力循环和 压力喷射型的发酵罐, 它可以克服些气体交换和热交换问题。计算 机开始在发酵工业上得到广泛应用。 第五阶段: 1979年至今。生物工程和技术的迅猛发展,给发酵工业提 出了新的课题。于是,大规模细胞培养发酵罐应运而生,胰岛素,干 扰素等基因工程的产品走上商品化。 3、啤酒发酵罐的特点 1、单位占地面积的啤酒产量大;而且可以节约土建费用; 2、可以方便地排放酵母及其他沉淀物(相对朝日罐、通用罐、贮就 罐而言) ; 3、发酵温度控制方便、有效,麦汁发酵时对流好,发酵速度快,可 以缩短发
5、酵周期(相对卧式罐、发酵槽而言); 4、可以回收利用二氧化碳,并可有利于啤酒的口味稳定性与非生物 稳定性(相对开口容器而言) ; 5、可以一关多用,生产工艺比较灵活;简化生产过程与操作,而且 酒损也现对减少; 6、制作相应要比其他发酵罐简单; 7、便于自动控制,如自动清洗和自动灭菌,节省人力与洗涤费用, 卫生条件好。 4、露天圆锥发酵罐的结构 (1)罐体部分 安徽工程大学 5 露天圆锥发酵罐的罐体有灌顶、圆柱体与锥底3 部分组成,其中: 灌顶:为圆拱形,中央开孔用于可拆卸大直径法兰,以安装 CO 2与 CIP 管道及其连接件,灌顶还装有真空阀,安全阀与压力传感器。 圆柱体:为发酵罐主体, 发酵
6、罐的高度主要决定于圆柱体的直径与径 高比,由于大直径的光耐压低,考虑到使用钢板的厚度,一般直径 6.0m。 圆锥底:它的夹角多为6090,也有 90120,但这多用于大直 径的罐及大容量的罐; 如夹角过小会使椎体部分很高。露天圆锥发酵 罐圆锥底的高度与夹角有关,大致占总高的1/4 1/3 。圆锥底的外 壁一般安装冷却夹套、阀门与视镜、取样管阀、测温、测压的传感元 件或温度计, CO2洗涤装置等。 (2)温度控制部分 发酵罐的温度控制部分主要由冷却层、保温层、测温元器件、温度记 录及温度控制装置等组成, 其中:冷却层是调节发酵罐内液体温度的 主要部分,按其结构可分为盘式和夹套式两种; 发酵罐的保
7、温层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, 在发泡保温时, 为了未来的维修剥离及复原的方 便,罐身与发泡塑料之间最好能用塑料薄膜隔离;发酵罐的测温元件 有直接感应与遥控两种; 发酵罐的温控装置实际起供、断冷却水的作 用。 (3)操作附件部分 发酵罐的操作附件比较多,主要包括:进、出管道、阀门和视镜; CO 2 安徽工程大学 6 回收和CO2洗涤装置;真空 / 过压保护装置;取样阀;原位清洗装置 (CIP) ;换间板。 (4)仪器与仪表部分 发酵罐对一次仪表、二次仪表、记录装置、报警装置以及微机程序控 制、自动控制的应用很广泛,这些仪器、仪表主要对发酵罐的物料数 量(
8、以容积或液位表示)、压力、温度三个参数进行显示、自动记录、 自动控制及报警,还有测定浸出物含量与CO 2含量的一次仪表,这样 就可以进行真正的自动控制。 5、发酵罐发酵的动力学特征 发酵罐发酵的主要特点是采用较高的发酵温度和高凝性酵母、进 一步提高发酵液浓度, 保持茁盛的酵母层和缩短发酵时间进行可控发 酵,其主要动力学特征有: 由于采用凝聚性酵母,S3S1,使发酵速度 3 区1 区;导致 B3 B1浓度差,促进发酵液的对流; H D 安徽工程大学 7 由于 3 区发酵速度快,产生CO2多,加上液压,使P3P1而形成压 力差推动发酵液对流; 由于发酵时控制t3t1,形成温度差对流。 这三种推动力
9、随罐高H增大而增大,由于传统发酵槽仅2m ,而露 天的圆柱锥形罐一般大于8m ,所以此推动力将加速发酵,尤其在双 儿酰还原阶段B、P 趋于一致,但t3t1可控,又因罐高,酵母沉降 慢,发酵液仍保持强对流而促进代谢发酵。 二、露天发酵罐设计 1、啤酒发酵罐的化工设计计算 、发酵罐的容积确定 设计需要选用 V有效=22.5m 3 的发酵罐 则 V全=V有效/ =22.5m 3/75%=30m3 、基础参数选择 1D H:选用 DH=1 4 2锥角:取锥角为70 3封头:选用标准椭圆形封头 4冷却方式:选取槽钢盘绕罐体的三段间接冷却 5罐体所承受的最大内压:2.5 /cm3外压: 0.3 /cm3
10、6锥形罐材质: A3钢材外加涂料,接管均用不锈钢 7保温材料:硬质聚氨酯泡沫塑料,厚度200 8内壁涂料,环氧树脂 安徽工程大学 8 、D、H确定 由 DH=1 4,则锥体高度 H1=D/2tan35=0.714D 封头高度 H2=D/4=0.25D 圆柱部分高度 H3=(40.714 0.25)D=3.036D 又因为 V全=V封V锥V柱 = 3 23 1 2 42443 HDDH D =0.187D3 0.131D3 2.386D3 =30m 3 得 D=2.23m 查 JB1154-74椭圆形封头和尺寸取发酵罐直径D=2400mm 再由 V全=30m 3 D=2.4m 得径高比 DH=1
11、:3.72 由 D=2400mm 查表得 椭圆形封头几何尺寸为: h1=600mm h0=40mm F=6.52m 2 V=2.00m3 筒体几何尺寸为: H=6614mm F=49.84 V=29.9m 3 锥体封头几何尺寸为: h0=40mm r=280mm H=1714mm F=d 2/4(0.7+0.3cos ) 2/sin +0.64=10.64 V=d 3/24(0.7+0.3cos ) 2/tan +0.72=3.60m 3 则锥形罐体总高: H=600 406614401714=9008mm 安徽工程大学 9 总体积: V全=2.0029.93.60=35.5m3 实际充满系数
12、 =22.5/35.5=63.3% 罐内液柱高: H=22.5-3.75/(3.141.2 2)/4 10 2+(1714+40)=3413 、发酵罐的强度计算 罐体为内压容器的壁厚计算 标准椭圆封头 设计压力为 1.1 2.5=2.75 2 S=C P PDg t 2 式中: P=2.75 2 :A3钢工作温度下的许用力取1520. 2 :焊接系数,本设计采用双面对接焊作为局部无探伤0.9 壁厚附加量: C=C1C2C3 查表得: C1:钢板厚度的负偏差取0.8 负偏差 C 2:腐蚀裕量取 1.5mm C3:制造减薄量取 0.6 则:S=(2.75 2400/215200.9-2.75)3.
13、4=5.814mm 取 S0=8mm 直边高 h0=40mm 校核 = h D s PD 24 中中 安徽工程大学 10 =2.75 (2400+8)/4 8 (24008)/2 900 =369.12 t 筒体 P设=1.1(P工作P静) =1.1(2.5+0.61 )=3.42 2 S=C P PD 2 (取 C1=0.6,C2=2,C3=0.6) =3.42 2400/(2 15200.9 3.42) 3.2=6.2mm 取 S=7mm 校核 2= s PD 2 中 =588.0 t 锥形封头 1)过渡区壁厚 S=C P DgKP t 5. 02 设 P设=1.1(2.5 0.9)=3.
14、74 2 (0.9 为静压) K=0.716 S=C P DgKP t 5. 02 设 =0.7163.742400/(2 15200.90.5 3.74) C =2.35C =2.350.6 20.59 =5.54mm 安徽工程大学 11 2) 锥体 S=C P PDgf t 5 .0 S0= P PDgf t 5.0 =0.603.742400/(1520 0.9 0.53.74) (f 查表为 0.60) =3.94mm S= S0C=3.940.6 20.59=7.13mm 取 S=8mm h0=40mm 校核锥体所受最大应力处: = 45cos2s PD中 =3.74 (2400+8
15、)/(2 10cos35) =687.14 t 锥体为外压容器的壁厚计算 标准椭圆封头 设 S0=5mm R内=0.9Dg=2160mm R内100S0=2160100*5=4.32 查图表 4-1 得 B=275 P =B S0R内=27552160=0.64 2 0.3 2 满足要求 取 C1=0.5mm ,C2=2mm ,C3=0.5mm 安徽工程大学 12 则 S=S0C=8mm 筒体 设 S0=5mm L/D=0.69 D=2400/6=400 查图表 4-1 得 B=210 P =210 62400=0.53 2 0.3 2 S0=6mm 故可取 C1=0.6mm ,C2=2mm
16、,C3=0.6mm 则 S= S0C=9.2mm 取 S=10mm 锥形封头 因为 =35 所以 22.50 60 按第四章发酵罐设计的中封头设计可知,加强圈间中锥体截面 积最大直径为: 2 22152tan35=1551mm 取加强圈中心线间锥体长度为1157.5mm 设 S0=5mm LD=1157.52400=0.482 DS0=24005=480 查表 4-1 得 B=275 P =B S0/D=2756/2400=0.69 2 0.3 2 故取 S0=6mm 安徽工程大学 13 C1=0.6mm ,C2=2mm ,C3=0.6mm 所以 S= S0C=9.2mm 取 S=10 综合前
17、两步设计,取两者中较大的。由生产经验确定 标准椭圆型封头厚度为8mm h0=40mm 圆筒壁厚 10mm 标准型封头壁厚 10mm h 0=40mm 锥形罐的强度校核 、内压校核 液压试验 P试=1.25P设 由于液体的存在,锥体部分为罐体受压最中之处即最危险 设计压力 P=3.742 液压试验 P设=1.25P=4.68 2 查得 A3钢=24002 CS CSDgP 2 试 试 =4.682400 (10-3.2)/2(10-3.2) =828.2 2 0.9=0.90.9 2400=1944 2 试 可见符合强度要求,试压安全 外压试验 以内压代替外压 安徽工程大学 14 P=1.5(S
18、C)=1.5(1.00.3 )=1.3 2 P试=1.25P=1.63 2 P内试 故可知试压安全 刚度校核 本设计中允许 S=224001000=4.8mm 而设计时取厚度为S=10mm,故符合刚度要求 2、发酵罐热工设计计算 计算依据 计采用 A3钢作为发酵罐材料,用8 号槽钢做冷却夹套,分三段 冷却,筒体二段,锥部一段,夹套工作压力为2.5 2 冷媒为 20% (V/V)酒精溶液, T进=-4,T出=-2,麦汁发酵温度维持12 (主发酵 56 天,封头及筒体部分保温层厚度为200mm ,锥底部分 为 98mm ) 总发酵热计算 Q=q v=11922.5=2677.5 hr q 每立方米
19、发酵麦汁在主发酵期间每小时放热量; v 为发酵麦汁量 冷却夹套型号选择 选取 8 号槽钢起截流面积为A=hb-截面积 =84.310.24=24.16 2 冷却剂流量为(三段冷却) 324.1610 -4 1=7.28410 -3 m 3 /s 安徽工程大学 15 查得 20% (V/V)酒精溶液 t平=-3下的 =976m 3 C=1.04kcal 冷却剂的冷却能力为: Q=7.24810 39761.04122400 =35347.6 kcalhr 8330kcal hr 故可选取 8 号槽钢为冷却夹套。 发酵罐冷却面积的计算 考虑生产过程中,随着技术的改进,工艺曲线可能更改,按目前 我国
20、生产工艺曲线看,日降温量较大的为135,为了将来工艺 更改留下裕量,设计取13-5=8为设计的日降温量,取0.6/hr 为 设计的小时降糖量,则由Q0=KA tm 求得冷却面积。 传热系数 K的确定 1)醪液1的计算 t1+t2 2 4 6 8 10 C 25 150 170 185 204 1=0.64C 4 21tt =0.64185 4 513 =198.9kcal/ ho C 2)冷却夹套的 2 的计算 润湿周边 =80(8048.0 )2(431)=276 安徽工程大学 16 de= 湿润周边 流体流动截面面积4 =204mm=20.4 de= 4.20 16.244 =4.74 =
21、0.0474m 20% (V/V)酒精在定性温度t=(42)2=3下 =5.05CP=5.05103 Pas =0.402kcal/hrm =0.468W/ Cp=1.041kcal/=4.358103 J/ =976 =1m/s Re=du /=9160=10 4 故可视为强制湍流流动得 n=0.4 2=0.023/d(Re) 0.8 (Cp/ ) 0.4 =1348.4kcal/hrm 因为计算时冷却盘管为直管,先修正: =(11.77d/R ) =1348.4(11.770.0474/1.829) =1410.3kcal/hrm 3) 筒体部分传热系数K 33221112 21 111
22、A Rs AA b A Rs AKA 代入数据可得: A1-筒体内层传热面面积12.3062 A2-筒体平均传热面积12.3562 安徽工程大学 17 A3-筒体外壁平均传热面积12.304 Rs1-啤酒液污垢系数 0.000675 h/kcal Rs2-冷却剂污垢系数 0.000307 h/kcal 1- 发酵液传热系数 192.5kcal/ h 2- 夹套冷却剂的传热系数206.4kcal/ h -筒体材料导热系数4.562kcal/ h b- 筒体壁厚 0.01m h h h h h h h h K3562.12 00815.0 3062.12 3562.12000307.0 45 01
23、.0 304.12 3562.12000675.0 304.125.193 3562.121 =7.05810 3 所以: K=141.7kcal/ 注:h 为假设夹套高度( m ) 锥形罐筒体需冷却的热量 1)醪液放热 Q醪=Q1Q2 Q1=347650.055146.6=2803.1kcal/hr Q2=347650.95190.6=19855.68kcal/hr 所以 Q 醪=Q1Q2=22658.78kcal/hr 2)外界与罐体的传热量 a. 封头部分 Q1=KF (t 外平t0 附t内) 代入数据得 KF=2.02(10% 1)(328.5 5) =78.88kcal/hr b.
24、筒体部分: 安徽工程大学 18 代入数据: 543 3 32 2 21 1 1 111 AAAAAKF 得:KF=15.67kcal/K Q2=KF (t外平t0 附t内) =1.1 15.67(32+8.5 5) =611.91kcal/hr 筒体冷却面积 A初定 3 .11 9 14 ln 914 2 1 ln 21 t t tt tm Q=KA tm A=22958.78/ (141.711.3)=14.34 则醪液的冷却负荷为: 14.34/34765=0.413/T0.3m3 /T 故冷却面积能够满足要求。 发酵罐冷却面积的确定 1 )筒体部分 由前面叙述可知, 筒体部分相同的冷却段
25、, 选用 8 #槽钢筒 体冷却段面积为 14.34 则槽钢长 =14.34/0.08=179m 取相邻两槽钢间距为80mm 一圈槽钢长: l 0=(3.14 2.4) 2 0.122 ? =7.54m 安徽工程大学 19 179长的槽钢课绕圈数179/7.54 24 圈 则二段各绕 12 圈 冷却高度为 12(8040)40=1400mm 筒体实际冷却面积为 2411.5670.08=22.2 /T 2)锥底部分 锥体部分醪液量为10.2131.0484=10.70kg 锥体部分冷却面积为 10.70 0.439=4.70 /T 则槽钢长为 4.70/0.08=58.76m 绕制高度为 100
26、0mm 3、发酵罐附件的设计及选型 入孔 1) 、选用入孔 BIIPg6Dg4508H1=220JB-64-28 材料 A3钢 2) 、补强圈尺寸确定如下 D 内=484mm D外=760mm 补强圈的厚度 S补 按下式计算,考虑罐体与入孔节均有一定的壁厚裕量,故 补强圈取 8mm S 补=(dS0)/(D2-D1)=(45 0.52)/(76-484)=0.85cm 安徽工程大学 20 视镜 1)选用带劲视镜 Pg6Dg150JB595-64-4 2)补强圈尺寸确定如下: 内径 D1=163mm 外径=300mm 补强圈的厚度 S补按 S被=d*S0/D2-D1=150*8/300-163=
27、8.8mm 考虑罐体与视镜筒节约有一定的壁厚余量,故补强圈取8mm 接管 1)CO2回收接管 YB804-70 Dg40 无缝钢管重 3.6kg/m 法兰 Pg6Dg40HG501058 重 1.219kg 2) 温度计取样接管 见发酵罐总装图 3) 冷却剂进口接管 YB804-70 Dg50 无缝钢管重 4.65kg/m 法兰 Pg6Dg50HG501058 重 1.348kg 4) 滤酒管 YB804-70 Dg50不锈钢管重 7.15kg/m 法兰 Pg6Dg50HG501058 重 2.38kg 去滤酒馆于管内高度为1.2m即 1200mm 5) 麦汁进料及 Y排放接管 Dg125球阀
28、控制酒量 Dg50 玻璃视镜观测 Y排放情况 Dg50 接管 安徽工程大学 21 三、发酵罐的计算特性和规范 1、技术特性 本例按 JB74180 钢制焊接压力容器技术条件:及“SB5111 ”不锈 钢耐酸性钢及碳钢、 II 类设备进行制造试验。 设备制造完毕后,设备内壁所有内表面焊缝须打磨光滑平缓过渡, 但须保证用材料同样厚度。 立板焊接时应与底轴垂直,两块立板之间得分布误差不大于0.10 设备安装后轴线对基础的不垂直度在全场上不大于10mm ,设备在 现场就位安装。 设备组焊后,封头筒体锥形底的400轴线在总高度范围内的不垂 直度15mm 设备应进行下列实验: 1)液压实验罐内 3.5kg
29、f/cm 2 夹套内 3.5kgf/cm 2 2)气压实验罐内 3kg/cm 2 夹套内 3kg/cm 2 设备内应涂白色7535底漆层及面漆 2 层 设备碳钢外露表面应涂Y351-1红丹油防锈漆 2 层 设备保温罐外喷聚氨厚度200mm 2、发酵罐规范表 30m 3 圆柱锥底发酵罐的规范表 安徽工程大学 22 名称30m 3 圆柱锥底发酵罐 罐体规格:直径( mm )2400 柱体高度( mm )6614 总高度( mm )9008 总容积 m 335.5 有效容积 m 322.25 罐利用率63.3% 材质A3钢 钢板厚度:圆柱部分( mm )8 上封头( mm )10 圆锥部分( mm )10 工作压力( /2 ) :罐内2.5 罐外0.3 冷却形式槽钢盘绕罐体的三段冷却 冷媒20% 酒精溶液( 4) 冷却面积 m 2 /T 26.9 工作温度():罐内012 罐外44 外壁保温层聚氨酯硬质泡沫材料 安徽工程大学 23 内壁涂料环氧树脂 保护层
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