安徽工程大学课程设计任务书班级：课题名称：生物反应器设计（啤酒露天发酵罐设计）学生姓名：指定参数：1．全容：50m32．容积系数：75%3．径高比：1：24．锥角：9005．工作介质：啤酒设计内容：纸打印）1．完成生物反应器设计说明书一份（要求用A41)封面2)设计任务书3)生物反应器设计化工计算4)完成生物反应器设计热工计算5)完成生物反应器设计数据一览表纸打印）2．完成生物反应器总装图一份（用CAD绘图A4设计主要参考书：1．生物反应器课程设计指导书2．化学工艺设计手册3．机械设计手册4．化工设备5．化工制图接受学生承诺：本人承诺接受任务后，在规定的时间内，独立完成任务书中规定任务接受学生签字：生物工程教研室2010-11-15啤酒露天发酵罐设计第一节 发酵罐的化工设计计算一、发酵罐的容积确定在选用时V 全=50m 3的发酵罐则V 有效=Ｖ全×∅=50×75%= 37.5m 3（∅为容积系数）二、基础参数选择1．D:H: 选用D:H=1:2 2．锥角： 取锥角为900 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（罐体两段，锥体一段，槽钢材料为A 3钢，冷却介质采用20%、-4℃的酒精溶液 5．罐体所承受最大内压：2.5㎏/㎝3 外压：0.3㎏/㎝36．锥形罐材质：A3钢外加涂料，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：环氧树脂三、D 、H 的确定由D:H=1：2，则锥体高度H 1=D/2tan450=D/2(450为锥角的一半) 封头高度H 2=D/4=0.25D圆柱部分高度H 3=（2-0.5-0.25）D=1.25D 又因为V 全=V 锥+V 封+V 柱=3π×D 2/4×H 1+24π×D 3+ 4π×D 2×H 3=50 m 3 得D=3.43m查JB-T4746-2002《椭圆形封头和尺寸》取发酵直径D=3400mm 再由V 全=50m 3，D=3.4m得径高比为： D: H=1:2由D=3400mm 查表得 椭圆封头几何尺寸为：h 1=850mm h 0=50mm F=13.0m 2 V=5.60m 3 筒体几何尺寸为： H=4137mm F=38.115m 2 V=44.856m 3 锥体的几何尺寸为： h 0=50mm r=471mm H=1895mm F=()220.70.3cos 0.644sin d a a ππ⎡⎤-++⎢⎥⎣⎦=19.43m 2V=()230.70.3cos 0.7224d a tga ππ⎡⎤++⎢⎥⎣⎦=9.74m 3则：锥形罐总高：H=850+50+4137+50+1895=6982mm 总容积：V=5.60+44.856+9.74=60.196 实际充满系数ψ：37.5/60.196=62.3% 罐内液柱高：H 丿=4/6.3*74.95.372π-*102+(3002+50)=6706.3mm 四、发酵罐的强度计算（一）罐体为内压容器的壁厚S 计算 1.标准椭圆封头设计压力为P=1.1*2.5=2.75kg/cm2S 0=PPD-ϕσ][2内+C式中：P=2.75 kg/cm2[]tσ：A3钢工作温度下的许用力取1520 kg/cm2ψ：焊接系数，本例采用双面对接焊作为局部无探伤ψ=0.9壁厚附加量：C=C1+C2+C3查表得：C1：钢板厚度的负偏差取0.8㎜负偏差C2：腐蚀裕量取2㎜C3：制造减薄量取0.6㎜则：S=[2.75*2700/(2*1520*0.9-2.75)]+3.4=6.1㎜取S=8mm直角边h=40mm校核σ=(PD中/4S)*(D中/2h1)=[2.75*(3400+8)/4*8]*[(3400+8)/（2*850）] =587.12<=[σ]t2.筒体P设=1.1*p工作=1.1*2.5 =2.75kg/cm2S=[PD/(2[σ]φ-P)]+C （C1=0.6,C2=2,C3=0.6）=[(2.75*3400)/(2*1520*0.85-2.75)]+3.2 =6.8 mm取S=7mm校核σ2=P设D中/2S=7*2)73400(*75.2+=669.23<=[σ]t φ 3．锥形封头 1）过渡区壁厚S=[（K P 设Dg ）/(2[σ]t φ-0.5P)]+C P 设=1.1*2.5=2.75kg/cm 2 折边锥体的系数K 值 K=0.7161S=[（K P 设Dg ）/(2[∂]t φ-0.5P)]+C=(0.7161*2.75*3400)/(2*1520*0.9-0.5*2.75)+C=2.45+C=2.45+0.6+2+0.369 =5.42mm 2）锥体S=[（f* P Dg ）/( [∂]t φ-0.5P)]+C S 0=[（f* P 设Dg ）/( [∂]t φ-0.5P)]= (0.577*2.75*3400)/(1520*0.9-0.5*2.75) =3.95mmS=S 0+C=3.95+0.6+2+0.217 =6.767mm 取S=10mm h 0=40mm 校核锥体所受的最大压力处 σ=PD 中/2Scos450=2.75*3400/2*10* cos450=935<=[σ]t(二)、锥体为外压容器的壁厚计算 1．标准椭圆封头设S=8mm S 0=S -C=5mm D 0=D i +2S=3400+16=3416mm R i =0.9D 0=3074.4mm R i /S 0=3074.4/5=614.88mm 按外压球壳算法计算 A= =0.121/614.88=0.000200023AE D S查上表得B=300[P]=B*S 0/ R 内300*5/3060=0.49kg/cm 2>0.3 kg/cm 2 满足要求取C 1=0.5㎜，C 2=2㎜，C 3=0.5㎜ 则S=S 0+C=8㎜ 2．筒体设S=13㎜ D 0=3400+2*6=3412 S 0=S-C=13-3.2=9.8mm L/D 0=6982/3412=2.05 D 0/S 0=3412/9.8=348.2 A 值取0.000792[P]=（R i /S 0）=2*0.000792*2.05*(106/3)*348.2=0.379kg/cm 2>0.3kg/cm2故可取C 1=0.6㎜，C 2=2㎜,C 3=0.6㎜ 则取S=13mm 3．锥形封头 因为：ａ=450所以22.500<ａ<600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*1895/2*tan450=1895㎜取加强圈心线间椎体长度为950㎜设S=6㎜L/D=950/3400=0.28D/S=3400/6=566.7查表的B=110[P]=BS/D=110*6/566.7=1.16kg/cm2>0.3㎏/㎝2故取S=6㎜C 1=0.6㎜，C2=2㎜，C3=0.6㎜所以S=S+C=9.2mm取S=10㎜综合前两步设计，取两者中较大的有生产经验确定标准椭圆型封头厚度为10㎜ h=50㎜圆筒壁厚 13㎜锥形封头壁厚 12㎜ h=50㎜五．锥形罐的强度校核1．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重之处即最危险设计压力P设=3.74kg/cm2液压实验P试=1.25P=4.68kg/cm2查得A3钢σ=2400kg/cm2σ试=、[]()2()Dg S CS C⎛⎫+-⎪-⎝⎭=4.68 ⨯)2.312(*2)] 2.312( 3400[--+=906cm20.9ϕσ=0.9*0.9*2400=1944>σ试可见符合强度要求，试压安全2、外压实验以内压代替外压P=1.5*（0.3+1.2）=2.25kg/cm2P试=1.25P=2.8kg/cm2<P内试故可知试压安全3．刚度校核本例中允许S=2*3400/1000=6.8mm而设计时取壁厚为S=10m，故符合刚度要求（公式：S最小=21000D内）第二节发酵罐热工设计计算一、计算依据计采用A3钢作发酵罐材料，用8号槽钢做冷却夹套，分三段冷却，筒体两段，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出为-2℃，麦汁发酵温度维持12°主发酵5-6天，封头及筒体部分保温层厚度为200㎜，锥底部分为98㎜）二、总发酵热计算Q=q*v=119*37.5=4462.5㎏/hrq每立方米发酵麦汁在主发酵期间每小时的放热量v为发酵麦汁量三、冷却夹套型号选择选取8号槽钢起截流面积为A=h b--截面积8*4.3-10.24=24.16㎝2冷却剂流量为（三段冷却） u=1m/s3*24.164*10-4*1=7.284*10-3m3/s查得20%（V/V ）酒精溶液△t 平=-3℃下的 ρ=976kg/m 3 C P =1.04kcal/kg ·℃ 冷却剂的冷却能力为: Q=7.248*10-3*976*1.04*2*3400 =50027.7kcal/hr>4462.5kcal/hr 故可选取8号槽钢为冷却夹套 四、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，按目前我国工艺曲线看，日降温量较大的为13℃→5℃，为了将来工艺更改留下余量，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Q 0=KA △t m 求的冷却面积。

1．传热系数K 的确定 1）醪液а1的计算 а1=0.64*C*421t t - =0.64*185*4513- =199.1kcal/m 2·h ·℃ 2)冷却夹套的а2的计算湿润周边=80+（80+4*8.0）+2*（43-1）=276mm=27.6cm De=湿润周边流体流动截面面积*4de=4*24.16/27.6=0.035m20%(V/V)酒精在定性温度t=(-4-2)/2=-3℃下 µ=5.05*103Pa ·sλ=0.402kcal/hr ·m ·℃=0.468W/m ·℃ C ρ=1.041kcal/kg ·℃=4.358*103J/kg ·℃ ρ=976kg/m 3 u=1m/sRe=du ρ/µ=9160=104故可视为强制湍流流动得n=0.4 а2=0.023λ/d(Re)0.8(C ｐµ/λ)0.4 =1348.4kcal/hr ·m ·℃因为计算时冷却盘管为直管的，先修正： а=а2（1+1.77d/R ）=1348.4*(1+12) *0.0474/1.829 =1410.3kcal/hr ·m ·℃ 3)筒体部分传热系数K21KA =111A a +11A Rs +2A b λ+321A α+32A Rs 带入数据可得：K 1=h h 304.11*3.1853554.11+h h 304.113354.11*000675.0+562.14*54.401.0+562.14*4.206564.14 +h 562.14564.14*000307.0=7.352*10-3所以：K=136.02kcal/㎡·℃ 注：h 为假设夹套高度（m ） 2.锥形罐筒体需冷却的热量 1）醪液放热 Q 醪=Q 1+Q 2Q 1=41323*0.055*10-2*146.6=3331.9kcal/hr Q 2=41323*0.95*0.6=39256.9kcal/hr所以 Q 醪=Q 1+Q 2=42588.8kcal/hr 2）外界与罐体的传热量 A.封头部分Q 1=KF(t 外平+t 0附-t 内)带入数据得KF=2.02 Q 3=KF(t 外平+t 0附-t 内) =78.8kcal/hr B.筒体部分：带入数据到下式：123112233405111KF A A A A A δδδαλλλα=++++得：KF=15.67kcal/K ℃ Q 4=1.1KF(t 外平+t 0附-t 内) =6119kcal/hr 3.筒体冷却面积A 初定 由Q=KA △tm 的式中K 为传热系数kcal/m 2h ℃ △ tm=2121ln t t t t ∆∆∆-∆=11.30C A=42588.8/136.5*11.3=35.2m 2 则醪液的冷却负荷为：35.2/41323 =0.852m 3/T>0.3 m 3/T 故冷却面积能够满足要求。