安徽工程大学课程设计任务书课题名称：生物反应器设计（啤酒露天发酵罐设计）姓名：吕超绍指定参数：1．全容：40m32．容积系数：75%3．径高比：1：34．锥角：7005．工作介质：啤酒设计内容：1．完成生物反应器设计说明书一份（要求用A4纸打印）1)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2．完成生物反应器总装图一份（用CAD绘图A4纸打印）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. 化工制图露天发酵罐设计计算步骤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=40m3的发酵罐则V有效=Ｖ全×∅=40×75%= 30m3（∅为容积系数）二、基础参数选择1．D:H: 选用D:H=1:32．锥角：取锥角为7003．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A3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=1：3，则锥体高度H1=D/2tan350=0.714D(350为锥角的一半)封头高度H 2=D/4=0.25D圆柱部分高度H 3=（3.0-0.714-0.25）D=2.04D 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=0.187D 3+0.13D 3+1.60D 3=40 得D=2.75m查JB-T4746-2002《椭圆形封头和尺寸》取发酵直径D=2800mm再由V 全=40m 3，D=2.8m 得径高比为： D: H=1:2.9 由D=2800mm 查表得 椭圆封头几何尺寸为：h 1=700mm h 0=40mm F=8.85m 2V=3.12m 3筒体几何尺寸为：H=5712mm F=50.24m 2V=35.17m 3锥体的几何尺寸为：h 0=40mm r=420mm H=2169mm F=()220.70.3cos 0.644sin d a a ππ⎡⎤-++⎢⎥⎣⎦=0.619m 2V=()230.70.3cos 0.7224d a tga ππ⎡⎤++⎢⎥⎣⎦=13.597 m 3 则：锥形罐总高：H=700+5712+2169+40+40=8661mm 总容积：V=3.12+35.17+4.105=42.395 m 3实际充满系数ψ：30/42.395=70.8% 罐内液柱高：H 丿=4/8.2*597.13302π-*102+(2169+40)=2475mm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/cm 2S 0=PPD -ϕσ][2内+C式中：P=2.75 kg/cm 2[]t σ：A 3钢工作温度下的许用力取1520 kg/cm 2ψ ：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=C 1+C 2+C 3查表得：C 1：钢板厚度的负偏差取0.8㎜负偏差 C 2：腐蚀裕量取2㎜ C 3：制造减薄量取0.6㎜ 则：S=[2.75*2800/(2*1520*0.9-2.75)]+3.4=6.22㎜取S0=7mm直角边h0=40mm校核σ=(PD中/4S0)*(D中/2h1)=[2.75*(2800+7)/4*7]*[(2800+7)/（2*700）]=552.75<=[σ]t2.筒体P设=1.1*（p工作+p静）=1.1*（2.5+0.61）=3.42kg/cm2S=[PD/(2[σ]φ-P)]+C （C1=0.6,C2=2,C3=0.6） =[(3.42*2800)/(2*1520*0.9-3.42)]+3.2=6.70 mm取S=7mm校核σ2=P设D中/2S=7*2)72800(*42.3=685.71<=[σ]t φ3．锥形封头1）过渡区壁厚S=[（K P设Dg）/(2[σ]tφ-0.5P)]+CP设=1.1*(2.5+0.9)=3.74kg/cm2（其中0.9为静压）折边锥体的系数K值K=0.75S=[（K P设Dg）/(2[∂]tφ-0.5P)]+C=(0.75*3.74*2800)/(2*1520*0.9-0.5*3.74)+C =2.87+C=2.87+0.6+2+0.369 =5.84mm2）锥体S=[（f* P Dg）/( [∂]tφ-0.5P)]+CS0=[（f* P设Dg）/( [∂]tφ-0.5P)]=(1.4*3.74*2800)/(1520*0.9-0.5*3.74)(f=1/cosа=1/0.7=1.4)=4.61mmS=S0+C=4.61+0.6+2+0.461 =7.671mm取S=8mm h0=40mm校核锥体所受的最大压力处σ=PD中/2Scos350=3.74*2807/2*8* cos350=400.6<=[σ]t(二)、锥体为外压容器的壁厚计算1．标准椭圆封头Ri规定：标准椭圆封头Ri=0.9D内S0=5mmR内=0.9Dg=0.9*2800=2520mmR内/100S0=2520/100*5=5.04查表得B=275[P]=B*S0/ R内=275*5/2520=0.54kg/cm2>0.3 kg/cm2满足要求取C1=0.5㎜，C2=2㎜，C3=0.5㎜则S=S0+C=8㎜2．筒体设S0=6㎜L/D=0.69D=2800/6=450mm查表的B=210[P]=210*6/2800=0.45㎏/㎝2>0.3㎏/㎝2S0=6㎜故可取C1=0.6㎜，C2=2㎜,C3=0.6㎜则S=S0+C=9.2mm取S=10mm3．锥形封头因为：ˇａ=350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*2740/2*tan350=1918.6㎜取加强圈心线间椎体长度为1370㎜设S0=6㎜L/D=1370/2800=0.49D/S0=2800/6=466.6mm查表的B=320[P]=BS0/D=320*6/2800=0.68>0.3㎏/㎝2故取S0=6㎜C1=0.6㎜，C2=2㎜，C3=0.6㎜所以S=S0+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㎜ h0=40㎜圆筒壁厚 10㎜锥形封头壁厚 12㎜ h0=40㎜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= P试[]()2()Dg S CS C⎛⎫+-⎪-⎝⎭=4.68 ⨯)2.312(*2)] 2.312( 2800[--+=746.9 kg/cm20.9ϕσ=0.9*0.9*2400=1944 kg/cm2>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*2800/1000=5.6mm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/m3C P=1.04kcal/kg·℃冷却剂的冷却能力为:Q=7.248*10-3*976*1.04*2*2800=41238.9kcal/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*4512- =193.5kcal/m 2·h ·℃ 2)冷却夹套的а2的计算湿润周边=80+（80+4*8.0）+2*（40-1）=276mm 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=5.05Pa·sλ=0.402kcal/hr ·m ·℃=0.468W/m ·℃ C ρ=1.04kcal/kg ·℃=4.358*103J/kg ·℃ ρ=976kg/m 3u=1m/sRe=du ρ/µ=9750=104故可视为强制湍流流动得n=0.4а2=0.023λ/d(Re)0.8(C ｐµ/λ)0.4=1797.9kcal/hr ·m ·℃因为计算时冷却盘管为直管的，先修正： а=а2（1+1.77d/R ）=1797.9*(1+12) *0.0474/1.829 =605.7kcal/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：K1=h h304.11*3.1853554.11+h h304.113354.11*000675.0+562.14*54.401.0+562.14*4.206564.14+h562.14564.14*000307.0=12.99*10-3所以：K=77.0kcal/㎡·℃ 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 2 降糖放热Q 1=N*q*V 1N-简体部分所占醪液量：42=40170kg q-1kg 麦芽糖发酵时放出的热量：146.6kcal/kgV 1 –降糖速度0.052Bx/h Q 1=32861*0.055*10-2*146.6=2649.6kcal/hr降温放热Q 2=N λV 2Λ-醪液传热系数0.95kcal/kg ℃ V 2 –降温速录0.6℃/hv Q 2=32861*0.95*0.6=18730.8kcal/hr 所以 Q 醪=Q 1+Q 2=21360kcal/hr 2）外界与罐体的传热量A.封头部分Q 3=KF(t 外平+t 0附-t 内) 带入数据得KF=2.03 Q 3=KF(t 外平+t 0附-t 内) =78.81kcal/hrB.筒体部分：带入数据到下式：123112233405111KF A A A A A δδδαλλλα=++++得：KF=13.8kcal/K ℃ Q 4=1.1KF(t 外平+t 0附-t 内) =618.13kcal/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=2121lnt t t t ∆∆∆-∆=11.30C A=22057/136.5*11.3=14.3 m 2则醪液的冷却负荷为：26.4/62110 =0.425m3/T>0.3 m3/T故冷却面积能够满足要求。