工程大学课程设计任务书班级：姓名：课题名称：生物反应器设计（啤酒露天发酵罐设计）指定参数：1.全容：m32.容积系数：3.径高比：4.锥角：5.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）⑴封面⑵完成生物反应器设计化工计算⑶完成生物反应器设计热工计算⑷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1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的任务。

接受学生签字：生物工程教研室2010-11-15发酵罐设计第一节 发酵罐的化工设计计算 一、 发酵罐的容积确定由指定参数：V 全= 30m 3 ∅=85%则：V 有效=V 全*∅= 25.5 m 3 二、 基础参数选择1、D ：H ：由指定参数选用D ：H=1：42、锥角：由指定参数取锥角为9003、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，槽钢材质为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：2.5KG/CM 3外压：0.3KG/CM 36、锥形罐材质：A3钢外加涂料，接管均用不绣钢7、保温材料：硬质聚氨酯泡沫塑料，厚度200mm8、内壁涂料：环氧树脂 三、D 、H 的确定由D ：H=1：4，则锥体高度H 1=D/2tg450=0.5D 封头高度H 2=D/4=0.25D圆柱部分高度H 3=（4.0-0.5-0.25）D=3.25D 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=0.131D 2+0.131D 2+2.551D 2=30 得D=2.20m查JB1154-74《椭圆形封头和尺寸》取发酵直径D=2400mm 再由V 全=30cm 2，D=2.4m 得径高比为： D:H=1：2.8 由D=2400mm 查表得椭圆封头几何尺寸为： h 1=600mm （曲面高度） h 0=25mm （直边高度） F=6.41m2（内表面积） V=1.93m3（容积）筒体几何尺寸为： H=6624mm F=36.90m 2V=22.14m 3锥体的几何尺寸为： h 0=25mm r=360mm H=1200mm F=()220.70.3cos 0.644sin d a aππ⎡⎤-++⎢⎥⎣⎦=3.705m 2V=()230.70.3cos 0.7224d a tga ππ⎡⎤++⎢⎥⎣⎦=2.80m 2 则：锥形罐总高：H=600+25+4896+25+1200=6746mm 总容积：V=1.93+22.14+2.80=26.87m 3 实际充满系数ψ：25.5/26.87=94.9% 罐内液柱高：H 丿= （25.5-2.80）*4*102/2.42+（1200+25）=6260mm三、 发酵罐的强度计算（一） 罐体为内压容器的壁厚计算 1、 标准椭圆封头设计压力为1.1*2.5=2.75KG/cm 2 S=[]2tPDg C P+σϕ-式中：P=2.75 KG/cm 2[]t σ：A3钢工作温度下的许用力取1520 KG/cm 2 ϕ ：焊接系数，本例采用双面对接焊作为局部无 探伤0.9壁厚附加量：C=C1+C2+C3 查表得：C1;钢板厚度的负偏差取0.8mm 负偏差 C 2:腐蚀裕量取2mm C 3;制造减薄量取0.6 则；S=[2.75*2400/(2*1520*0.9-2.75)]+3.4=5.8 取S 0=6mm直角边h0=25mm校核∂=(PD中/4S)*(D中/2h)=[2.75*(2400+6)/（4*6）]*[(2400+6)/（2*600）]=552.75<=[∂]t2.筒体P设=1.1*（p工作+p静）=1.1*（2.5+0.61）=3.42kg/cm2 S=[PD/([∂]℘-P)]+C（C2=0.6,C2=2,C3=0.6）=[(3.42*2400)/(2*1520*0.9-3.42)]+3.4=6.4mm 取S=8mm校核∂=PD中/2S=588<=[∂]t℘3.锥形封头1）过渡区壁厚S=[（K P设Dg）/(2[∂]t-0.5P)]+CP设=1.1*(2.5+0.9)=3.74kg/cm2（其中0.9为静压）K=0.75S=[（K P设Dg）/(2[∂]t-0.5P)]+C=(0.75*3.74*2400)/(2*1520*0.9-0.5*3.74)+C=2.46+C=2.46+0.6+0.246=5.31mm2）锥体S=[（f* P设Dg）/( [∂]t-0.5P)]+CS0=[（f* P设Dg）/( [∂]t-0.5P)]=(0.60*3.74*2400)/(1520*0.9-0.5*3.74)(f查表为0.60) 依据《化工设备机械基础》=3.94S=S0+C=3.94+0.6+2+0.394=6.937取S=8mm h0=25mm校核锥体所受的最大压力处∂=PD中/2Scos450=3.74*（2400+8）/2*10* cos450=636.81<=[∂]t(二)、锥体为外压容器的壁厚计算1、标准椭圆封头设S0=5mmR内=0.9Dg=2160mmR内/100S0=2160/100*5=4.32查表4-1及B=260（依据化工容器设备设计手册）[P]=B*S0/ R内=260*5/2160=0.6kg/cm2>0.3 kg/cm2满足要求取C1=0.5mm，C2=2mm，C3=0.5mm则S=S0+C=8mm2.筒体设S0=6mm L/D=0.69 D=2400/6=400查表4-1及B=200【P】=200*6/2400=0.5 kg/㎠S0=6mm故可取C1=0.6mm,C2=2mm,C3=0.6mm则S=S0+C=9.2mm，取S=10mm3.锥形封头因为：α=45°所以22.50°﹤α﹤60°按第四章发酵罐设计中的封头设计可知，加强圈间中椎体截面积最大直径为：2*2740/2*tan45°=1918.6mm取加强圈中心线间椎体长度为1370mm设S0=6mm L/D=1370/2400=0.57D/ S0=2400/6=400查图表4-1可知及B=250【P】=BS0/D=250*6/2400=0. 625﹥0.3 kg/㎠故取S0=6mm C1=0.6mm，C2=2mm，C3=0.6mm所以S=S0+C=9.2mm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10mm h0=25mm圆筒壁厚10mm标准形封头壁厚12mm h0=25mm五、锥形罐的强度校核1、内压校核液压试验P试=125P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=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 ⨯（2400+12-3.2）/2*(12-3.2) =563.6kg/cm20.9ϕσ=0.9*0.9*2400=1944kg/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*2400/1000=4.8mm而设计时取壁厚为S=10mm，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，筒体二段，锥部一段，夹套工作压力为2.5kg ／cm2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12o（主发酵5-6天，封头及筒体部分保温层厚度为200mm，锥底部分为98mm）二、总发酵热计算Q=q*v=119*24=8330kg/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=hb-截面积=8*4.3-10.24=24.16cm2冷却剂流量为（三段冷却）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=976kg/m3C=1.04kcal/kg·o C冷却剂的冷却能力为：Q=7.248×103×976×1.041×2×3600=53021.4kcal/hr﹥8330kcal/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Q6=KA △t m求得冷却面积。

1.传热系数K的确定1）醪液α1的计算α1=0.64×C×4=0.64×185×4=185.3kcal/㎡h°C2)冷却夹套的α2的计算湿润周边=80+（80+4*8.0）+2*（43-1）de==204mm=20.4cmde=4*24.16/20.4=4.74cm=0.0474m20%（v／v）酒精在定性温度t=（-4-2）/2=-3℃下μ=5.05CP=5.05×103Pa·s=0.402kcal/hrm℃=0.468W/m℃Cp=1.041kcal/kg℃=4.358×103J/kg℃=976kg/㎡μ=1m/sRe=du /μ=9160=104故可视为强制湍流流动得n=0.4α2=0.023 /d(Re)0.8(Cp μ/ )0.4=1348.4kcal/hr ·m ·℃ 因为计算时冷却盘管为直径的，先修正： α’=α(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K =++ 代入数据可得： 1/k= =所以：K=kcal/㎡°C 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 Q 1=kcal/hr Q 2=kcal/hr 所以 Q 醪=Q 1+Q 22）外界与罐体的传热量 A.封头部分Q 1=KF 带入数据得KF= Q 1=KF =t t t +-外平附内（）t t t +-外平附内（）= B.筒体部分： 带入数据： 123112233405111KF A A A A A δδδαλλλα=++++得：KF=Q 2=KF = =3.筒体冷却面积A 初定12m12149t 11.3C 14ln ln 9t t t t ∆-∆-∆==︒∆∆m Q KA t =∆A= 则醪液的冷却负荷为：故冷却面积能够满足要求。