生物反应器课程设计-----啤酒露天发酵罐设计姓名：***班级：生工112学号：********** 露天发酵罐设计1、啤酒发酵罐的化工设计计算 ㈠、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/φ=22.5m 3/75%=30m 3 ㈡、基础参数选择1．D ∶H ：选用D ∶H=1∶4 2．锥角：取锥角为90° 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㎏/cm ³ 外压：0.3㎏/cm ³ 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㈢、D 、H 确定由D ∶H=1∶4，则锥体高度H 1=D/2tan35°=0.714D 封头高度 H 2=D/4=0.25D圆柱部分高度 H 3=（4－0.714－0.25）D=3.036D 又因为V 全=V 封＋V 锥＋V 柱=3231242443H D D H D ⨯⨯∏+⨯∏+⨯⨯∏=0.187D ³＋0.131D ³＋2.386D ³=30m ³ 得D=2.23m查JB1154-73《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 D ∶H=1:3.72 由D=2400mm 查表得 椭圆形封头几何尺寸为：h 1=600mm h 0=40mm F=6.52m 2 V=2.00m 3 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：h 0=40mm r=280mm H=1714mm F=πd 2/4[(0.7+0.3cos α)2/sin α+0.64]=10.64㎡ V=πd 3/24[(0.7+0.3cos α)2/tan α+0.72]=3.60m ³ 则锥形罐体总高：H=600＋40＋6614＋40＋1714=9008mm 总体积：V 全=2.00＋29.9＋3.60=35.5m ³ 实际充满系数ψ=22.5/35.5=63.3% 罐内液柱高：H ′=[22.5-3.75/(3.14×1.22)/4] ×102+(1714+40)=3413㎜ ㈣、发酵罐的强度计算 ⑴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=2.75㎏／㎝² S=[]C PPDg t+-ϕσ2式中：P=2.75㎏／㎝²[σ]：A 3钢工作温度下的许用力取1520. ㎏／㎝²ψ：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=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1.5mm C 3：制造减薄量取0.6则：S=(2.75×2400/2×1520×0.9-2.75)＋3.4=5.814mm 取S 0=8mm 直边高h 0=40mm 校核 σ=⎪⎪⎭⎫⎝⎛h D s PD 24中中 =[2.75×(2400+8)/4×8] ×(2400＋8)/2×900 =369.12≦[δ]t ②．筒体P 设=1.1×(P 工作＋P 静)=1.1×（2.5+0.61）=3.42㎏／㎝² S=[]C PPD+-ϕσ2（取C 1=0.6，C 2=2，C 3=0.6）=3.42×2400/(2×1520×0.9－3.42)＋3.2=6.2mm 取S=7mm 校核σ2=s2中=588.0≦ψ[σ]t③．锥形封头 1）过渡区壁厚 S=[]C PDg KP t+-5.02ϕσ设P 设=1.1×（2.5＋0.9）=3.74㎏／㎝²（0.9为静压） K=0.716 S=[]C PDg KP t+-5.02ϕσ设=0.716×3.74×2400/(2×1520×0.9－0.5×3.74) ＋C =2.35＋C=2.35＋0.6＋2＋0.59 =5.54mm 2)锥体 S=[]C PPDgf t+-⨯5.0ϕσS 0=[]PPDgf t 5.0-⨯ϕσ=0.60×3.74×2400/(1520×0.9－0.5×3.74) （f 查表为0.60） =3.94mmS= S 0＋C=3.94＋0.6＋2＋0.59=7.13mm 取S=8mm h 0=40mm 校核锥体所受最大应力处：σ=中2s45cos=3.74×（2400+8）/(2×10×cos35°)=687.14≦[σ]t⑵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查图表4-1得B=275[P ]=B×S0／R内=275×5／2160=0.64㎏／㎝²＞0.3㎏／㎝²满足要求取C1=0.5mm，C2=2mm，C3=0.5mm则S=S0＋C=8mm②．筒体设S0=5mmL/D=0.69D=2400/6=400查图表4-1得 B=210[P ]=210×6／2400=0.53㎏／㎝²＞0.3㎏／㎝²S0=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=35°所以22.50°＜α＜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： 2×2215／2×tan35°=1551mm取加强圈中心线间锥体长度为1157.5mm设S0=5mmL／D=1157.5／2400=0.482D／S0=2400／5=480查表4-1得B=275[P ]=B×S0/D=275×6/2400=0.69㎏／㎝²＞0.3㎏／㎝²故取S0=6mmC1=0.6mm，C2=2mm，C3=0.6mm所以S= S0＋C=9.2mm取S=10㎜综合前两步设计，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 h0=40mm⑶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中之处即最危险 设计压力 P=3.74㎏／㎝² 液压试验 P 设=1.25P=4.68㎏／㎝² 查得A3钢σ=2400㎏／㎝² ()[]()C S C S Dg P --+=2试试σ=4.68×[2400＋(10-3.2)]/2×(10-3.2) =828.2㎏／㎝²0.9ψσ=0.9×0.9×2400=1944㎏／㎝²＞σ试 可见符合强度要求，试压安全 ②．外压试验 以内压代替外压P=1.5×（S ＋C ）=1.5×（1.0＋0.3）=1.3㎏／㎝² P 试=1.25P=1.63㎏／㎝²＜P 内试 故可知试压安全 ③．刚度校核本设计中允许S=2×2400／1000=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 ㈠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5—6天，封头及筒体部分保温层厚度为200mm，锥底部分为98mm）㈡总发酵热计算Q=q×v=119×22.5=2677.5㎏／hrq每立方米发酵麦汁在主发酵期间每小时放热量；v为发酵麦汁量㈢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=24.16㎝²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Δt平=-3℃下的ρ=976㎏／m³Cρ=1.04kcal／㎏·℃冷却剂的冷却能力为：Q=7.248×103×976×1.041×2×2400=35347.6 kcal／hr＞8330kcal／hr故可选取8号槽钢为冷却夹套。

㈣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，按目前我国生产工艺曲线看，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 Δtm 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 ×421t t -=0.64×185×4513- =198.9kcal/㎡h º C 2）冷却夹套的α2的计算润湿周边=80＋（80＋4×8.0）＋2×（43－1）=276㎜de=湿润周边流体流动截面面积⨯4=204mm=20.4㎝ de=4.2016.244⨯=4.74㎝=0.0474m 20%（V/V ）酒精在定性温度t=（﹣4－2）／2=﹣3℃下μ=5.05CP=5.05×10³Pa ·s λ=0.402kcal/hrm ℃=0.468W/㎏℃ C p =1.041kcal/㎏℃=4.358×10³J/㎏℃ ρ=976㎏／㎡ υ=1m/sRe=du ρ/υ=9160=104故可视为强制湍流流动 得n=0.4α2=0.023λ/d(Re)0.8(C p μ/λ)0.4=1348.4kcal/hr ·m ·℃因为计算时冷却盘管为直管，先修正： α=α（1＋1.77d/R ）=1348.4×(1＋1.77×0.0474/1.829) =1410.3kcal/hr ·m ·℃ 3)筒体部分传热系数K3322111221111A Rs A A b A Rs A KA ++++=αλα 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㎡ 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 ℃ Λ-筒体材料导热系数4.562kcal/㎡h ℃ b-筒体壁厚0.01mhh h h h h h h K 3562.1200815.03062.123562.12000307.04501.0304.123562.12000675.0304.125.1933562.121+⨯++⨯+⨯==7.058×10﹣3所以：K=141.7kcal/㎡·℃ 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=34765×0.055×146.6=2803.1kcal/hr Q 2=34765×0.9519×0.6=19855.68kcal/hr 所以 Q 醪=Q 1＋Q 2=22658.78kcal/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）代入数据得 KF=2.02×（10%＋1）×（32＋8.5－5） =78.88kcal/hr b.筒体部分： 代入数据：54333222111111A A A A A KF αλδλδλδα++++= 得：KF=15.67kcal/K ·℃ Q 2=KF （t 外平＋t 0附－t 内） =1.1×15.67×(32+8.5－5) =611.91kcal/hr③筒体冷却面积A 初定3.11914ln 91421ln 21=-=∆∆∆-∆∆t t t t t m ℃Q=KA Δt mA=22958.78/（141.7×11.3）=14.34㎡ 则醪液的冷却负荷为：14.34/34765=0.413㎡/T ＞0.3m ³/T故冷却面积能够满足要求。