第一章啤酒露天发酵罐的化工设计计算一、发酵罐的容积确定实际需要选用V全=40m3的发酵罐则V有效=V全× =40×80%=32 m3二、基础参数选择1. D:H 选用D:H=1:32.锥角：取锥角为70°3.封头：选用标准椭圆封头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.罐体所承受最大压：2.5㎏／cm3外压：0.3㎏／cm36.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.壁涂料：环氧树脂三、 D、H的确定由D:H=1:2 ，则锥体高度H1=D／2tg35°=0.714D封头高度H2=D／4=0.25D圆柱部分高度H3=（2.0-0.714-0.25）D=1.04D又因为V 全=V 锥+V 封+V 柱=3π×2D 4×H 1+24π×D 3＋4π×D 2×H 3 =0.187D 3+0.13D 3+0.816D 3=40得D=3.30m查JB1154-73《椭圆形封头和尺寸》取发酵直径D=3400mm再由V 全=40cm 3 ，D=3.4m设H: D=x0.187 D 3＋0.13 D 3＋（x-0.714-0.25）D 3=40X=1.86得径高比为D:H=1:1.86由D=3400mm 查表得椭圆形封头几何尺寸为：h 1=850mmh 0=50mmF=13.0m 2V=5.60m 3筒体几何尺寸为：H=2946mmF=31.46 m 2V=47.42m 3锥体封头几何尺寸为：H 0=50mmr=510mH=2428mmF=πd 2／4-[()0.70.32COSa Sina ++0.64]=6.9 m 2V=πd 3／24[（0.7+0.3COSa ）2／tga+0.72]=10.27 m 3则：锥形罐总高：H=575+40+5791+40+1714=8160mm总容积：V=1.76+26.18+3.53=42.6m 3实际充满系数：32／42.6=75%罐液柱高：H ，=321044.327.10-32⨯⨯π+（2428+50）=4873mm 四、发酵罐的强度计算4.1 罐体为压容器的壁厚计算1. 标准椭圆封头设计压力为:1.1*2.5=2.75㎏／cm 2S=[]2PDgC t P ϕσ+- 式中：P=2.75㎏／cm 2[]t σ：A 3钢工作温度下的许用力取1520㎏／cm 2ϕ：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=C 1+C 2+C 3查表得：C 1:钢板厚度的负偏差取0.8mm 负偏差C 2:腐蚀裕量取2mmC 3:制造减薄量取0.6mm则： mm 8.64.375.2-9.015202340075.2=+⨯⨯⨯ 取 S 0=7mm直边高：h 0=50mm校核D D 42P s h σ⎡⎤=⎢⎥⎣⎦中中 =()850273400747340075.2⨯+⨯⨯+⨯ =670.6≤[]σt2. 筒体P 设=1.1×（P 工作+P 静）=1.1*（2.5+0.61）=3.42㎏／cm 2S=[]2PD C P σϕ+- （取C 2=0.6,C 2=2,C 3=0.6） =mm 5.72.342.3-9.015202340042.3=+⨯⨯⨯ 取S=8mm校核σ2=PD/2s=728.5≤ϕt3. 锥形封头(1) 过渡区壁厚S= []P 20.5K Dg C Pϕσ+-设 P 设=1.1*（2.5+0.9）=3.745㎏／cm 2（0.9为静压）K=0.75S=[]P 20.5K Dg C Pϕσ+-设 =C +⨯⨯⨯⨯⨯74.35.0-9.015202340074.375.0 =3.49+C=3.49+0.6+2+0.369=6.46mm(2) 锥体S=[]*0.5f PDg t P ϕσ-+C S 0=[]*0.5f PDg t P ϕσ-=6.574.35.0-9.01520340074.360.0=⨯⨯⨯⨯（f 查表为0.60）S=S 0+C=5.6+0.6+2+0.59=8.57取S=10mm h 0=40mm校核锥体所受最大应力处：D 235P sCos σ=︒中 ==︒⨯⨯⨯35cos 102341074.3=778.5[]σ≤t4.2锥体为外压容器的壁厚计算1.标准椭圆封头设S 0=5mmR=0.9D g =3060mmR/100S=3060/（100×5）=6.12查图表4-1及B=275[P]=B*S0/R=275*5/3240=0.43kg/cm2>0.3kg/cm2满足要求取C1=0.5mm，C2=2mm，C3=0.5mm则S=S0+C=8mm2.筒体设S0=6mmL/D=0.86S0/ D=2400/6=400查图表4-1及B=210[P]=210×6/3400=0.37kg/cm2>0.3kgS0=6mm故可取C1=0.6mm，C2=2mm，C3=0.6mm则S=S0+C=9.2mm或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可知，加强圈间中锥体截面积最大直径为：（2 × 2428/2 ）×tg35°=1700mm取加强圈中心线间锥体长度为1214mm设S0=6mmL/D=857/3400=0.36D/S0=3400/6=566.7查图表4-1及B=320[P]=BS0/D=320*6/3400=0.53>0.3kg/cm2故取S0=6mmC1=0.6mm，C2=2mm，C3=0.6mm所以 S=S0+C=6+3.2=9.2取S=10mm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=50mm圆筒壁厚 10mm标准形封头壁厚 12mm h0=50mm五、锥形罐的强度校核5.1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/cm3σ试=P试[D g+（S-C）]/2(S-C)=4.68*[3400+(12-3.2)]/2*(12-3.2)=890.9kg/cm20.9ψσ=0.9*0.9*2400=1944kg/cm2>σ试可见符合强度要求，试压安全5.2外压实验以压代替外压P=1.5*(0.3+1.2)=2.25kg/cm2P试=1.25P=2.8kg/cm2<P试故可知试压安全5.3刚度校核本例中允许 S=2*3400/1000=6.8mm而设计时取壁厚为S=10mm，故符合刚度要求（公式：S最小=2D/1000）第二章发酵罐热工设计计算一、计算依据计采用A3刚作发酵罐材料，用8号槽钢做冷却夹套，分三段冷却，筒体二段，椎部一段，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12℃（主要发酵5-6天，封头及筒体部分保温层厚度为200mm，椎底部分为98mm）二、总发酵热计算Q=q*v=119*32=3808kg/hrq为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1、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Δt平=-3℃下的ρ=976kg/m3Cρ=1.04kcal/kg·℃冷却剂的冷却能力为：Q=7.248*103*976*1.041*2*3400=60082kcal/hr故可选取8号钢槽为冷却夹套。

2、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℃到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为设计的小时降温量，则由Q=KAΔt m求得冷却面积。

2.1传热系数K的确定2.1.1醪液α1的计算α1=0.64*C*2t-1t=0.64*185*511-=185.3kcal/m2·h·℃2.1.2冷却夹套的α2的计算湿润周边=80+（80+4*8.0）+2*（43-1）de=（4*流体流动截面面积）/湿润周边=276mm=27.6cmde=4*24.16/27.6=3.5cm=0.035m20%（V/V）酒精在定性温度t=（-4-2）/2=-3℃下μ=5.05CP=5.05*103Pa·sλ=0.402kcal/hr·m·℃=0.468W/m·℃C p=1.041kcal/kg·℃=4.358*103J/kg℃ρ=976kg/m2μ=1m/sRe=duρ/μ=9160=104故可视为强制湍流流动得n=0.4α2=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：α、=α（1+1.77d/R）=1348.4*（1+12）*0.0474/1.829=1410.3kcal/hr·m·℃1）筒体部分传热系数K1/K A2=1/α1A1+Rs1/A1+b/λA2+1/α2A3+Rs2/A3代入数据可得：1/K=7.325*10-3所以：K=136.5kcal/m2·℃注：h为假设夹套高度（m）3、锥形罐筒体需冷却的热量1）醪液放热 Q醪=Q1 ’+ Q2’Q1‘ = 37000×0.×146.6 = 2983.3kcal / hrQ2’=37000×0.9519×0.6 =21132kcal / hr 所以,Q 醪=Q1‘+Q2’ =24115kcal / hr2）外界与罐体的传热量a. 封头部分Q1 = KF(t外平+t0附-t）带入数据得KF=0L.2Q1 = KF(t外平+t0附-t）=2.02×（10%+1）×（32+8.5-5）78.72kcal / hrb. 筒体部分：带入数据：1/KF=1/αA1 + δ1/λ1A2 +δ2/λ2A2+δ3/λ2A4+1/αA5 得： KF = 15.67kcal/K·°CQ2=KF(t外平+t0附-t）=1.1×15.6（32+8.5-5）= 6119kcal/hr4、筒体冷却面积A 初定C t t t t t m ︒=-=∆∆-∆∆3.11)9/14ln(/)914()/ln(/)(2121 Q=KA Δt mA=24115/136.5×11.3=15.6m 2 则醪液的冷却负荷为：15.6/37000=0.422m 2/T>0.3m 3/T 故冷却面积能够满足要求。