啤酒发酵罐设计设计.doc

安徽工程大学 生物反应器课程设计-啤酒露天发酵罐设计 姓名：周浩 班级：生工112学号：3110402231目录一、啤酒发酵罐结构与动力学特征1、啤酒的概述2、啤酒发酵容器的演变3、啤酒发酵罐的特点4、露天圆锥发酵罐的结构二、啤酒露天发酵罐设计1、发酵罐的化工设计计算2、发酵罐热工设计计算3、发酵罐附件的设计及选型3、 发酵罐的技术特性和规范 1、技术特性 2、发酵罐规范表四、发酵罐设计图一、啤酒发酵罐结构与动力学特征1、啤酒的概述 啤酒是以大麦和水为主要原料，大米、酒花和其它谷物为辅料经制麦、糖化、发酵酿制而成的一种含有二氧化碳、酒精和多种营养成分的饮料酒。我国是世界上用谷物原料酿酒历史最悠久的国家之一，但我国的啤酒工业迄今只有100余年的历史。改革开放以来，我国啤酒工业得到了很大的发展，生产大幅度增长，发展到现在居世界第二位。由于啤酒工业飞速发展，陈旧的技术，设备将受到严重的挑战。为了扩大生产，减少投资保证质量，满足消费等各方面的需要，国际上啤酒发酵技术在原有传统方法的基础上有很大进展。尤其是采用设计多种形式的大容量发酵和储酒容器。这些大容器，不依靠室温调节温度，而是通过自身冷却来控制温度，具有较完善的自控设施，可以做到产品的均一性，从而降低劳动强度，提高劳动生产率。2、 啤酒发酵容器的演变a发酵容器材料的变化随着产量的增加，容器的材料由陶器向木材，水泥，金属材料演变。啤酒是微酸性饮料，对钢材和水泥有腐蚀性，因此除了不锈钢和优质铝板之外，容器内壁必须图上一层耐腐蚀衬里涂料，以免因材料的影响，引起浑浊与色香味的变化，并便于洗涤，杀菌和啤酒发酵时防止纯粹培养酵母的微生物污染。现在的啤酒生产，主要多采用A3钢和不锈钢。b开放式发酵容器向密闭式转变因容器加大后，发酵时产生大量CO2影响工人的健康，甚至发生危险，加盖密闭以后，既解除了这方面的危险，又有利于CO2的回收利用，并能防止空气中的微生物落入发酵罐，提高了发酵的清洁度。从开放式转向密闭发酵的最大问题是发酵时被气泡带到表面的泡盖的处理。c密闭容器的演变立式锥形底发酵被认为是最理想的啤酒发酵罐。3、 啤酒发酵罐的特点1、单位占地面积的啤酒产量大；而且可以节约土建费用；2、可以方便地排放酵母及其他沉淀物（相对朝日罐、通用罐、贮酒罐而言）；3、发酵温度控制方便、有效，麦汁发酵时对流好，发酵速度快，可以缩短发酵周期（相对卧式罐、发酵槽而言）；4、可以回收利用二氧化碳，并可有利于啤酒的口味稳定性与非生物稳定性（相对开口容器而言）；5、可以一罐多用，生产工艺比较灵活；简化生产过程与操作，而且酒损也现对减少；6、制作相应要比其他发酵罐简单；7、便于自动控制，如自动清洗和自动灭菌，节省人力与洗涤费用，卫生条件好。4、露天圆锥发酵罐的结构（1）罐体部分露天圆锥发酵罐的罐体由灌顶、圆柱体与锥底3部分组成，其中：灌顶：为圆拱形，中央开孔用于可拆卸大直径法兰，以安装CO2与CIP管道及其连接件，罐顶还装有真空阀，安全阀与压力传感器。圆柱体：为发酵罐主体，发酵罐的高度主要决定于圆柱体的直径与径高比，由于大直径的罐耐压低，考虑到使用钢板的厚度，一般直径6.0m。圆柱体外壁主要安装冷却层及保温层，同事安装测温，测压等传感元件。圆锥底：它的夹角多为6090，也有90120，但这多用于大直径的罐及大容量的罐；如夹角过小会使锥体部分很高。露天圆锥发酵罐圆锥底的高度与夹角有关，大致占总高的1/41/3。圆锥底的外壁一般安装冷却夹套、锥底部分需安装进出管道，阀门与视镜、取样管阀、测温、测压的传感原器件或温度计，CO2洗涤装置等。（2）温度控制部分发酵罐的温度控制部分主要由冷却层、保温层、测温元器件、温度记录及温度控制装置等组成，其中：a冷却层是调节发酵罐内液体温度的主要部分，按其结构可分为盘式和夹套式两种；b发酵罐的保温层一般使用聚氨酯泡沫塑料或脲醛泡沫塑料，也有使用聚苯乙烯泡沫塑料，在发泡保温时，为了未来的维修剥离及复原的方便，罐身与发泡塑料之间最好能用塑料薄膜隔离；c发酵罐的测温原器件有直接感应与遥控两种；d发酵罐的温控装置实际起供、断冷却水的作用。（3）操作附件部分发酵罐的操作附件比较多，主要包括：进、出管道、阀门和视镜；CO2回收和CO2洗涤装置；真空/过压保护装置；取样阀；原位清洗装置（CIP）；换间板。（4）仪器与仪表部分发酵罐对一次仪表、二次仪表、记录装置、报警装置以及微机程序控制、自动控制的应用很广泛，这些仪器、仪表主要对发酵罐的物料数量（以容积或液位表示）、压力、温度三个参数进行显示、自动记录、自动控制及报警，还有测定浸出物含量与CO2含量的一次仪表，这样就可以进行真正的自动控制。2、 露天发酵罐设计1、啤酒发酵罐的化工设计计算、发酵罐的容积确定设计需要选用V有效=37.5m3的发酵罐则V全=V有效/=37.5/75%=50m3、基础参数选择1DH：选用DH=122锥角：取锥角为903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%，-4C的酒精溶液5罐体所承受的最大内压：2.5/cm 外压：0.3/cm6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2008内壁涂料：环氧树脂、D、H确定由DH=12，则锥体高度H1=0.5 D/tan45=0.5D封头高度 H2=D/4=0.25D圆柱部分高度 H3=（2.00.50.25）D=1.25D又因为V全=V锥V封V柱 = =0.131D0.131D0.981D=50m 得D=3.43m查JB1154-74椭圆形封头和尺寸取发酵罐直径D=3600mm再由V全=50m D=3.6m得径高比为： DH=1:1.78由D=3600mm查表得椭圆形封头几何尺寸为：h1=900mm h0=40mm F=14.3m2 V=6.62m3筒体几何尺寸为：H=3708mm F=41.94 V=37.74m3锥体封头几何尺寸为：h0=40mm r=540mm H=2024mm F=d2/4-(0.7+0.3cos)2/sin+0.64=8.36 V=d3/24(0.7+0.3cos)2/tan+0.72=9.48m 则锥形罐体总高：H=900403708402024=6712mm 总体积：V全=6.6237.749.48=53.84m实际充满系数=37.5/53.84=69.7%罐内液柱高：H=（37.5-9.48）/(3.62)*4 103+(2024+40)=4818、发酵罐的强度计算罐体为内压容器的壁厚计算标准椭圆封头设计压力为1.12.5=2.75S=式中：P=2.75t：A3钢工作温度下的许用力取1520. ：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=C1C2C3查表得：C1：钢板厚度的负偏差取0.8mm负偏差 C2：腐蚀裕量取2mm C3：制造减薄量取0.6 则：S=【2.753600/（215200.9-2.75)】3.4=7mm取S0=8mm 直边高h0=40mm校核=2.75(3600+8)/（48） (36008)/（2900）=621.5t筒体P设=1.1(P工作P静) =1.1（2.5+0.61）=3.42S=（取C1=0.6，C2=2，C3=0.6） =3.423600/(215200.93.42)3.2=7.7mm取S=8mm校核2=771.2t锥形封头1）过渡区壁厚S=P设=1.1（2.50.9）=3.74（0.9为静压）K=0.82S=0.823.743600/(215200.90.53.74) C=4.04C=4.040.620.404=7.044mm2)锥体S=S0= =0.6453.743600/(15200.90.53.74) （f查表为0.645）=6.4mmS= S0C=6.40.620.64=9.64mm取S=10mm h0=40mm校核锥体所受最大应力处：= =3.743610/(210cos45) =954.7t锥体为外压容器的壁厚计算标准椭圆封头 设S0=5mm R内=0.9Dg=3240mm R内100S0=3240（100*5）=6.48查图表4-1得B=275P =BS0R内=27553240=0.430.3满足要求取C1=0.5mm，C2=2mm，C3=0.5mm则S=S0C=8mm 筒体设S0=6mmL/D=0.69D=3600/6=600查图表4-1得 B=210P =21063600=0.350.3 S0=6mm故可取C1=0.6mm，C2=2mm，C3=0.6mm则S= S0C=9.2mm 取S=10mm锥形封头因为=45所以22.5060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： 220242tan45=2024mm取加强圈中心线间锥体长度为1012mm设S0=6mmLD=10123600=0.28DS0=36006=600查图表4-1得B=320P =BS0/D=3206/3600=0.530.3故取S0=6mmC1=0.6mm，C2=2mm，C3=0.6mm所以S= S0C=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=40mm（五）锥形罐的强度校核、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液压试验 P设=1.25P=4.68查得A3钢=2400 =4.683600(10-3.2)/2(10-3.2) =1241.2 0.9=0.90.92400=1944试可见符合强度要求，试压安全外压试验以内压代替外压P=1.5（SC）=1.5（1.00.3）=1.95P试=1.25P=2.5P内试故可知试压安全刚度校核本设计中允许S=236001000=7.2mm而设计时取厚度为S=10mm，故符合刚度要求(公式：s最小=2D内/1000)2、发酵罐热工设计计算计算依据计采用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56天，封头及筒体部分保温层厚度为200mm，锥底部分为98mm）总发酵热计算Q=qv=11937.5=4462.5hrq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 =84.310.24=24.16冷却剂流量为（三段冷却）324.1610-41=7.24810-3m/s查得20%（V/V）酒精溶液t平=-3下的=976mC=1.04kcal冷却剂的冷却能力为：Q=7.2481039761.04123600 =53021.4 kcalhr8330kcalhr故可选取8号槽钢为冷却夹套。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135，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=KAtm求得冷却面积。传热系数K的确定1）醪液1的计算t1-t2 246810C25150170185204 1=0.64C =0.64185 =199.1kcal/hC2）冷却夹套的2的计算 润湿周边=8（8048.0）2（431）=204=20.4cmd= =204mm=20.4d=4.74=0.0474m20%（V/V）酒精在定性温度t=（42）2=3下=5.05CP=5.0510Pas=0.402kcal/hrm=0.468W/Cp=1.041kcal/=4.35810J/=976=1m/sRe=du/=9160=104故可视为强制湍流流动 得n=0.42=0.023/d(Re)0.8(Cp/)0.4=1348.4kcal/hrm因为计算时冷却盘管为直管，先修正：/=（11.77d/R）=1348.4(11.770.0474/1.829)=1410.3kcal/hrm3)筒体部分传热系数K 代入数据可得：A1-筒体内层传热面面积 Rs1-啤酒液污垢系数 A2-筒体平均传热面积 Rs2-冷却剂污垢系数A3-筒体外壁平均传热面积 1-发酵液传热系数入-筒体材料导热系数 2-夹套冷却剂的传热系数b-筒体壁厚0.01m =7.325103所以：K=136.5kcal/注：h为假设夹套高度（m）锥形罐筒体需冷却的热量1）醪液放热 Q醪=Q1Q2 Q1=368340.55146.6=2933.64kcal/hr Q2=368340.95190.6=20786.36kcal/hr 所以 Q醪=Q1Q2=23720kcal/hr2）外界与罐体的传热量 a.封头部分Q1=KF（t外平t0附t内） 代入数据得Q1=2.02（10%1）（328.55） =78.88kcal/hr b.筒体部分： 代入数据：得：KF=15.67kcal/KQ2=1.1KF（t外平t0附t内） =1.115.67(32+8.55) =611.91kcal/hr筒体冷却面积A初定Q=KAtmA=23720/（141.711.3）=14.81则醪液的冷却负荷为： 14.81/36834=0.402/T0.3m/T故冷却面积能够满足要求。发酵罐冷却面积的确定 1）筒体部分 由前面叙述可知，筒体部分相同的冷却段，选用8#槽钢筒体冷却段面积为14.81则槽钢长=14.81/0.08=185m取相邻两槽钢间距为40mm一圈槽钢长： l0=(3.143.62)0.12=11.367m185m长的槽钢课绕圈数185/11.36717圈则二段各绕8.5圈冷却段高度为8.5（8040）40=980mm筒体实际冷却面积为1711.3670.08=15.459/T2）锥底部分锥体部分醪液量为9.481.0484=9.94锥体部分冷却面积为9.940.439=4.36则槽钢长为4.36/0.08=54.5m绕制高度为1000mm3、发酵罐附件的设计及选型入孔1)、选用入孔BIIPg6Dg4508H1=220JB-64-28材料A3钢2)、补强圈尺寸确定如下 D内=484mm D外=760mm 补强圈的厚度S补 按下式计算，考虑罐体与入孔节均有一定的壁厚裕量，故 补强圈取8mm S补=(dS0)/(D2-D1)=(450.52)/(760-484)=0.85cm视镜1） 选用带劲视镜Pg6Dg150JB595-64-42） 补强圈尺寸确定如下：内径D1=163mm 外径D2=300mm补强圈的厚度S补按S被=d*S0/（D2-D1）=150*8/（300-163）=8.8mm考虑罐体与视镜筒节均有一定的壁厚余量，故补强圈取8mm接管1)CO2回收接管YB804-70 Dg40无缝钢管 重3.6kg/m法兰 Pg6Dg40HG501058 重1.219kg2)温度计取样接管 见发酵罐总装图3)冷却剂进口接管YB804-70 Dg50无缝钢管 重4.65kg/m法兰 Pg6Dg50HG501058 重1.348kg4)滤酒管YB804-70 D