生物反应器课程设计 (2)

1、安徽工程大学机电学院生物反应器设计（啤酒露天发酵罐设计） 姓名：钱靖 班级：生工2101 学号：3102107134 时间：2013年11月18日 指导老师：项驷文 葛飞第一章 啤酒发酵罐结构与动力学特征 一、啤酒是以大麦喝水为主要原料，大米、酒花和其他谷物为辅料经制麦、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，发展到现在大、中、小型啤酒厂家600多家，2003全国啤酒总产量已超过2200万吨，现在距世界第二位。由于啤酒工

2、业的飞速发展，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子啊原有传统技术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。 就发酵罐的外形来分，主要有圆柱锥形底罐、圆柱蝶形罐、圆柱加斜底的朝日罐和球形罐等。当前世界各地用的比较多的是圆柱锥底发酵罐。由于我国新建啤酒厂不断上马，都纷纷设计采用大型露天圆柱锥底罐，一些老厂家扩建和技术革新也都在发酵罐方面做了大的改进，圆柱锥底罐的采用

3、仍是主流。 二、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、贮就罐而言）；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、可以一关多用，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。 三、露天圆锥发酵罐的结构（一）罐体部分 露天圆锥发酵罐的罐体有灌顶、圆柱体

4、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，灌顶还装有真空阀，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，由于大直径的光耐压低，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，同时安装测温、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；如夹角过小会使椎体部分很高。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，也有的罐不装，锥底部分需安装进出管道。阀门与视镜、取样管

5、阀、测温、测压的传感元件或温度计，CO2洗涤装置等。 （二）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：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。 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。 发酵罐的测温元件有直接感应与遥控两种。测温元件多布置在圆柱体部分，一般设1-2个测温点。 发酵罐的温控装置实际起供、断冷却水的作用，如果是手动控制，可根据显示温度与设定温度之差，用手动阀或气动阀调

6、节，如果是自动控制，则由传感、变送、恒定比较。 （三）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。 （四）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。 四、发酵罐发酵的动力学特征发酵罐发酵的主要特点是采用较高的发酵温度和高凝性酵母、进一步提高

7、发酵液浓度，保持茁盛的酵母层和缩短发酵时间进行可控发酵，其主要动力学特征有：HD1、 由于采用凝聚性酵母，S3S1，使发酵速度 3区1区；导致B3B1浓度差，促进发酵液的对流。2、 由于III区发酵速度快，产生CO2多，加上液压，使P3P1而形成压力差推动发酵液对流。3、 由于发酵时控制t3t1，形成温度差对流。 第二章 发酵罐设计计算步骤第一部分：生物反应器设计化工计算一、发酵罐的容积确定设计需要选用V全=40 m3的发酵罐 则V有效=V全=40 m3 75%=30 m3二、基础参数选择 1DH：选用DH=122锥角：取锥角为 703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

8、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罐体所承受的最大内压：2.5/cm 外压：0.3/cm6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2008内壁涂料，环氧树脂三、D、H确定由DH=1:2，则锥体高度H1=D/2tan35=0.714D封头高度 H2=D/4=0.25D圆柱部分高度 H3=（4.00.7140.25）=3.04D又因为V全=V封V锥V柱 = =0.186D0.43D2.386D=30m 得D=3.070 m查JB1154-74椭圆形封头和尺寸取发酵罐直径D=3400mm再由V全=30m

9、D=3.400m得径高比 DH=1:1.9由D=3400mm查表得h1=850mm h0=40mm F=12.95 V=5.51m筒体几何尺寸为：H=5940mm F=63.44 V=32.43m锥体封头几何尺寸为：h0=50mm V=9.83m H=3115mm F=6.86F=d2/4(0.7+0.3cos)2/sin+0.64=6.86V=d3/24(0.7+0.3cos)2/tan+0.72=9.83m 则锥形罐体总高： 503115505940=10005mm总体积：V全=5.6026.439.83=41.86m实际充满系数=32m3 /41.86m3=76.5%罐内液柱高：H=40

10、-9.13/(3.143.42)/4 102+(3115+50)=8434 四、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1.12.5=2.75S=式中：P=2.75：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0.8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(3400+8)/48 (34008)/2900=554.5e2筒体

11、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=620.1t3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=0.716S=0.7163.743400/(215200.90.53.74) C=3.33C=3.330.620.59=6.52mm(2)锥体S=S0= =0.603.743400/(15200.90.53.74) （f查表为0.60）=5.58mmS= S0C=5.580.620.59=8.77mm

12、取S=10mm h0=25mm校核锥体所受最大应力处：= =3.743410/(210cos35) =778.5t（二）锥体为外压容器的壁厚计算1标准椭圆封头 设S0=5mm R内=0.9Dg=3060mm R内100S0=30601005=6.12查图表4-1得B=275P =BS0R内=37553060=0.610.3满足要求取C1=0.5mm，C2=2mm，C3=0.5mm则S=S0C=8mm 2筒体设S0=5mmL/D=0.57D=3400/5=680查图表4-1得 B=320P =32053400=0.470.3 S0=5mm故可取C1=0.5mm，C2=2mm，C3=0.5mm则S

13、= S0C=8mm 3锥形封头因为=35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： 231152tan35=2181.5mm取加强圈中心线间锥体长度为1557.5mm设S0=5mmLD=1557.53400=0.458DS0=34005=680查表4-1得B=370P =BS0/D=3705/3400=0.540.3故取S0=5mmC1=0.6mm，C2=2mm，C3=0.6mm所以S= S0C=8.2mm取S=9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=50mm 圆筒壁厚 8mm 标准型封头壁厚 10mm

14、h0=50mm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 =4.683400(10-3.2)/2(12-3.2) =905.9 0.9=0.90.92400=1944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（SC）=1.5（1.00.3）=2.25P试=1.25P=2.8P内试故可知试压安全3刚度校核本设计中允许S=234001000=6.8mm而设计时取厚度为S=8mm，故符合刚度要求 (公式:S最小=2D内1000） 第二部分

15、 发酵罐热工设计计算一、 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）二、 总发酵热计算Q=qv=11932=3808hrq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 =84.310.24=24.16冷却剂流量为（三段冷却）324.1610-41=7.28410-3m/s查得20%（V/V）酒精溶液t平=-

16、3下的=976mC=1.04kcal冷却剂的冷却能力为：Q=7.2481039761.04123400 =50075.8.4kcalhr3808 kcalhr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。1传热系数K的确定1）醪液1的计算t1+t2 246810C251501701852041=0.64C =0.64185 =185.3kcal/hC2）冷却夹套的

17、2的计算 润湿周边=80（8048.0）2（431）=276de= =204mm=20.4de=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

18、部分传热系数K 代入数据可得：=7.325103所以：K=136.5kcal/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=Q1Q2 Q1=581790.055146.6=4690.9kcal/hr Q2=581790.95190.6=33228.4kcal/hr 所以 Q醪=Q1Q2=37919.3kcal/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 KF=2.02（10%1）（328.55） =78.88kcal/hr b.筒体部分： 代入数据：得：KF=15.67kcal/KQ2=KF（t外平t0附t内） =1.115.6

19、7(32+8.55) =611.91kcal/hr3.筒体冷却面积A初定Q=KAtmA=36873.6/136.511.3=23.9则醪液的冷却负荷为： 23.9/58179=0.411/T0.3m/T故冷却面积能够满足要求。4.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23.9则槽钢长=23.9/0.08=299m取相邻两槽钢间距为40mm一圈槽钢长： l0=(3.143.23) 0.12=10.157m 299m长的槽钢课绕圈数299/10.15730圈则二段各绕15圈冷却高度为15（8040）40=1760mm筒体实际冷却面积为

20、3011.3670.08=27.28/T2）锥底部分锥体部分醪液量为9.831.0484=10.31锥体部分冷却面积为10.310.439=4.52则槽钢长为4.52/0.08=56.6m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)/(76-484)=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=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约有一定的壁厚余量，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 Dg50