发酵罐的设计

1、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：m3 2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） 封面 完成生物反应器设计化工计算 完成生物反应器设计热工计算 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

2、教研室2010-11-15发酵罐设计第一节 发酵罐的化工设计计算发酵罐的容积确定由指定参数: V 全= 30m3=85%则：V有效=V全*= 25.5 m3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钢，冷却介质采用20% -4 C的酒精溶液）5、罐体所承受最大内压:2.5KG/CM3外压: 0.3KG/CM36、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

3、由 D: H=1: 4，则锥体高度 H1=D/2tg45 0=0.5D封头高度H2=D/4=O.25D圆柱部分高度 H3= (4.0-0.5-0.25) D=3.25D又因为V全=v锥+v封+v柱=-X D2/4X H+ X D3+ -X tfx H332442 2 2=O.131D+0.131D +2.551D =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，D=2.4m得径咼比为:D:H=1: 2.8由D=2400mr查表得椭圆封头几何尺寸为:hi=600mm（曲面高度）ho=25mm（直边高度）F=6.41m2（内表面积）V=1

4、.93m3俗积）V=22.14m3筒体几何尺寸为:H=6624mmF=36.90m2锥体的几何尺寸为:ho=25mm r=360mmH=1200mmF= d20.74 sin a0.3COS a2 0.64 =3.705m2V= d3 24 tga20.7 0.3cosa0.72 =2.80m2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 ：25.5/26.87=94.9%罐内液柱高:H 丿=(25.5-2.80)*4*102/2.42+( 1200+25)=6260mm发酵罐的强度计算（一）

5、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式中：P=2.75 KG/cm 2t: A3钢工作温度下的许用力取1520 KG/cm 2: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C2：腐蚀裕量取2mmC 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 S0=6mm直角边 h0=25mm校核=(PD 中/4S)*(D 中/2h)=2.75*(2400+6)/4*6*(2400+6)/2*600 )=

6、552.75<= t2.筒体P 设=1.1* (p 工乍+p 静)=1.1* (2.5+0.61) =3.42kg/cm2S=PD/( -P)+C(C2=0.6,C2=2,C3=0.6)=(3.42*2400)/(2*1520*0.9-3.42)+3.4=6.4mm校核=PD 中/2S=588<= t3.锥形封头1）过渡区壁厚S= ( K P 设 Dg) /(2 t-0.5P)+C0.9 为静压）P 设=1.1*(2.5+0.9)=3.74kg/cm 2 (其中K=0.75S= ( K P 设 Dg) /(2 t-0.5P)+C=(0.75*3.74*2400)/(2*1520*0

7、.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*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/2Scos45°=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=5

8、mmR 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*S 0/ R 内=260*5/2160=0.6kg/cm 2>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=0.69D=2400/6=400查表 4-1 及 B=200P】=200*6/2400=0.5 kg/ ?S0=6mm面积最大直径为： 2*2740/2*tan45 °=1918.6mm故可取 C1=0.6mm,C2=2mm,

9、C3=0.6mm则 S=S0+C=9.2mm，取 S=10mm3. 锥形封头因为：a=45 °所以 22.50 °v av 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故取S0=6mm【P】=BS0/D=250*6/2400=0. 625 > 0.3 kg/?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

10、圆型封头厚度为 10mmh0=25mm圆筒壁厚10mm标准形封头壁厚12mmh0=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设计压力P=3.74KG/cm2 液压实验 P 试=1.25P=4.68KG/cm 2查得 A3钢 =2400kg/cm2Dg (S C)2(S C)=4.68( 2400+12-3.2)/2*(12-3.2)=563.6kg/cm20.9=0.9*0.9*2400=1944kg/cm 2 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/cm2

11、P 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2（公式：S最小=1000 D 内）第二节发酵罐热工设计计算计算依据计采用A 3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/cm冷媒为20%（v/ v）酒精溶液，T进=-4 C, T出为-2 C,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总发酵热计算Q=q*v=119*24=8330kg/hrq 每立方米发酵麦

12、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=8*4.3-10.24=24.16cm冷却剂流量为（三段冷却）3*24.16*10-4*1=7.284*10-3 3m/s查得20%（V/ v）酒精溶液t平=-3 C下的=976kg/m 3C=1.04kcal/kg - oC冷却剂的冷却能力为：X 2X 3600Q=7.248 X 103X 976X 1.041=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

13、曲线看，日降温量较大的为13 Ct 5 C,为了将来工艺更改留下余量，设计取13-5=8 C为设计的日降温量，取0.6 C /hr为设计的小时降糖量， 则由Q6=KA tm求得冷却面积。1. 传热系数K的确定1) 醪液a 1的计算1=0.64X CX 4=0.64 X 185 X 4 =185.3kcal/ h° C2)冷却夹套的a 2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 C下a =5.05CP=

14、5.05X 103Pa s=0.402kcal/hrmC =0.468W/mCCp=1.041kcal/kgC =4.358 X 103J/kg C=976kg/ rna =1m/sRe=du / a =9160=104故可视为强制湍流流动得 n=0.4a 2=0.023 /d(Re)0.8(Cp 卩 / )0.4=1348.4kcal/hr- m- C因为计算时冷却盘管为直径的，先修正：=a (1+1.77d/R)=1348.4X(1+12) X 0.0474/1.829=1410.3kcal/hr m-C3）筒体部分传热系数=+代入数据可得:1/k=所以：K=kcal/ °C注：

15、h为假设夹套高度(m)（t外平t附t 内）2. 锥形罐筒体需冷却的热量1）醪液放热外平Q附醪=Q）Q2Qi=kcal/hrQ2=kcal/hr所以 Q醪=Q1+Q22）外界与罐体的传热量A.封头部分Qi=KF带入数据得KF=Qi=KFB.筒体部分:带入数据：1 1 _1KF A11A22A33A40A5得：KF=Q2=KF3.筒体冷却面积A初定.tl t2tm,t1t2g 11.3 C ln149Q KA tmA=则醪液的冷却负荷为: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8#槽（t外平 t附 t内）由前面叙述可知，筒体部分相同的冷却段，选用钢筒体冷却段面积为则槽钢长=

16、 取相邻两槽钢间距为 40mmQ' a/ nlo=330m长的槽钢可绕圈数则二段各绕 圈冷却段高度为 筒体实际冷却面积为2）锥体部分锥体部分醪液量为锥体部分冷却面积为 则槽钢长为 绕制高度为第三节 发酵罐附件的设计及选型人孔1. 选用人孔材料 A3 钢2. 补强圈尺寸确定如下：补强圈的厚度 S 补 按下式计算，考虑罐体与人孔筒节均有一定的壁厚裕量，故补强圈取 mm二.视镜1.选用带颈视镜2.补强圈尺寸确定如下:内径Di= mm外径D2=mm补强圈的厚度考虑罐体与视镜筒节均有一定的壁厚裕量，故补强圈取1.CO2回收接管YB804 70 Dg40 无缝钢管重 3.6kg/m法兰 P g6D

17、g40HG5010 58 重 1.219kg补d S0S补 D2 D12.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Pg6Dg50HG5010 58 重 1.348kg4. 滤酒管YB804 70 Dg50 不锈钢管 重 7.15kg/m法兰 Pg6Dg50HG5010 58 重 2.38kg取滤酒管于罐内高度 1.2m即1200mm5. 麦汁进料及 Y 排放接管Dg125 球阀控制酒量Dg50 玻璃视镜观测 Y 排放情况Dg50 接管 四支座 见发酵罐总装图第四节 发酵罐的技术特性和规范、技术特性1. 本课程设计按 JB741-80 钢制焊接压力容器技术条件：及“SB5111 ”不锈钢耐酸性钢及碳钢、n类设备进行制作试验。2.设备制造完毕后，设备内壁所有内表面焊缝须打磨平滑平缓过渡，但须保证用材料同样厚度。3. 立板焊接时应于底轴垂直，两块立板之间得分布误差不大于 0.104.设备安装后轴线对基础的不垂直度在全长上不大于10mm，设备在现场就位安装。5. 设备组焊后，封头简体锥形底的40