啤酒露天发酵罐设计

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）学院：安阳工学院姓名：叶富本班级：08生工学号：200806030003时间：2011年5月28日第一章 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，发展到现在距世界第二位。由于啤酒工业的飞速发展，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

2、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。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

3、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。圆锥底：它的夹角

4、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、阀门与视镜、取样管阀、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

5、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；发酵罐的温控装置实际起供、断冷却水的作用。（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

6、特点是采用较高的发酵温度和高凝性酵母、进一步提高发酵液浓度，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3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有效=32m3的发酵罐则V全=V有效/=32m3/80%=40m3二、基础参数选择1DH：选用DH=122锥角：取锥角为70°3封头：选用标

7、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/cm³ 外压：0.3/cm³6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=12，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=（2.00.7140.25）=1.04D又因为V全=V封V锥V柱 = =0.187D³0.131D³0.87D³=40m³ 得D=3.23m查JB1154-74椭圆形封头和尺寸取

8、发酵罐直径D=3400mm再由V全=40m³ D=3.4m得经高比 DH=1:1.9由D=3400mm查表得h1=850mm h0=50mm F=13.0 V=5.60m³筒体几何尺寸为：H=5940mm F=63.44 V=32.43m³锥体封头几何尺寸为：h0=50mm V=9.83m³ H=3115mm F=6.86则锥形罐体总高：H=850505940503115=10005mm总体积：V全=5.6032.439.83=47.86m³实际充满系数=83.6 罐内液柱高：H=40-9.83/(3.14×3.42)/4 ×

9、;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1.1×2.5=2.75²S=式中：P=2.75²：A3钢工作温度下的许用力取1520. ²：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=(2.75×3400/2×1520×0.9-2.75)3.4=7mm取S0=8mm 直边高h0=50mm校核=2.75×(340

10、0+8)/4×8 ×(34008)/2×900=554.5e2筒体P设=1.1×(P工作P静) =1.1×（2.5+0.61）=3.42²S=（取C1=0.6，C2=2，C3=0.6） =3.42×3400/(2×1520×0.93.42)3.2=7.5mm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）=3.74²（0.9为静压）K=0.716S=0.716×3.74×3400/(2×1520×0.90

11、.5×3.74) C=3.33C=3.330.620.59=6.52mm(2)锥体S=S0= =0.60×3.74×3400/(1520×0.90.5×3.74) （f查表为0.60）=5.58mmS= S0C=5.580.620.59=8.77mm取S=10mm h0=25mm校核锥体所受最大应力处：= =3.74×3410/(2×10×cos35°) =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=3060100×5

12、=6.12查图表4-1得B=375P =B×S0R内=375×53060=0.61²0.3²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 =320×53400=0.47²0.3² S0=5mm故可取C1=0.5mm，C2=2mm，C3=0.5mm则S= S0C=8mm3锥形封头因为=35°所以22.50°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

13、为： 2×31152×tan35°=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 =B×S0/D=370×5/3400=0.54²0.3²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 h0=50mm五、锥形罐的强度校核1内压

14、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=3.74²液压试验 P设=1.25P=4.68²查得A3钢=2400² =4.68×3400(10-3.2)/2×(12-3.2) =905.9² 0.9=0.9×0.9×2400=1944²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）=1.3²P试=1.25P=1.63²P内试故可知试压安全3刚度校核本设计中允许S=

15、2×34001000=6.8mm而设计时取厚度为S=8mm，故符合刚度要求第二部分 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2.5²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=q×v=119×32=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 =8

16、5;4.310.24=24.16²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t平=-3下的=976m³C=1.04kcal·冷却剂的冷却能力为：Q=7.248×103×976×1.041×2×3400 =50075.8 kcalhr3808 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1

17、35，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=KAtm求得冷却面积。1传热系数K的确定1）醪液1的计算1=0.64×C× =0.64×185× =185.3kcal/hºC2）冷却夹套的2的计算 润湿周边=80（804×8.0）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=5.05×10³Pa·s=0.402kcal/hrm=0.

18、468W/Cp=1.041kcal/=4.358×10³J/=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/hr·m·因为计算时冷却盘管为直管，先修正：=（11.77d/R）=1348.4×(11.77×0.0474/1.829)=1410.3kcal/hr·m·3)筒体部分传热系数K 代入数据可得：=7.325×103所以：K=136.5kcal/·注：h为假设夹套高度（m）2.锥形罐筒体

19、需冷却的热量1）醪液放热 Q醪=Q1Q2 Q1=58179×0.055×146.6=4690.9kcal/hr Q2=58179×0.9519×0.6=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/K·Q2=KF（t外平t0附t内） =1.1×15.67×(32+8.55) =611.91kcal/hr3.筒体冷却面积A初定Q=KAtmA=36873.6/136.5×11.3=23.9则醪液的冷却负荷为： 23.9/58179=0