啤酒露天发酵罐设计

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1、 生物反应器课程设计-啤酒露天发酵罐设计 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

2、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。1.发酵罐的发展史第一阶段：1900年以前，是现代发酵罐的雏形，它带有简单的温度和热交换仪器。第二阶段：1900-1940年，出现了200m3的钢制发酵罐，在面包酵母发酵罐中开始使用空气分布器，机械搅拌开始用在小型的发酵罐中。第三阶段：1940-1960年，机械搅拌，通风，无菌操作和纯种培养等一系列技术开始完善，发酵工艺过程的参数检测和控制方面已出现，耐蒸汽灭菌的在线连续测定的 pH 电极和溶氧电极，计算机开始进行发酵过程的控制。发酵产品的分离和纯化设备

3、逐步实现商品化。第四阶段：1960-1979年，机械搅拌通风发酵罐的容积增大到80-150m 3。由于大规模生产单细胞蛋白的需要，又出现了压力循环和压力喷射型的发酵罐，它可以克服些气体交换和热交换问题。计算机开始在发酵工业上得到广泛应用。第五阶段：1979年至今。生物工程和技术的迅猛发展，给发酵工业提出了新的课题。于是，大规模细胞培养发酵罐应运而生，胰岛素，干扰素等基因工程的产品走上商品化。2.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

4、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。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

5、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。（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：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

6、，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；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；CO 2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

7、，这样就可以进行真正的自动控制。1）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：HD由于采用凝聚性酵母，S 3S 1，使发酵速度 3 区1 区；导致 B3B 1浓度差，促进发酵液的对流；由于 3 区发酵速度快，产生 CO2多，加上液压，使 P3P 1而形成压力差推动发酵液对流；由于发酵时控制 t3t 1，形成温度差对流。这三种推动力随罐高 H 增大而增大，由于传统发酵槽仅2m，而露天的圆柱锥形罐一般大于 8m，所以此推动力将加速发酵，尤其在双儿酰还原阶段 B、P 趋于一致，但

8、t3t 1可控，又因罐高，酵母沉降慢，发酵液仍保持强对流而促进代谢发酵。第一节 发酵罐的化工设计计算一、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 m3二、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 A3钢，冷却介质采用 20%、-4的酒精溶液）5、罐体所承受最大内压：2.5KG/CM 3外压：0.3KG/CM 36、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 2

9、00mm8、内壁涂料：环氧树脂三、D、H 的确定由 D：H=1：4，则锥体高度 H1=D/2tg450=0.5D封头高度 H2=D/4=0.25D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= D2/4H1+ D3+ D2H334=0.131D2+0.131D2+2.551D2=30 得 D=2.31m查 JB1154-74椭圆形封头和尺寸取发酵直径D=2400mm再由 V 全 =30cm2，D=2.4m得径高比为：D:H=1：3.4由 D=2400mm 查表得椭圆封头几何尺寸为：h1=600mm （曲面高度）h0=40mm （直边高

10、度）F=6.41m2 （内表面积）V=1.93m3 （容积）筒体几何尺寸为：H=6391mmF=39.82m2V=23.86m3锥体的几何尺寸为：h0=40mmr=360mmH=1200mmF= =3.705m2220.73cos0.644sindaaV= =2.80m2230.73cos0.724datga则：锥形罐总高：H=600+40+6391+40+1200=8271mm总容积：V=1.93+23.86+2.80=28.59m 3实际充满系数 ：25.5/28.59=89.2%罐内液柱高：H 丿 = （25.5-2.80） *4*102/2.42+（1200+40）=1742mm四、发

11、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=2.75KG/cm2S= 2tPDgC式中：P=2.75 KG/cm 2 ：A3 钢工作温度下的许用力取 1520 KG/cm2t：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 2mmC3;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

12、)/（4*6）*(2400+6)/（2*600）=552.750.3 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=0.69 D=2400/6=400查表 4-1 及 B=200【P 】 =200*6/2400=0.5 kg/ S0=6mm故可取 C1=0.6mm,C2=2mm,C3=0.6mm则 S=S0+C=9.2mm，取 S=10mm3.锥形封头因为：=45 所以 22.5060按第四章发酵罐设计中的封头设计可知，加强圈间中椎体截面积最大直径为：2*1200/2*tan45=1200mm取加强圈中心线间椎

13、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【P】=BS0/D=250*6/2400=0. 6250.3 kg/ 故取 S0=6mm 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圆型封头厚度为 10mm h0=25mm圆筒壁厚 10mm标准形封头壁厚 12mm h0=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险设计压力 P=3.74KG/

14、cm2液压实验 P 试 =1.25P=4.68KG/cm2查得 A3 钢 =2400kg/cm2试= ()2DgSC=4.68 （2400+12-3.2）/2*(12-3.2)=563.6kg/cm20.9 =0.9*0.9*2400=1944kg/cm2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/cm 2P 试 =1.25P=2.8kg/cm2P 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（公式：S 最小= 210D 内 ）第二节 发酵罐热工设计计算一、

15、计算依据计采用 A3 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2.5kgcm 2冷媒为 20%（vv）酒精溶液，T 进 =-4，T出 为-2，麦汁发酵温度维持 12o（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）二、总发酵热计算Q=q*v=119*25.5=3034.5kg/hrq 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*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%（vv）酒精溶液t 平 =-3下的=976kg/m3C=1.04kcal/kgoC冷却剂的冷却能力为：Q=7.2481039761.04122400=35347.6kcal/hr8330kcal/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