啤酒发酵罐课程设计

安徽工程大学1生物反应器课程设计-----啤酒露天发酵罐设计姓名：周若飞班级：生工091学号：3090402130安徽工程大学2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5、发酵罐发酵的动力学特征二、露天发酵罐设计1、啤酒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三、发酵罐的计算特性和规范1、技术特性2、发酵罐规范表四、发酵罐设计图安徽工程大学3一、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、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逐步实现商品化。安徽工程大学4第四阶段：1960-1979年，机械搅拌通风发酵罐的容积增大到80-150m3。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。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。4、露天圆锥发酵罐的结构（1）罐体部分安徽工程大学5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：它的夹角多为60—90°，也有90—120°，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1/4—1/3。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，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；CO2安徽工程大学6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。5、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：HD①由于采用凝聚性酵母，S3＞S1，使发酵速度3区＞1区；导致B3＜B1浓度差，促进发酵液的对流；安徽工程大学7②由于3区发酵速度快，产生CO2多，加上液压，使P3＞P1而形成压力差推动发酵液对流；③由于发酵时控制t3＞t1，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t3～t1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。二、露天发酵罐设计1、啤酒发酵罐的化工设计计算㈠、发酵罐的容积确定设计需要选用V有效=22.5m3的发酵罐则V全=V有效/φ=22.5m3/75%=30m3㈡、基础参数选择1．D∶H：选用D∶H=1∶42．锥角：取锥角为70°3．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200㎜8．内壁涂料，环氧树脂安徽工程大学8㈢、D、H确定由D∶H=1∶4，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=（4－0.714－0.25）D=3.036D又因为V全=V封＋V锥＋V柱=3231242443HDDHD=0.187D³＋0.131D³＋2.386D³=30m³得D=2.23m查JB1154-74《椭圆形封头和尺寸》取发酵罐直径D=2400mm再由V全=30m³D=2.4m得径高比D∶H=1:3.72由D=2400mm查表得椭圆形封头几何尺寸为：h1=600mmh0=40mmF=6.52m2V=2.00m3筒体几何尺寸为：H=6614mmF=49.84㎡V=29.9m3锥体封头几何尺寸为：h0=40mmr=280mmH=1714mmF=πd2/4[(0.7+0.3cosα)2/sinα+0.64]=10.64㎡V=πd3/24[(0.7+0.3cosα)2/tanα+0.72]=3.60m³则锥形罐体总高：H=600＋40＋6614＋40＋1714=9008mm安徽工程大学9总体积：V全=2.00＋29.9＋3.60=35.5m³实际充满系数ψ=22.5/35.5=63.3%罐内液柱高：H′=[22.5-3.75/(3.14×1.22)/4]×102+(1714+40)=3413㎜㈣、发酵罐的强度计算⑴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=2.75㎏／㎝²S=CPPDgt2式中：P=2.75㎏／㎝²[σ]：A3钢工作温度下的许用力取1520.㎏／㎝²ψ：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=C1＋C2＋C3查表得：C1：钢板厚度的负偏差取0.8负偏差C2：腐蚀裕量取1.5mmC3：制造减薄量取0.6则：S=(2.75×2400/2×1520×0.9-2.75)＋3.4=5.814mm取S0=8mm直边高h0=40mm校核σ=hDsPD24中中安徽工程大学10=[2.75×(2400+8)/4×8]×(2400＋8)/2×900=369.12≦[δ]t②．筒体P设=1.1×(P工作＋P静)=1.1×（2.5+0.61）=3.42㎏／㎝²S=CPPD2（取C1=0.6，C2=2，C3=0.6）=3.42×2400/(2×1520×0.9－3.42)＋3.2=6.2mm取S=7mm校核σ2=sPD2中=588.0≦ψ[σ]t③．锥形封头1）过渡区壁厚S=CPDgKPt5.02设P设=1.1×（2.5＋0.9）=3.74㎏／㎝²（0.9为静压）K=0.716S=CPDgKPt5.02设=0.716×3.74×2400/(2×1520×0.9－0.5×3.74)＋C=2.35＋C=2.35＋0.6＋2＋0.59=5.54mm安徽工程大学112)锥体S=CPPDgft5.0S0=PPDgft5.0=0.60×3.74×2400/(1520×0.9－0.5×3.74)（f查表为0.60）=3.94mmS=S0＋C=3.94＋0.6＋2＋0.59=7.13mm取S=8mmh0=40mm校核锥体所受最大应力处：σ=45cos2sPD中=3.74×（2400+8）/(2×10×cos35°)=687.14≦[σ]t⑵锥体为外压容器的壁厚计算①．标准椭圆封头设S0=5mmR内=0.9Dg=2160mmR内／100S0=2160／100*5=4.32查图表4-1得B=275[P]=B×S0／R内=275×5／2160=0.64㎏／㎝²＞0.3㎏／㎝²满足要求取C1=0.5mm，C2=2mm，C3=0.5mm安徽工程大学12则S=S0＋C=8mm②．筒体设S0=5mmL/D=0.69D=2400/6=400查图表4-1得B=210[P]=210×6／2400=0.53㎏／㎝²＞0.3㎏／㎝²S0=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α=35°所以22.50°＜α＜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为：2×2215／2×tan35°=1551mm取加强圈中心线间锥体长度为1157.5mm设S0=5mmL／D=1157.5／2400=0.482D／S0=2400／5=480查表4-1得B=275[P]=B×S0/D=275×6/2400=0.69㎏／㎝²＞0.3㎏／㎝²故取S0=6mm安徽工程大学13C1=0.6mm，C2=2mm，C3=0.6mm所以S=S0＋C=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8mmh0=40mm圆筒壁厚10mm标准型封头壁厚10mmh0=40mm⑶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㎏／㎝²液压试验P设=1.25P=4.68㎏／㎝²查得A3钢σ=2400㎏／㎝²CSCSDgP2试试=4.68×[2400＋(10-3.2)]/2×(10-3.2)=828.2㎏／㎝²0.9ψσ=0.9×0.9×2400=1944㎏／㎝²＞σ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安徽工程大学14P=1.5×（S＋C）=1.5×（1.0＋0.3）=1.3㎏／㎝²P试=1.25P=1.63㎏／㎝²＜P内试故可知试压安全③．刚度校核本设计中允许S=2×2400／1000=4.8mm而设计时取厚度为S=10mm，故符合刚度要求2、发酵罐热工设计计算㈠计算依据计采用A3钢作为发酵罐材料，用