发酵罐设计

安徽工程大学课程设计任务书班级：课题名称：生物反应器设计（啤酒露天发酵罐设计）学生姓名：指定参数：1．全容：50m32．容积系数：75%3．径高比：1：24．锥角：9005．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）1)封面2)设计任务书3)生物反应器设计化工计算4)完成生物反应器设计热工计算5)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一份（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任务接受学生签字：生物工程教研室2010-11-15啤酒露天发酵罐设计第一节发酵罐的化工设计计算一、发酵罐的容积确定在选用时V全=50m3的发酵罐则V有效=Ｖ全×=50×75%=37.5m3（为容积系数）二、基础参数选择1．D:H:选用D:H=1:22．锥角：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，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．罐体所承受最大内压：2.5㎏/㎝3外压：0.3㎏/㎝36．锥形罐材质：A3钢外加涂料，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：环氧树脂三、D、H的确定由D:H=1：2，则锥体高度H1=D/2tan450=D/2(450为锥角的一半)封头高度H2=D/4=0.25D圆柱部分高度H3=（2-0.5-0.25）D=1.25D又因为V全=V锥+V封+V柱=3×D2/4×H1+24×D3+4×D2×H3=50m3得D=3.43m查JB-T4746-2002《椭圆形封头和尺寸》取发酵直径D=3400mm再由V全=50m3，D=3.4m得径高比为：D:H=1:2由D=3400mm查表得椭圆封头几何尺寸为：h1=850mmh0=50mmF=13.0m2V=5.60m3筒体几何尺寸为：H=4137mmF=38.115m2V=44.856m3锥体的几何尺寸为：h0=50mmr=471mmH=1895mmF=220.70.3cos0.644sindaa=19.43m2V=230.70.3cos0.7224datga=9.74m3则：锥形罐总高：H=850+50+4137+50+1895=6982mm总容积：V=5.60+44.856+9.74=60.196实际充满系数：37.5/60.196=62.3%罐内液柱高：H丿=4/6.3*74.95.372*102+(3002+50)=6706.3mm四、发酵罐的强度计算（一）罐体为内压容器的壁厚S计算1.标准椭圆封头设计压力为P=1.1*2.5=2.75kg/cm2S0=PPD][2内+C式中：P=2.75kg/cm2t：A3钢工作温度下的许用力取1520kg/cm2ψ：焊接系数，本例采用双面对接焊作为局部无探伤ψ=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2㎜C3：制造减薄量取0.6㎜则：S=[2.75*2700/(2*1520*0.9-2.75)]+3.4=6.1㎜取S0=8mm直角边h0=40mm校核σ=(PD中/4S0)*(D中/2h1)=[2.75*(3400+8)/4*8]*[(3400+8)/（2*850）]=587.12=[σ]t2.筒体P设=1.1*p工作=1.1*2.5=2.75kg/cm2S=[PD/(2[σ]φ-P)]+C（C1=0.6,C2=2,C3=0.6）=[(2.75*3400)/(2*1520*0.85-2.75)]+3.2=6.8mm取S=7mm校核σ2=P设D中/2S=7*2)73400(*75.2=669.23=[σ]tφ3．锥形封头1）过渡区壁厚S=[（KP设Dg）/(2[σ]tφ-0.5P)]+CP设=1.1*2.5=2.75kg/cm2折边锥体的系数K值K=0.7161S=[（KP设Dg）/(2[]tφ-0.5P)]+C=(0.7161*2.75*3400)/(2*1520*0.9-0.5*2.75)+C=2.45+C=2.45+0.6+2+0.369=5.42mm2）锥体S=[（f*PDg）/([]tφ-0.5P)]+CS0=[（f*P设Dg）/([]tφ-0.5P)]=(0.577*2.75*3400)/(1520*0.9-0.5*2.75)=3.95mmS=S0+C=3.95+0.6+2+0.217=6.767mm取S=10mmh0=40mm校核锥体所受的最大压力处σ=PD中/2Scos450=2.75*3400/2*10*cos450=935=[σ]t(二)、锥体为外压容器的壁厚计算1．标准椭圆封头设S=8mmS0=S-C=5mmD0=Di+2S=3400+16=3416mmRi=0.9D0=3074.4mmRi/S0=3074.4/5=614.88mm按外压球壳算法计算A==0.121/614.88=0.000200023AEDS查上表得B=300[P]=B*S0/R内300*5/3060=0.49kg/cm20.3kg/cm2满足要求取C1=0.5㎜，C2=2㎜，C3=0.5㎜则S=S0+C=8㎜2．筒体设S=13㎜D0=3400+2*6=3412S0=S-C=13-3.2=9.8mmL/D0=6982/3412=2.05D0/S0=3412/9.8=348.2A值取0.000792[P]=（Ri/S0）=2*0.000792*2.05*(106/3)*348.2=0.379kg/cm20.3kg/cm2故可取C1=0.6㎜，C2=2㎜,C3=0.6㎜则取S=13mm3．锥形封头因为：ａ=450所以22.500ａ600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*1895/2*tan450=1895㎜取加强圈心线间椎体长度为950㎜设S0=6㎜L/D=950/3400=0.28D/S0=3400/6=566.7查表的B=110[P]=BS0/D=110*6/566.7=1.16kg/cm20.3㎏/㎝2故取S0=6㎜C1=0.6㎜，C2=2㎜，C3=0.6㎜所以S=S0+C=9.2mm取S=10㎜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10㎜h0=50㎜圆筒壁厚13㎜锥形封头壁厚12㎜h0=50㎜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重之处即最危险设计压力P设=3.74kg/cm2液压实验P试=1.25P=4.68kg/cm2查得A3钢=2400kg/cm2试=、()2()DgSCSC=4.68)2.312(*2)]2.312(3400[=906cm20.9=0.9*0.9*2400=1944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/cm2P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*3400/1000=6.8mm而设计时取壁厚为S=10m，故符合刚度要求（公式：S最小=21000D内）第二节发酵罐热工设计计算一、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，筒体两段，锥部一段，夹套工作压力为2.5㎏/㎝2冷媒为20%（V/V）酒精溶液，T进=-4℃，T出为-2℃，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200㎜，锥底部分为98㎜）二、总发酵热计算Q=q*v=119*37.5=4462.5㎏/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=24.16㎝2冷却剂流量为（三段冷却）u=1m/s3*24.164*10-4*1=7.284*10-3m3/s查得20%（V/V）酒精溶液△t平=-3℃下的ρ=976kg/m3CP=1.04kcal/kg·℃冷却剂的冷却能力为:Q=7.248*10-3*976*1.04*2*3400=50027.7kcal/hr4462.5kcal/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13℃→5℃，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Q0=KA△tm求的冷却面积。1．传热系数K的确定1）醪液а1的计算а1=0.64*C*421tt=0.64*185*4513=199.1kcal/m2·h·℃2)冷却夹套的а2的计算湿润周边=80+（80+4*8.0）+2*（43-1）=276mm=27.6cmDe=湿润周边流体流动截面面积*4de=4*24.16/27.6=0.035m20%(V/V)酒精在定性温度t=(-4-2)/2=-3℃下µ=5.05*103Pa·sλ=0.402kcal/hr·m·℃=0.468W/m·℃Cρ=1.041kcal/kg·℃=4.358*103J/kg·℃ρ=976kg/m3u=1m/sRe=duρ/µ=9160=104故可视为强制湍流流动得n=0.4а2=0.023λ/d(Re)0.8(Cｐµ/λ)0.4=1348.4kcal/hr·m·℃因为计算时冷却盘管为直管的，先修正：а=а2（1+1.77d/R）=1348.4*(1+12)*0.0474/1.829=1410.3kcal/hr·m·℃3)筒体部分传热系数K21KA=111Aa+11ARs+2Ab+321+32ARs带入数据可得：K1=hh304.11*3.1853554.11+hh304.113354.11*000675.0+562.14*54.401.0+562.14*4.206564.14+h562.14564.14*000307.0=7.352*10-3所以：K=136.02kcal/㎡·℃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=Q1+Q2Q1=41323*0.055*10-2*146.6=3331.9kcal/hrQ2=41323*0.95*0.6=39256.9kcal/hr所以Q醪=Q1+Q2=42588.8kcal/hr2）外界与罐体的传热量A.封头部分Q1=KF(t外平+t0附-t内)带入数据得KF=2.02Q3=KF(t外平+t0附-t内)=78.8kcal/hrB.筒体部分：带入数据到下式：123112233405111KFAAAAA得：KF=15.67kcal/K℃Q4=1.1KF(t外平+t0附-t内)=6119kcal/hr3.筒体冷却面积A初定由Q=KA△tm的式中K为传热系数kcal/m2h℃△tm=2121lntttt=11.30CA=42588.8/136.5*11.3=35.2m2则醪液的冷却负荷为：35.2/41323=0.852m3/T0.3m3/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号槽钢筒体冷却段面积为35.2㎡则槽钢长=26.4/0.08=440m取相邻两槽钢间距为40mm一圈槽钢长：l0=2212.0)42.3*14.3(=10.739m330m长的槽钢可绕圈数330/10.739≈40圈则二段各绕20圈冷却段高度为20*（80+40）-40=12400mm筒体实际冷却面积为40*11.367*0.008=3.64m2/T2）锥底部分锥底部分醪液量为:9.74*1.0484=10.21kg锥