酒精发酵罐的设计.docx

酒精发酵罐的设计.docx

《酒精发酵罐的设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《酒精发酵罐的设计.docx（14页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

酒精发酵罐的设计

第一章啤酒露天发酵罐的化工设计计算

一、发酵罐的容积确定

实际需要选用V全=40m3的发酵罐

则V有效=V全×

=40×80%=32m3

二、基础参数选择

1.D:

H选用D:

H=1:

3

2.锥角：

取锥角为70°

3.封头：

选用标准椭圆封头

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㎏／cm3

外压：

0.3㎏／cm3

6.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／2tg35°=0.714D

封头高度H2=D／4=0.25D

圆柱部分高度H3=（2.0-0.714-0.25）D=1.04D

又因为V全=V锥+V封+V柱=

×

×H1+

×D3＋

×D2×H3

=0.187D3+0.13D3+0.816D3=40

得D=3.30m

查JB1154-73《椭圆形封头和尺寸》取发酵直径D=3400mm

再由V全=40cm3，D=3.4m

设H:

D=x

0.187D3＋0.13D3＋（x-0.714-0.25）D3=40

X=1.86

得径高比为D:

H=1:

1.86

由D=3400mm查表得椭圆形封头几何尺寸为：

h1=850mm

h0=50mm

F=13.0m2

V=5.60m3

筒体几何尺寸为：

H=2946mm

F=31.46m2

V=47.42m3

锥体封头几何尺寸为：

H0=50mm

r=510m

H=2428mm

F=πd2／4-[

+0.64]=6.9m2

V=πd3／24[（0.7+0.3COSa）2／tga+0.72]=10.27m3

则：

锥形罐总高：

H=575+40+5791+40+1714=8160mm

总容积：

V=1.76+26.18+3.53=42.6m3

实际充满系数：

32／42.6=75%

罐内液柱高：

H，=

+（2428+50）=4873mm

四、发酵罐的强度计算

4.1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㎏／cm2

S=

式中：

P=2.75㎏／cm2

：

A3钢工作温度下的许用力取1520㎏／cm2

：

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2mm

C3:

制造减薄量取0.6mm

则：

取S0=7mm

直边高：

h0=50mm

校核

=

=670.6

t

2.筒体

P设=1.1×（P工作+P静）

=1.1*（2.5+0.61）=3.42㎏／cm2

S=

（取C2=0.6,C2=2,C3=0.6）

=

取S=8mm

校核

2=PD/2s=728.5≤

t

3.锥形封头

（1）过渡区壁厚

S=

P设=1.1*（2.5+0.9）=3.745㎏／cm2（0.9为静压）

K=0.75

S=

=

=3.49+C

=3.49+0.6+2+0.369

=6.46mm

（2）锥体

S=

+C

S0=

=

（

查表为0.60）

S=S0+C=5.6+0.6+2+0.59=8.57

取S=10mmh0=40mm

校核锥体所受最大应力处：

=

=778.5

t

4.2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/100S=3060/（100×5）=6.12

查图表4-1及B=275

[P]=B*S0/R内=275*5/3240=0.43kg/cm2>0.3kg/cm2

满足要求

取C1=0.5mm，C2=2mm，C3=0.5mm

则S=S0+C=8mm

2.筒体

设S0=6mm

L/D=0.86

S0/D=2400/6=400

查图表4-1及B=210

[P]=210×6/3400=0.37kg/cm2>0.3kg

S0=6mm

故可取C1=0.6mm，C2=2mm，C3=0.6mm

则S=S0+C=9.2mm或10mm

3.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可知，加强圈间中锥体截面积最大直径为：

（2×2428/2）×tg35°=1700mm

取加强圈中心线间锥体长度为1214mm

设S0=6mm

L/D=857/3400=0.36

D/S0=3400/6=566.7

查图表4-1及B=320

[P]=BS0/D=320*6/3400=0.53>0.3kg/cm2

故取S0=6mm

C1=0.6mm，C2=2mm，C3=0.6mm

所以S=S0+C=6+3.2=9.2

取S=10mm

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10mmh0=50mm

圆筒壁厚10mm

标准形封头壁厚12mmh0=50mm

五、锥形罐的强度校核

5.1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/cm2

液压实验P试=1.25P=4.68kg/cm2

查得A3钢σ=2400kg/cm3

σ试=P试[Dg+（S-C）]/2（S-C）

=4.68*[3400+（12-3.2）]/2*（12-3.2）

=890.9kg/cm2

0.9ψσ=0.9*0.9*2400=1944kg/cm2>σ试

可见符合强度要求，试压安全

5.2外压实验

以内压代替外压

P=1.5*（0.3+1.2）=2.25kg/cm2

P试=1.25P=2.8kg/cm2

故可知试压安全

5.3刚度校核

本例中允许S=2*3400/1000=6.8mm

而设计时取壁厚为S=10mm，故符合刚度要求（公式：

S最小=2D内/1000）

第二章发酵罐热工设计计算

一、计算依据

计采用A3刚作发酵罐材料，用8号槽钢做冷却夹套，分三段冷却，筒体二段，椎部一段，夹套工作压力为2.5kg/cm2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℃（主要发酵5-6天，封头及筒体部分保温层厚度为200mm，椎底部分为98mm）

二、总发酵热计算

Q=q*v=119*32=3808kg/hr

q为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

1、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%（V/V）酒精溶液Δt平=-3℃下的ρ=976kg/m3

Cρ=1.04kcal/kg·℃

冷却剂的冷却能力为：

Q=7.248*103*976*1.041*2*3400=60082kcal/hr

故可选取8号钢槽为冷却夹套。

2、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℃到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为设计的小时降温量，则由Q=KAΔtm求得冷却面积。

2.1传热系数K的确定

2.1.1醪液α1的计算

α1=0.64*C*

=0.64*185*

=185.3kcal/m2·h·℃

2.1.2冷却夹套的α2的计算

湿润周边=80+（80+4*8.0）+2*（43-1）

de=（4*流体流动截面面积）/湿润周边

=276mm=27.6cm

de=4*24.16/27.6=3.5cm=0.035m

20%（V/V）酒精在定性温度t=（-4-2）/2=-3℃下

μ=5.05CP=5.05*103Pa·s

λ=0.402kcal/hr·m·℃=0.468W/m·℃

Cp=1.041kcal/kg·℃=4.358*103J/kg℃

ρ=976kg/m2

μ=1m/s

Re=duρ/μ=9160=104

故可视为强制湍流流动得n=0.4

α2=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：

α、=α（1+1.77d/R）

=1348.4*（1+12）*0.0474/1.829

=1410.3kcal/hr·m·℃

1）筒体部分传热系数K

1/KA2=1/α1A1+Rs1/A1+b/λA2+1/α2A3+Rs2/A3

代入数据可得：

1/K=7.325*10-3

所以：

K=136.5kcal/m2·℃

注：

h为假设夹套高度（m）

3、锥形罐筒体需冷却的热量

1）醪液放热Q醪=Q1’+Q2’

Q1‘=37000×0.055×146.6=2983.3kcal/hr

Q2’=37000×0.9519×0.6=21132kcal/hr

所以,Q醪=Q1‘+Q2’=24115kcal/hr

2）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=0L.2

Q1=KF（t外平+t0附-t内）

=2.02×（10%+1）×（32+8.5-5）

78.72kcal/hr

b.筒体部分：

带入数据：

1/KF=1/αA1+δ1/λ1A2+δ2/λ2A2+δ3/λ2A4+1/αA5

得：

KF=15.67kcal/K·°C

Q2=KF（t外平+t0附-t内）

=1.1×15.6（32+8.5-5）

=6119kcal/hr

4、筒体冷却面积A初定

Q=KAΔtm

A=24115/136.5×11.3=15.6m2

则醪液的冷却负荷为：

15.6/37000=0.422m2/T>0.3m3/T

故冷却面积能够满足要求。

5、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#槽钢筒体冷却段面积为15.6m2，则槽钢长=15.6/0.08=195

取相邻两槽钢间距为40mm

一圈槽钢长：

l0=[（3.14×3.42）2+0.122]1/2=10.74m

330m长的槽钢可绕圈数195/10.74≈20圈

则二段各绕10圈

冷却段高度为：

10×（80+40）-40=1760mm

筒体时机冷却面积为：

（20*10.74）×0.08=17.2m2/T

2）锥底部分

锥体部分醪液量为10.27×1.0484=10.76

锥体部分冷却面积为

10.76×0.439=4.7m2

则槽钢长为4.7/0.08=58.7m

绕制高度为1000mm

第三章发酵罐的技术特性和规范

一、技术特性

1、本例按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、II类设备进行制造试验。

2、设备制造完毕后，设备内壁所有内表面焊缝须打磨光滑平缓过渡，但须保证用材料同样厚度。

3、立板焊接时应与底轴垂直，两块立板之间得分布误差不大于0.10

4、设备安装后轴线对基础的不垂直度在全场上不大于10mm，设备在现场就位安装。

5、设备组焊后，封头筒体锥形底的Ф400轴线在总高度范围内的不垂直度<15mm

6、设备应进行下列实验：

1）液压实验罐内3.5kgf/cm2

夹套内3.5kgf/cm2

2）气压实验罐内3kg/cm2

夹套内3kg/cm2

7、设备内应涂白色7535底漆层及面漆2层

8、设备碳钢外露表面应涂Y351-1红丹油防锈漆2层

9、设备保温罐外喷聚氨厚度200mm

二、发酵罐规范表

40m3圆柱锥底发酵罐的规范表

名称

40m3圆柱锥底发酵罐

罐体规格：

直径（mm）

3400

柱体高度（mm）

2946

总高度（mm）

6324

总容积m3

42.6

有效容积m3

32

罐利用率

75%

材质

A3钢

钢板厚度：

圆柱部分（mm）

10

上封头（mm）

10

圆锥部分（mm）

12

工作压力（kg/cm3）：

罐内

2.5

罐外

0.3

冷却形式

槽钢盘绕罐体的三段冷却

冷媒

20%究竟溶液（-4°C）

冷却面积

31.3

工作温度（°C）：

罐内

0—12

罐外

-4～4

外壁保温层

聚氨酯硬质泡沫材料

内壁涂料

环氧树脂

保护层

参考文献

[1] 陶玉贵项驷文汤斌生物反应器设计指导书

[2] 方利国编著计算机辅助化工制图与设计．北京：

化学工业出版社，2010.4

[3] 马秉骞主编化工设备．北京：

化学工业出版社，2009.7