生物反应器设计MicrosoftWord文档.docx

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生物反应器课程之

啤酒罐设计任务书

啤酒罐设计任务书

班级：

xxx

学生姓名：

xxx

课题名称：

生物反应器设计（啤酒露天发酵罐设计）

指定参数：

1．全容：

20

2．容积系数：

75%

3．径高比：

1:

2

4．锥角：

900

5．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

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=20m3的发酵罐

则V有效=Ｖ全×

=20×75%=15m3（

为容积系数）

二、基础参数选择

1．D:

H:

选用D:

H=1:

2

2．锥角：

取锥角为900

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（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㎏/㎝3

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/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=（2.0-1/2-0.25）D=1.25D

又因为：

V全=V锥+V封+V柱

所以得到：

20=

×D2/4×H1+

×D3+

×D2×H3

20=

D3+

D3+

D3

20=1.243D3

得：

D=2.525m

查JB-T4746-2002《椭圆形封头和尺寸》取发酵直径D=2600mm

再由V全=20m3，D=2.6m

得径高比为：

D:

H=1:

1.94

由D=2600mm查表得

椭圆封头几何尺寸为：

h1=650mm

h0=40mm

F=7.63m2

V=2.51m3

筒体几何尺寸为：

H=3094

F=25.28m2

V=16.43m3

锥体的几何尺寸为：

h0=40mm

r=390mm

H=1502mm

F=

=9.648m2

V=

=3.57m2

则：

锥形罐总高：

H=650+40+3094+40+1502=5326mm

总容积：

V=2.51+16.43+3.57=22.51m3

实际充满系数

：

15/22.51=66.7%

罐内液柱高：

H丿=

*102+（1502+40）=1654.39mm

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/cm2（1.1为最大压力的倍数，在取值1.05-1.1以内）

S0=

+C

式中：

P=2.75kg/cm2

：

A3钢工作温度下的许用力取1520kg/cm2

：

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

钢板厚度

2.0

2.2

2.5

2.8

-

3.0

3.2

-

3.5

3.8

-

4.0

4.5

-

5.5

6.0

-

7.0

8.0

-

25

负偏差C1

0.18

0.18

0.2

0.22

0.25

0.3

0.5

0.6

0.8

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*2600/（2*1520*0.9-2.75）]+3.4

=7150/2733+3.4

=6.02㎜

取S0=7mm

直角边h0=40mm

校核

σ=（PD中/4S0）*（D中/2h1）

=[2.75*（2600+7）/4*7]*[（2600+7）/（2*650）]

=513<=[σ]t

2.筒体

P设=1.1*（p工作+p静）

=1.1*（2.5+0.61）=3.42kg/cm2

S=[PD/（2[σ]φ-P）]+C（C1=0.6,C2=2,C3=0.6）

=[（3.42*2600）/（2*1520*0.9-3.42）]+3.2

=8892/2732.58+3.2

=6.45mm

取S=7mm

校核σ2=P设D中/2S

=

=512.2<=[σ]t

3．锥形封头

1）过渡区壁厚

S=[（KP设Dg）/（2[σ]t

-0.5P）]+C

P设=1.1*（2.5+0.9）=3.74kg/cm2（其中0.9为静压）

折边锥体的系数K值

а

r/Di

0.1

0.15

0.2

0.3

0.4

0.5

100

0.6644

0.6111

0.5789

0.5403

0.5168

0.500

200

0.6958

0.6357

0.5986

0.5522

0.5223

0.500

300

0.7544

0.6819

0.6357

0.5749

0.5329

0.500

350

0.7980

0.7161

0.6629

0.5914

0.5407

0.500

400

0.8547

0.7604

0.6981

0.6127

0.5506

0.500

450

0.9253

0.8181

0.7440

0.6402

0.5635

0.500

500

1.0270

0.8944

0.8045

0.6745

0.5804

0.500

550

1.1608

0.9480

0.8859

0.7249

0.6028

0.500

600

1.3500

1.1433

1.0000

0.7923

0.6337

0.500

r为锥形半径375mm，Di=D内+2r（1-cosа）а=450

可得r/Di=375/2725=0.14

K=0.8181

S=[（KP设Dg）/（2[σ]t

-0.5P）]+C

=（0.8181*3.74*2600）/（2*1520*0.9-0.5*3.74）+C

=7955.2/2734.13+C

=5.8mm

2）锥体

S=[（f*PDg）/（[

]t

-0.5P）]+C

S0=[（f*P设Dg）/（[

]t

-0.5P）]

=（1.4*3.74*2600）/（1520*0.9-0.5*3.74）（f=1/cosа=1/0.7=1.4）

=6.4mm

S=S0+C=6.4+0.6+2+0.64=9.64mm

取S=10mmh0=40mm

校核锥体所受的最大压力处

σ=PD中/2scos450

=3.74*2614/2*10*cos450

=697.2<=[σ]t

（二）、锥体为外压容器的壁厚计算

1．标准椭圆封头

Ri规定：

标准椭圆封头Ri=0.9D内

S0=6mm

R内=0.9Dg=0.9*2600=2340mm

R内/100S0=2340/100*6=4.68

由上图知B=160

[P]=B*S0/R内=160*6/2340

=0.41kg/cm2>0.3kg/cm2

满足要求

取C1=0.8㎜，C2=2㎜，C3=0.8㎜

则S=S0+C=9.6㎜

2．筒体

设S0=6㎜

L/D=0.69

D=2600/6=433.33

由上表知：

B=195

[P]=195*6/2600=0.45㎏/㎝2>0.3㎏/㎝2

S0=6㎜

故可取C1=0.6㎜，C2=2㎜,C3=0.6㎜

则S=S0+C=9.2mm取S=10mm

3．锥形封头

因为：

ａ=450

所以22.500<ａ<600

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*1502/2*tan450=1502㎜

取加强圈心线间椎体长度为751㎜

设S0=6㎜

L/D=751/2600=0.29

D/S0=2600/6

查上图知B=208

[P]=BS0/D=208*6/2600=0.48>0.3㎏/㎝2

故取S0=6㎜

C1=0.6㎜，C2=2㎜，C3=0.6㎜

所以S=S0+C=9.2mm

取S=12㎜

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14㎜h0=40㎜

圆筒壁厚10㎜

锥形封头壁厚12㎜h0=40㎜

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=、

=4.68

=693.7kg/cm2

0.9

=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/cm2

P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*2600/1000=5.2mm

而设计时取壁厚为S=10m，故符合刚度要求（公式：

S最小=

D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*15=1785㎏/hr

q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

=8.0*4.3-10.24=24.16㎝2

冷却剂流量为（三段冷却）u=1m/s

3*15.054*10-4*1=4.52*10-3m3/s

查得20%（V/V）酒精溶液△t平=-3℃下的

ρ=976kg/m3

Cρ=1.04kcal/kg·℃

冷却剂的冷却能力为:

Q=7.248*10-3*976*1.04*2*2600

=38293kcal/hr>8330kcal/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

t1+t2

2

4

6

8

10

C

25

150

170

185

204

а1=0.64*C*

=0.64*185*

=199.12kcal/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

de=

de=4*24.16/20.4=0.0474m

20%（V/V）酒精在定性温度t=（-4-2）/2=-3℃下

µ=5.05*103Pa·s

λ=0.402kcal/hrm℃=0.468W/m·℃

Cρ=1.04kcal/kg·℃=4.358*103J/kg·℃

ρ=976kg/m3

u=1m/s

Re=duρ/µ=9750=104

故可视为强制湍流流动得n=0.4

а2=0.023λ/d（Re）0.8（Cpµ/λ）0.4

=0.23*0.402/3*（9750）0.8*（1.04*5.05/3）0.4

=1547kcal/hr·m·℃

因为计算时冷却盘管为直管的，先修正：

а=а2（1+1.77d/R）

=1547*（1+1.77*2.5/19.3）

=1901.7kcal/hr·m·℃

3）筒体部分传热系数K

=

+

+

+

+

A1-筒体内层传热面面积14.426m2

A2-筒体平均传热面积14.564m2

A3-筒体外壁平均传热面积14.562m2

Rs1-啤酒液污垢系数0.000675m2h℃/kcal

Rs2-冷却剂污垢系数0.000307m2h℃/kcal

ａ1-发酵液传热系数192.5kcal/m2h℃

ａ2-夹套冷却剂的传热系数206.4kcal/m2h℃

Λ-筒体材料导热系数4.562kcal/m2h℃

b-筒体壁厚0.01m

带入数据可得：

=

+

+

+

+

=14.36*10-3

所以：

K=69.6kcal/㎡·℃

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+Q2

降糖放热Q1=N*q*V1

N-简体部分所占醪液量：

16489kg

q-1kg麦芽糖发酵时放出的热量：

146.6kcal/kg

V1–降糖速度0.052Bx/h

Q1=16489*0.055*10-2*146.6=1329.5kcal/hr

降温放热Q2=NλV2

λ-醪液传热系数0.95kcal/kg℃

V2–降温速录0.6℃/hv

Q2=16489*0.95*0.6=9398.7kcal/hr

所以Q醪=Q1+Q2=10728.2kcal/hr

2）外界与罐体的传热量

A.封头部分Q3=KF（t外平+t0附-t内）

t外平–室外空气的平均温度28℃

t0附-太阳辐射传热和热传导的附加温度7℃

t内–罐体内最低温度4℃

=

+

+

+

+

K-总传热系数kcal/m2h℃

F-传热计算面积m2

ａ-空气对维护结构外表面给热系数1.3kcal/m2h℃

A1-外表面积78.m52

A2-保护层计算面积78.4m2

A3-保温层材料计算面积145.2m2

A4-筒壁计算面积72.5m2

A5-筒内壁计算面积72.3m2

δ1保温层的网纹板厚度0.007m

δ2保温层厚度0.008m

δ3筒壁厚0.01m

λ1保温层材料导热系数10.4kcal/m2h℃

λ2保温层导热系数0.043kcal/m2h℃

λ3筒体材料导热系数192.4kcal/m2h℃

ａ0筒体内表面液体对室外空气给热系数165.8kcal/m2h℃

代入数据得KF=1.85

Q3=KF（t外平+t0附-t内）

=1.85*（10%+1）*（28+7-4）

=63.1kcal/hr

B.筒体部分：

带入数据到下式：

得：

KF=13.6kcal/K℃

Q4=1.1KF（t外平+t0附-t内）

=1.1*13.6*31

=463.8kcal/hr

3．总冷却量的确定

Q=Q1+Q2+Q3+Q4=11255.1kcal/hr

4.筒体冷却面积A初定

由Q=KA△tm的

式中K为传热系数49.28kcal/m2h℃

△tm=

△tm-对数温度差℃

△t1-啤酒与冷媒进口温度差12-（-4）=16℃

△t2-啤酒与冷媒出口温度差12-（-2）=14℃

知△tm=（16-14）/ln16/14=2/0.134=14.9℃

Q=KA△tm可得A=Q/K△tm

A=11255.1/49.28*14.9=15.32m2

则醪液的冷却负荷为：

15.32/11255.1=1.30m3/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号槽钢筒体冷却段面积为15.32㎡

则槽钢长=15.32/0.08=191.5m

取相邻两槽钢间距为30mm

一圈槽钢长：

l0=

=8.2m

191.5m长的槽钢可绕圈数191.5/8.2≈24圈

则二段各绕12圈

冷却段高度为12*（80+30）-40=1280mm

筒体实际冷却面积为

24*8.2*0.08=15.75m2/T

2）锥体部分

锥体部分醪液量为:

2.13*1.0484=2.23kg

锥体部分冷却面积为:

2.23*0.439=0.980m2

则槽钢长为:

0.980/0.08=12.25m

绕制高度为:

200mm

第三节发酵罐附件的设计及选型

一.人孔

选用人孔（AXB350）Dg450*6H1=150HG/T21616-2005材料A3钢

补强圈尺寸确定如下：

D内=484mmD外=760mm

补强圈的厚度S补

按下式计算，考虑罐体与人孔筒节均有一定的壁厚裕量，故补强圈取6mm

S补=

=

=0.85cm

二.视镜

选用带颈视镜Pg6Dg150JB595——64——4

补强圈尺寸确定如下：

内径D1=163mm外径D2=300mm

补强圈的厚度S补按

S补=d*S0/（D2-D1）=80*6/（200-130）=6.9mm

考虑罐体与视镜筒节均有一定的壁厚裕量，故补强圈取6mm

三.接管

1.CO2回收接管

YB804—70Dg40无缝钢管重3.6kg/m

法兰Pg6Dg40HG5010—58重1.219kg

2.温度计取样接管

见发酵罐总装图

3.冷却剂进口接管

YB804—70Dg50无缝钢管重4.65kg/m

法兰Pg6Dg50HG5010—58重1.348kg

4.滤酒管

YB804—70Dg50不锈钢管重7.15kg/m

法兰Pg6Dg50HG5010—58重2.38kg

取滤酒管于罐内高度1.2m即1200mm

5.麦汁进料及Y排放接管

Dg125球阀控制酒量

Dg50玻璃视镜观测Y排放情况

Dg50接管

四.支座

见发酵罐总装图

第四节发酵罐的技术特性和规范

一、技术特性

1.本课程设计按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类设备进行制作试验。

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

3.立板焊接时应于底轴垂直，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长上不大于10mm，设备在现场就位安装。

5.设备组焊后，封头简体锥形底的Φ400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3kgf/cm2

夹套内3kgf/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Y35-1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

圆柱锥底发酵罐的规范表

名称

20m³圆柱锥底发酵罐

罐体规格：

直径（mm）

2600

柱体高度（mm）

3094

总高度（mm）

5326

总容积（m3）

22.51

有效容积（m3）

15

罐利用率

66.7%

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/）：

罐内

2.5

工作压力（kg/）：

罐外

0.3

冷却形式

槽钢盘绕罐体的三段冷却

冷媒

20%酒精溶液（-4℃）

冷却面积（m2）

15.75

工作温度（℃）：

罐内

0-12

工作温度（℃）：

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