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啤酒发酵罐课程设计

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

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

、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勺钢制发酵罐，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。

第四阶段：

1960-1979年，机械搅拌通风发酵罐的容积增大到3

80-150m。

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，它可以克服一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CO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v6.0m。

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，CO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；CO回收和CQ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CO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：

1由于采用凝聚性酵母，S>S,使发酵速度3区〉1区；导致RV

浓度差，促进发酵液的对流；

2由于3区发酵速度快，产生CO多，加上液压，使P3>Pi而形成压力差推动发酵液对流；

3由于发酵时控制t3>tl,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〜tl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

贝yV全二V有效/©=22.5m3/75%=3om

㈡、基础参数选择

1.D：

选用D：

H=1：

2.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：

2.5kg/cm3外压：

0.3kg/cm3

6.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伽

8.内壁涂料，环氧树脂

㈢、DH确定

由D：

H=1：

4,则锥体高度H二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

D232

H1D3D2H3

4244

=0.187D

3+0.131D3+2.386D3=30n3

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=30n3

D=2.4m

得径高比D:

H=1:

3.72

由D=2400mr查表得

椭圆形封头几何尺寸为：

hi=600mmho=40mmF=6.52mV=2.00m

筒体几何尺寸为：

H=6614mmF=49.84m2V=29.9m3

锥体封头几何尺寸为：

ho=4Ommr=280mmH=1714mm

F=nd/4[（0.7+0.3cosa）/sina+0.64]=10.64m2

V=nd/24[（0.7+0.3cosa）/tana+0.72]=3.60m3

则锥形罐体总高：

H=60（+40+6614+40+1714=9008mm

总体积：

V全=2.00+29.9+3.60=35.5m3

实际充满系数9=22.5/35.5=63.3%

罐内液柱高：

H二[22.5-3.75/（3.14X1.22）/4]X102+（1714+40）=3413mm

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1.1X2.5=2.75kg/m2

式中：

P=2.75kk/cm2

[（T]:

A钢工作温度下的许用力取1520.kk/cm2

9：

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=G+C+C3

查表得：

钢板厚度的负偏差取0.8负偏差

C2：

腐蚀裕量取1.5mm

C3：

制造减薄量取0.6

则：

S=（2.75X2400/2X1520X0.9-2.75）+3.4=5.814mm取S=8mm

直边高h°=40mm

校核

_PD中D中

4s2h

（T=

二[2.75X（2400+8）/4X8]X（2400+8）/2X900

=369.12三[5]

2.筒体

P设=1.1x（P工作+P静）

=1.1X（2.5+0.61）=3.42kg/m2

S=—PD—C（取G=0.6，G=2,03=0.6）

=3.42X2400/（2X1520X0.9—3.42）+3.2=6.2mm取S=7mm

校核

3.锥形封头

1）过渡区壁厚

S=KP设Dg

2t0.5P

P设=1.1X（2.5+0.9）=3.74kk/cm2（0.9为静压）

K=0.716

S=KP设Dg

2t0.5P

=0.716X3.74X2400/（2X1520X0.9—0.5X3.74）+C

=2.35+C

=2.35+0.6+2+0.59

=5.54mm

（f查表为0.60）

>0.3kk/cm2

2）锥体

S=ftPDgC

0.5P

So=fPDg

t0.5P

=0.60X3.74X2400/（1520X0.9-0.5X3.74）

=3.94mm

S=S0+C=3.94+0.6+2+0.59=7.13mm

取S=8mmh=40mm

校核锥体所受最大应力处：

_PD中

（T

2scos45

=3.74X（2400+8）/（2X10Xcos35°）

=687.14三[（T]t

⑵锥体为外压容器的壁厚计算

1.标准椭圆封头

设S=5mm

R内=0.9Dg=2160mm

R内/100S=2160/100*5=4.32

查图表4-1得B=275

[P]=BXS0/R内=275X5/2160=0.64kg/m2

满足要求

取G=0.5mn,C2=2mn,C3=0.5mm

贝yS=S+C=8mm

2.筒体

设S=5mm

L/D=0.69

D=2400/6=400

查图表4-1得B=210

[P]=210X6/2400=0.53kg/m2>0.3kg/m2

So=6mm

故可取C=0.6mn,C2=2mn,C3=0.6mm

贝卩S=S°+C=9.2mm取S=10mm

3.锥形封头

因为a=35°

所以22.50°

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：

2X2215/2Xtan35°=1551mm

取加强圈中心线间锥体长度为1157.5mm设S=5mm

L/D=1157.5/2400=0.482

D/S=2400/5=480

查表4-1得B=275

[P]=BXS/D=275X6/2400=0.69kk/m2>0.3kk/m2

故取S=6mm

C=0.6mn,C2=2mn,C3=0.6mm

所以S=So+C=9.2mm

取S=10mm

综合前两步设计，取两者中较大的。

由生产经验确定

标准椭圆型圭寸头厚度为8mmho=40mm

圆筒壁厚10mm

标准型圭寸头壁厚10mmho=4Omm

⑶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=3.74kg/m2

液压试验P设=1.25P=4.68kk/cm2

查得A3钢。

=2400kk/cm2

=4.68

X[2400+（10-3.2）]/2X（10-3.2）

=828.2

kk/cm2

试

P试DgSC

2SC

0.9=0.9X0.9X2400=1944kk/cm2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

P=1.5X（S+C）=1.5X（1.0+0.3）=1.3kg/m2

P试=1.25P=1.63kk/cm2VP内试

故可知试压安全

3.刚度校核

本设计中允许S=2X2400/1000=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2.5km/m2冷媒为

20%（V/V）酒精溶液，T进=-4C,T出=-2C,麦汁发酵温度维持12C（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98mr）i

㈡总发酵热计算

Q=Wv=119X22.5=2677.5kk/hr

q每立方米发酵麦汁在主发酵期间每小时放热量；

v为发酵麦汁量

㈢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

=8X4.3—10.24=24.16cm2

冷却剂流量为（三段冷却）

3X24.16X10-4X仁7.284X10"3n8/s

查得20%（V/V）酒精溶液厶t平=-3C下的

P=976kg/m3

Cp=1.04kcal/kk・C

冷却剂的冷却能力为：

Q=7.248X103x976x1.041x2X2400

=35347.6kcal/hr>8330kcal/hr

故可选取8号槽钢为冷却夹套。

㈣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

我国生产工艺曲线看，日降温量较大的为13C-5C,为了将来工艺

更改留下裕量，设计取13-5=8C为设计的日降温量，取0.6C/hr为设计的小时降糖量，则由Q0=KAtm求得冷却面积。

①传热系数K的确定

1）醪液a1的计算

t1+t2

150

170

185

204

a1=0.64xCx4t1t2

=0.64x185x4135

=198.9kcal/m2hoC

2）冷却夹套的a2的计算

润湿周边=80+（80+4x8.0）+2x（43-1）=276mm

4流体流动截面面积de=

湿润周边

=204mm=20.4cm

42416

de=.—=4.74cm=0.0474m

20.4

20%（V/V）酒精在定性温度t=（-4-2）/2=-3C下

a=5.05CP=5.05X103Pa•s

入=0.402kcal/hrmC=0.468W/k『C

G=1.041kcal/kgC=4.358x103J/kgC

p=976kk/rf

u=1m/s

Re二dup/u=9160=10

故可视为强制湍流流动得n=0.4

a2=0.023入/d（Re）0.8（Cpa/入）0.4=1348.4kcal/hr•m-C

因为计算时冷却盘管为直管，先修正：

a=a（1+1.77d/R）

=1348.4x（1+1.77x0.0474/1.829）

=1410.3kcal/hr•m-C

3）筒体部分传热系数K

11Rsb1RS2

KA21A1A1A2A3A

代入数据可得：

A1-筒体内层传热面面积12.3062m2

A2-筒体平均传热面积12.3562m2

A3-筒体外壁平均传热面积12.304m2

Rs1-啤酒液污垢系数0.000675mhC/kcal

Rs2-冷却剂污垢系数0.000307mhC/kcal

1-发酵液传热系数192.5kcal/mhC

2-夹套冷却剂的传热系数206.4kcal/mhC

A-筒体材料导热系数4.562kcal/mhC

b-筒体壁厚0.01m

112.3562h0.00067512.3562h0.010.00030712.3562h0.00815h

K193.512.304h12.304h石12.3062h12.3562h

=7.058X10

所以：

K=141.7kcal/m・C

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醪二Q+Q

Q1=34765X0.055X146.6=2803.1kcal/hr

Q2=34765X0.9519X0.6=19855.68kcal/hr

所以Q醪二Q+Q=22658.78kcal/hr

2）外界与罐体的传热量

a.圭寸头部分Q=KF（t外平+10附一t内）

代入数据得KF=2.02X（10%+1）X（32+8.5—5）

=78.88kcal/hr

b.筒体部分:

代入数据：

111231

KFA11A22A33A4A5

得：

KF=15.67kcal/K

Q二KF（t外平+to附一t内）

=1.1X15.67X（32+8.5—5）

=611.91kcal/hr

筒体冷却面积A初定

Q=KA\tm

A=22958.78/（141.7X11.3）=14.34m2

则醪液的冷却负荷为：

14.34/34765=0.413m/T>0.3m3/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#槽钢筒

体冷却段面积为14.34m2

则槽钢长=14.34/0.08=179m

取相邻两槽钢间距为80mm

一圈槽钢长：

l0=[（3.14X2.4）2+0.122]?

=7.54m

179长的槽钢课绕圈数179/7.54〜24圈

则二段各绕12圈

冷却高度为

12X（80+40）—40=1400mm

筒体实际冷却面积为

24X11.567X0.08=22.2m2/T

2）锥底部分

锥体部分醪液量为10.213X1.0484=10.70kg

锥体部分冷却面积为

10.70X0.439=4.70m/T

则槽钢长为4.70/0.08=58.76m

绕制高度为1000mm

3、发酵罐附件的设计及选型

1入孔

1）、选用入孔BIIPg6Dg450X8H=220JB-64-28材料A3钢

2）、补强圈尺寸确定如下

D内=484mm

D外=760mm

补强圈的厚度S补

按下式计算，考虑罐体与入孔节均有一定的壁厚裕量，故

补强圈取8mm

S补=（dXS）/（D2-D1）=（45X0.52）/（76-484）=0.85cm

2视镜

1）选用带劲视镜Pg6Dg150JB595-64-4

2）补强圈尺寸确定如下：

内径D=163mm外径=300mm

补强圈的厚度S补按

S被二d*S°/D2-D1=150*8/300-163=8.8mm

考虑罐体与视镜筒节约有一定的壁厚余量，故补强圈取

3接管

1）CQ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

去滤酒馆于管内高度为1.2m即1200mm

5）麦汁进料及丫排放接管

8mm

Dg50接管

Dg125球阀控制酒量Dg50玻璃视镜观测丫排放情况

安徽工程大学

三、发酵罐的计算特性和规范

1、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①400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/cm

夹套内

3.5kgf/cm

2）气压实验罐内

3kg/cm

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

2、发酵罐规范表

30m3圆柱锥底发酵罐的规范表

名称

30m3圆柱锥底发酵罐

罐体规格：

直径（mr）

2400

柱体高度（mm

6614

总高度（m）

9008

总容积m3

35.5

有效谷积n$

22.25

罐利用率

63.3%

材质

A钢

钢板厚度：

圆柱部分（mm

上圭寸头（mr）

圆锥部分（mr）

工作压力（kg/cm2）:

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%酒精溶液（-4C）

冷却面积m2/T

26.9

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

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