发酵罐的设计16页文档资料.docx
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发酵罐的设计16页文档资料
工程大学课程设计任务书
班级：
姓名：
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：
m3
2.容积系数：
3.径高比：
4.锥角：
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）
⑴封面
⑵完成生物反应器设计化工计算
⑶完成生物反应器设计热工计算
⑷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1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的任务。
接受学生签字：
生物工程教研室
2010-11-15
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
由指定参数：
V全=30m3
=85%
则：
V有效=V全*
=25.5m3
二、基础参数选择
1、D：
H：
由指定参数选用D：
H=1：
4
2、锥角：
由指定参数取锥角为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，槽钢材质为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：
2.5KG/CM3
外压：
0.3KG/CM3
6、锥形罐材质：
A3钢外加涂料，接管均用不绣钢
7、保温材料：
硬质聚氨酯泡沫塑料，厚度200mm
8、内壁涂料：
环氧树脂
三、D、H的确定
由D：
H=1：
4，则锥体高度H1=D/2tg450=0.5D
封头高度H2=D/4=0.25D
圆柱部分高度H3=（4.0-0.5-0.25）D=3.25D
又因为V全=V锥+V封+V柱
=
×D2/4×H1+
×D3+
×D2×H3
=0.131D2+0.131D2+2.551D2=30
得D=2.20m
查JB1154-74《椭圆形封头和尺寸》取发酵直径D=2400mm
再由V全=30cm2，D=2.4m
得径高比为：
D:
H=1：
2.8
由D=2400mm查表得
椭圆封头几何尺寸为：
h1=600mm（曲面高度）
h0=25mm（直边高度）
F=6.41m2（内表面积）
V=1.93m3（容积）
筒体几何尺寸为：
H=6624mm
F=36.90m2
V=22.14m3
锥体的几何尺寸为：
h0=25mm
r=360mm
H=1200mm
F=
=3.705m2
V=
=2.80m2
则：
锥形罐总高：
H=600+25+4896+25+1200=6746mm
总容积：
V=1.93+22.14+2.80=26.87m3
实际充满系数
：
25.5/26.87=94.9%
罐内液柱高：
H丿=（25.5-2.80）*4*102/2.42+（1200+25）=6260mm
三、发酵罐的强度计算
（一）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=2.75KG/cm2
S=
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0.6
则；
S=[2.75*2400/（2*1520*0.9-2.75）]+3.4=5.8
取S0=6mm
直角边h0=25mm
校核
=（PD中/4S）*（D中/2h）
=[2.75*（2400+6）/（4*6）]*[（2400+6）/（2*600）]=552.75<=[
]t
2.筒体
P设=1.1*（p工作+p静）=1.1*（2.5+0.61）=3.42kg/cm2
S=[PD/（[
]
-P）]+C（C2=0.6,C2=2,C3=0.6）
=[（3.42*2400）/（2*1520*0.9-3.42）]+3.4=6.4mm
取S=8mm
校核
=PD中/2S=588<=[
]t
3.锥形封头
1）过渡区壁厚
S=[（KP设Dg）/（2[
]t-0.5P）]+C
P设=1.1*（2.5+0.9）=3.74kg/cm2（其中0.9为静压）
K=0.75
S=[（KP设Dg）/（2[
]t-0.5P）]+C
=（0.75*3.74*2400）/（2*1520*0.9-0.5*3.74）+C
=2.46+C=2.46+0.6+0.246=5.31mm
2）锥体
S=[（f*P设Dg）/（[
]t-0.5P）]+C
S0=[（f*P设Dg）/（[
]t-0.5P）]=（0.60*3.74*2400）/（1520*0.9-0.5*3.74）（f查表为0.60）依据《化工设备机械基础》
=3.94
S=S0+C=3.94+0.6+2+0.394=6.937
取S=8mmh0=25mm
校核锥体所受的最大压力处
=PD中/2Scos450
=3.74*（2400+8）/2*10*cos450
=636.81<=[
]t
（二）、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=2160mm
R内/100S0=2160/100*5=4.32
查表4-1及B=260（依据化工容器设备设计手册）
[P]=B*S0/R内=260*5/2160=0.6kg/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=6mmL/D=0.69D=2400/6=400
查表4-1及B=200
【P】=200*6/2400=0.5kg/㎠S0=6mm
故可取C1=0.6mm,C2=2mm,C3=0.6mm
则S=S0+C=9.2mm，取S=10mm
3.锥形封头
因为：
α=45°所以22.50°﹤α﹤60°
按第四章发酵罐设计中的封头设计可知，加强圈间中椎体截面积最大直径为：
2*2740/2*tan45°=1918.6mm
取加强圈中心线间椎体长度为1370mm
设S0=6mmL/D=1370/2400=0.57
D/S0=2400/6=400
查图表4-1可知及B=250
【P】=BS0/D=250*6/2400=0.625﹥0.3kg/㎠
故取S0=6mmC1=0.6mm，C2=2mm，C3=0.6mm
所以S=S0+C=9.2mm
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=25mm
圆筒壁厚10mm
标准形封头壁厚12mmh0=25mm
5、锥形罐的强度校核
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
=2400kg/cm2
试=
=4.68
（2400+12-3.2）/2*（12-3.2）
=563.6kg/cm2
0.9
=0.9*0.9*2400=1944kg/cm2
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*2400/1000=4.8mm
而设计时取壁厚为S=10mm，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，筒体二段，锥部一段，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12o（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98mm）
二、总发酵热计算
Q=q*v=119*24=8330kg/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*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△t平=-3℃下的
=976kg/m3
C=1.04kcal/kg·oC
冷却剂的冷却能力为：
Q=7.248×103×976×1.041×2×3600
=53021.4kcal/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Q6=KA△tm求得冷却面积。
1.传热系数K的确定
1）醪液α1的计算
α1=0.64×C×4
=0.64×185×4
=185.3kcal/㎡h°C
2）冷却夹套的α2的计算
湿润周边=80+（80+4*8.0）+2*（43-1）
de=
=204mm=20.4cm
de=4*24.16/20.4=4.74cm=0.0474m
20%（v／v）酒精在定性温度t=（-4-2）/2=-3℃下
μ=5.05CP=5.05×103Pa·s
=0.402kcal/hrm℃=0.468W/m℃
Cp=1.041kcal/kg℃=4.358×103J/kg℃
=976kg/㎡
μ=1m/s
Re=du/μ=9160=104
故可视为强制湍流流动得n=0.4
α2=0.023/d（Re）0.8（Cpμ/）0.4=1348.4kcal/hr·m·℃
因为计算时冷却盘管为直径的，先修正：
α’=α（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K
代入数据可得：
1/k=
所以：
K=kcal/㎡°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=Q1+Q2
Q1=kcal/hr
Q2=kcal/hr
所以Q醪=Q1+Q2
2）外界与罐体的传热量
A.封头部分Q1=KF
带入数据得KF=
Q1=KF=
B.筒体部分：
带入数据：
得：
KF=
Q2=KF
3.筒体冷却面积A初定
A=
则醪液的冷却负荷为：
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
则槽钢长=
取相邻两槽钢间距为40mm
一圈槽钢长：
l0=
330m长的槽钢可绕圈数
则二段各绕圈
冷却段高度为
筒体实际冷却面积为
2）锥体部分
锥体部分醪液量为
锥体部分冷却面积为
则槽钢长为
绕制高度为
第三节发酵罐附件的设计及选型
1．人孔
1.选用人孔材料A3钢
2.补强圈尺寸确定如下：
D内=
D外=
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mm
2．视镜
1.选用带颈视镜
2.补强圈尺寸确定如下：
内径D1=mm外径D2=mm
补强圈的厚度=
考虑罐体与视镜筒节均有一定的壁厚裕量，故补强圈取
3．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
4．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/㎠
夹套内3.5kgf/㎠
2）气压实验罐内3kgf/㎠
夹套内3kgf/㎠
7.设备内应涂白色7435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
m³圆柱锥底发酵罐的规范表
名称
m³圆柱锥底发酵罐
罐体规格：
直径（mm）
2800
柱体高度（mm）
总高度（mm）
总容积
有效容积
罐利用率
材质
钢板厚度：
圆柱部分
上封头
圆锥部分
工作压力（kg/㎠）：
罐内
工作压力（kg/㎠）：
罐外
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
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
保护层
希望以上资料对你有所帮助，附励志名言3条：
1、有志者自有千计万计，无志者只感千难万难。
2、实现自己既定的目标，必须能耐得住寂寞单干。
3、世界会向那些有目标和远见的人让路。
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