啤酒露天发酵罐设计
安徽
工程
路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理
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发酵罐设计计算步骤
第一部分:生物反应器设计化工计算 一、发酵罐的容积确定
3设计需要选用V=50m的发酵罐 全
33则V=V×75%=50m×75%=37.5m 有效全
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:2.5?/cm? 外压:0.3?/cm?
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?
8(内壁涂料,环氧树脂
三、D、H确定
由D?H=1?3,则锥体高度H=D/2tan35?=0.714D 1
封头高度 H=D/4=0.25D 2
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圆柱部分高度 H=(3.0,0.714,0.25)D=2.04D 3
又因为V=V,V,V全封锥柱
2,D,,32 =(V锥),,H,,D,,D,H 1334244
=0.187D?,0.131D?,1.60D?=50m?
得D=2.97m
查JB1154-74《椭圆形封头和尺寸》取发酵罐直径
D=3000mm
再由V=50m? D=3.0m 全
得径高比 D?H=1:2.9
由D=3000mm查表得
h=750mm h=50mm F=10.23? V=3.89m? 10
筒体几何尺寸为:
H=5560mm F=52.38? V=39.28m? 锥体封头几何尺寸为:
h=50mm V=7.06m? H=2290mm F=15.54? 0
则锥形罐体总高:H=750+50+5560+50+2290=8700mm总
3 体积:V=3.89+39.28+7.06=50.23m全
实际充满系数ψ=37.5/50.23=74% 罐内液柱高:
23H′=[37.5-7.06/(3.14×3.0)/4] ×10+(2290+50)=6648.56
?
四、发酵罐的强度计算
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(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=2.75?,??
PDg S=,Ct,,2,,,P
式中:P=2.75?,??
[σ]:A钢工作温度下的许用力取1520. ?,?? 3
ψ: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=C,C,C 123
查表得:C:钢板厚度的负偏差取0.8负偏差 1
C:腐蚀裕量取2mm 2
C:制造减薄量取0.6 3
则:S=(2.75×3000/2×1520×0.9-2.75),3.4=6.4mm
取S=8mm 直边高h=50mm 00
校核
PDD,,中中,,σ= ,,4s2h,,
=[2.75×(3000+8)/4×8] ×(3000,8)/2×750
e=518.4?[δ]
2(筒体
P=1.1×(P,P) 设工作静
=1.1×(2.5+0.61)=3.42?,??
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PDS=(取C=0.6,C=2,C=0.6) ,C123,,2,,,P
=3.42×3000/(2×1520×0.9,3.42),3.2=6.95mm
取S=8mm
校核
PDt 中σ==642.9?ψ[σ]22s
3(锥形封头
1)过渡区壁厚
KPDg设S= ,Ct,,,,2,0.5P
P=1.1×(2.5,0.9)=3.74?,??(0.9为静压) 设
K=0.716
KPDg设S= ,Ct,,,,2,0.5P
=0.716×3.74×3000/(2×1520×0.9,0.5×3.74)
,C
=2.94,C
=2.94,0.6,2,0.29 =5.83mm
(2)锥体
f,PDgS= ,Ct,,,,,0.5P
f,PDgS= 0t,,,,,0.5P
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安徽工程大学机电学院 =0.60×3.74×3000/(1520×0.9,0.5×3.74) (f查
表为0.60)
=4.93mm
S= S,C=4.93,0.6,2,0.49=8.02mm 0
取S=10mm h=50mm 0
校核锥体所受最大应力处:
0σ= PD/2Scos35 中
=3.74×3010/(2×10×cos35?)
t =687.14?[σ]
(二)锥体为外压容器的壁厚计算 1(标准椭圆封头
设S=5mm 0
R=0.9Dg=2700mm 内
R,100S=2700,100×5=5.4 内0
查图表4-1得B=275 [P ]=B×S,R=275×5,2700=0.50?,??,0.3?0内
,??
满足要求
取C=0.5mm,C=2mm,C=0.5mm 123
则S=S,C=8mm 0
2(筒体
设S=5mm 0
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L/D=0.57
D=3000/5=600
查图表4-1得 B=210
[P ]=210×5,3000=0.35?,??,0.3?,??
S=5mm 0
故可取C=0.5mm,C=2mm,C=0.5mm 123
则S= S,C=8mm 0
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设计可知,加强圈间中
锥体截面积最大直径为: 2×2290,2×tan35?=1603.5mm
取加强圈中心线间锥体长度为1145mm 设S=5mm 0
L,D=1145,3000=0.382 D,S=3000,5=600 0
查表4-1得B=320
[P ]=B×S/D=320×5/3000=0.53?,??,0.3?,0
??
故取S=5mm 0
C=0.6mm,C=2mm,C=0.5mm 123
所以S= S,C=8.1mm 0
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取S=9?
综合前两步设计,取两者中较大的。由生产经验确定
标准椭圆型封头厚度为8mm h=50mm 0
圆筒壁厚 8mm
标准型封头壁厚 10mm h=50mm 0
五、锥形罐的强度校核
1(内压校核
液压试验 P=1.25P 试设
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=3.74?,??
液压试验 P=1.25P=4.68?,?? 设
查得A3钢σ=2400?,??
PDg,S,C,,,,试, , 试,,2S,C
=4.68×[3000,(10-3.2)]/2×(12-3.2)
=799.54?,??
0.9ψσ=0.9×0.9×2400=1944?,??,σ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=1.5×(S,C)=1.5×(1.0,0.32)=1.98?,??
P试=1.25P=2.48?,??,P内试
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故可知试压安全
3(刚度校核
本设计中允许S=2×3000,1000=6.0mm
而设计时取厚度为S=8mm,故符合刚度要求
第二部分 发酵罐热工设计计算 一、 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2.5?,??冷媒为20%(V/V)酒精溶液,T=-4?,T=-2?,进出麦汁发酵温度维持12?(主发酵5—6天,封头及筒体部分保温层厚度为200mm,锥底部分为98mm)
二、 总发酵热计算
Q=q×v=119×37.5=4462.5?,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
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
??
冷却剂流量为(三段冷却)
-4-33×24.16×10×1=7.284×10m?/s
查得20%(V/V)酒精溶液Δt=-3?下的 平
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ρ=976?,m?
C=1.04kcal,??? ρ
冷却剂的冷却能力为:
3Q=7.248×10×976×1.041×2×3000
=44184.5 kcal,hr,4462.5 kcal,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,按目前我国生产工艺曲线看,日降温量较大的为13??5?,为了将来工艺更改留下裕量,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Q=KA0Δt求得冷却面积。 m
1(传热系数K的确定
1)醪液α的计算 1
4α=0.64×C× t1,t21
1/4 =0.64×185×(13-5)
=199.1kcal/?hºC
2)冷却夹套的α的计算 2
润湿周边=80,(80,4×8.0),2×(43,1)=276?
4,流体流动截面面积de= 湿润周边
de=4×24.16/27.6=3.5?=0.035m
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20%(V/V)酒精在定性温度t=(,4,2),2=,3?下
μ=5.05CP=5.05×10?Pa?s
λ=0.402kcal/hrm?=0.468W/??
C=1.041kcal/??=4.358×10?J/?? p
ρ=976?,?
υ=1m/s
4Re=duρ/υ=9160=10
故可视为强制湍流流动 得n=0.4
0.80.4α=0.023λ/d(Re)(Cμ/λ)=1348.4kcal/hr?m?? 2p
因为计算时冷却盘管为直管,先修正:
α=α(1,1.77d/R)
=1348.4×(1,1.77×0.035/1.829)
=1394.1kcal/hr?m??
3)筒体部分传热系数K
11Rs1b1Rs2 ,,,,,2,111,2,233KAAAAAA
代入数据可得:
111.3554h0.000675,11.335h0.010.000307,11.3554h0.00815h,,,,,K199.1,11.304h11.304h4511.3668h11.3651h
,3=6.968×10
所以:K=143.5kcal/???
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=Q,Q 醪12
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-2 Q= 33327×0.055×10×146.6=2676.16kcal/hr 1
Q=33327×0.9519×0.6=19034.4kcal/hr 2
所以 Q=Q,Q=21710.56kcal/hr 醪12
2)外界与罐体的传热量
a.封头部分Q=KF(t,t,t) 1外平0附内
代入数据得 KF=2.02 Q=KF×(10%,1)×(32,8.5,5) 1
=78.88kcal/hr
b.筒体部分:
代入数据:
,,,123111 ,,,,,,1,12,23,34,5KFAAAAA
得:KF=15.67kcal/K??
Q=KF(t,t,t) 2外平0附内
=1.1×15.67×(32+8.5,5)
=611.91kcal/hr
3.筒体冷却面积A初定
14,9,t,,t12? ,tm,,11.3,t114lnln,t29
Q=KAΔt m
A=22401.35/136.5×11.3=14.5? 则醪液的冷却负荷为:
14.5/33327=0.435?/T,0.3m?/T
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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14.5?
则槽钢长=14.5/0.08=181.25m
取相邻两槽钢间距为40mm
一圈槽钢长:
? l=[(3.14×3.08) ?,0.12?]=9.67m 0
181.25m长的槽钢课绕圈数181.25/9.67?18圈
则二段各绕9圈
冷却高度为
9×(80,40),40=1040mm
筒体实际冷却面积为
18×9.67×0.08=13.92?/T
2)锥底部分
锥体部分醪液量为7.06×1.0484=7.40
锥体部分冷却面积为
7.06×0.439=3.10?
则槽钢长为3.10/0.08=38.75m
绕制高度为1000mm
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第三节 发酵罐附件的设计及选型 人孔
1.选用人孔BIIPg6Dg450*8 H1=220JB-64-28材料A3钢 2.补强圈尺寸确定如下:
D内=484mm
dS,0 D外=760mm 补s,
21DD,
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
S=45×0.52/(760-484)=0.85cm 补
二(视镜
1.选用带颈视镜Pg150JB595-64-4 2.补强圈尺寸确定如下:
内径D= 163mm 外径D=300mm 12
补强圈的厚度 =150×8/(300-163)=8.8mm
考虑罐体与视镜筒节均有一定的壁厚裕量,故补强圈取8mm
三(接管
1.CO回收接管 2
YB804—70 Dg40无缝钢管 重3.6kg/m 法兰 Pg6Dg40HG5010—58 重 1.219kg
2.温度计取样接管
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见发酵罐总装图
3.冷却剂进口接管
YB804—70 Dg50无缝钢管 重4.65kg/m 法兰 Pg6Dg50HG5010—58 重 1.348kg 4.滤酒管
YB804—70 Dg50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、?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
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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。
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50m ?圆柱锥底发酵罐的规范表
名称 50m ?圆柱锥底发酵罐 罐体规格:直径(mm) 3000
柱体高度(mm) 5560
总高度(mm) 8700
总容积m ? 50.23
有效容积m ? 37.5
罐利用率 74%
材质 A钢 3
钢板厚度:圆柱部分(mm) 8
上封头(mm) 8
圆锥部分(mm) 10
工作压力(?/??):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(,4?)
冷却面积m ?/T 31.8 工作温度(?):罐内 0—12
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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
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