啤酒发酵罐课程设计要点.docx

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啤酒发酵罐课程设计要点

生物反应器课程设计

-----啤酒露天发酵罐设计

姓名：

***

班级：

生工091

学号：

**********

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

一、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的钢制发酵罐，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80-150m3。

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—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CO2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＜6.0m。

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，CO2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；CO2回收和CO2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CO2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，S3＞S1，使发酵速度3区＞1区；导致B3＜B1浓度差，促进发酵液的对流；

②由于3区发酵速度快，产生CO2多，加上液压，使P3＞P1而形成压力差推动发酵液对流；

③由于发酵时控制t3＞t1，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～t1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

则V全=V有效/φ=22.5m3/75%=30m3

㈡、基础参数选择

1．D∶H：

选用D∶H=1∶4

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㎏/cm³外压：

0.3㎏/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㎜

8．内壁涂料，环氧树脂

㈢、D、H确定

由D∶H=1∶4，则锥体高度H1=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

=

=0.187D³＋0.131D³＋2.386D³=30m³

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=30m³D=2.4m

得径高比D∶H=1:

3.72

由D=2400mm查表得

椭圆形封头几何尺寸为：

h1=600mmh0=40mmF=6.52m2V=2.00m3

筒体几何尺寸为：

H=6614mmF=49.84㎡V=29.9m3

锥体封头几何尺寸为：

h0=40mmr=280mmH=1714mm

F=πd2/4[（0.7+0.3cosα）2/sinα+0.64]=10.64㎡

V=πd3/24[（0.7+0.3cosα）2/tanα+0.72]=3.60m³

则锥形罐体总高：

H=600＋40＋6614＋40＋1714=9008mm

总体积：

V全=2.00＋29.9＋3.60=35.5m³

实际充满系数ψ=22.5/35.5=63.3%

罐内液柱高：

H′=[22.5-3.75/（3.14×1.22）/4]×102+（1714+40）=3413㎜

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1.1×2.5=2.75㎏／㎝²

S=

式中：

P=2.75㎏／㎝²

[σ]：

A3钢工作温度下的许用力取1520.㎏／㎝²

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=C1＋C2＋C3

查表得：

C1：

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=（2.75×2400/2×1520×0.9-2.75）＋3.4=5.814mm

取S0=8mm

直边高h0=40mm

校核

σ=

=[2.75×（2400+8）/4×8]×（2400＋8）/2×900

=369.12≦[δ]t

②．筒体

P设=1.1×（P工作＋P静）

=1.1×（2.5+0.61）=3.42㎏／㎝²

S=

（取C1=0.6，C2=2，C3=0.6）

=3.42×2400/（2×1520×0.9－3.42）＋3.2=6.2mm

取S=7mm

校核

σ2=

=588.0≦ψ[σ]t

③．锥形封头

1）过渡区壁厚

S=

P设=1.1×（2.5＋0.9）=3.74㎏／㎝²（0.9为静压）

K=0.716

S=

=0.716×3.74×2400/（2×1520×0.9－0.5×3.74）＋C

=2.35＋C

=2.35＋0.6＋2＋0.59

=5.54mm

2）锥体

S=

S0=

=0.60×3.74×2400/（1520×0.9－0.5×3.74）（f查表为0.60）

=3.94mm

S=S0＋C=3.94＋0.6＋2＋0.59=7.13mm

取S=8mmh0=40mm

校核锥体所受最大应力处：

σ=

=3.74×（2400+8）/（2×10×cos35°）

=687.14≦[σ]t

⑵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

查图表4-1得B=275

[P]=B×S0／R内=275×5／2160=0.64㎏／㎝²＞0.3㎏／㎝²

满足要求

取C1=0.5mm，C2=2mm，C3=0.5mm

则S=S0＋C=8mm

②．筒体

设S0=5mm

L/D=0.69

D=2400/6=400

查图表4-1得B=210

[P]=210×6／2400=0.53㎏／㎝²＞0.3㎏／㎝²

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=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：

2×2215／2×tan35°=1551mm

取加强圈中心线间锥体长度为1157.5mm

设S0=5mm

L／D=1157.5／2400=0.482

D／S0=2400／5=480

查表4-1得B=275

[P]=B×S0/D=275×6/2400=0.69㎏／㎝²＞0.3㎏／㎝²

故取S0=6mm

C1=0.6mm，C2=2mm，C3=0.6mm

所以S=S0＋C=9.2mm

取S=10㎜

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8mmh0=40mm

圆筒壁厚10mm

标准型封头壁厚10mmh0=40mm

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=3.74㎏／㎝²

液压试验P设=1.25P=4.68㎏／㎝²

查得A3钢σ=2400㎏／㎝²

=4.68×[2400＋（10-3.2）]/2×（10-3.2）

=828.2㎏／㎝²

0.9ψσ=0.9