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啤酒发酵罐课程设计
第一章啤酒发酵罐结构与动力学特征
一、啤酒的概述
二、啤酒发酵容器的演变
三、啤酒发酵罐的特点
四、露天圆锥发酵罐的结构
五、发酵罐发酵的动力学特征
第二章露天发酵罐设计
一、啤酒发酵罐的化工设计计算
二、发酵罐热工设计计算
三、发酵罐附件的设计及选型
第三章发酵罐的计算特性和规范
一、技术特性
二、发酵罐规范表
第四章发酵罐设计图
第一章啤酒发酵罐结构与动力学特征
一、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。
(一)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。
(二)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。
四、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。
五、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。
第二章露天发酵罐设计
一、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=24m3的发酵罐
则V全=V有效/φ=24m3/80%=30m3
㈡、基础参数选择
1.D∶H:
选用D∶H=1∶4
2.锥角:
取锥角为90°
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的确定
由D∶H=1∶4,则锥体高度H1=D/2tan45°=0.50D
封头高度H2=D/4=0.25D
圆柱部分高度H3=(4-0.50-0.25)D=3.25D
又因为V全=V锥+V封+V柱
=
=0.131D³+0.131D³+2.553D³=30m3³
得D=2.20m
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]=6.91㎡
V=πd3/24[(0.7+0.3cosα)2/tanα+0.72]=2.16m³
则锥形罐体总高:
H=600+40+6614+40+1714=9008mm
总容积:
V全=2.00+29.9+2.16=34.1m3³
实际充满系数ψ=24/34.1=70.4%
罐内液柱高:
H′=[(24-2.16)/(3.14×1.22)/4]×102+(1714+40)=3686㎜
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2.0
C3:
制造减薄量取0.6
则:
S=(2.75×2400/2×1520×0.9-2.75)+3.4=5.8mm
取S0=8mm
直边高h0=40mm
校核
σ=
=[2.75×(2400+8)/4×8]×(2400+8)/(2×900)
=369.1≦[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=10mmh0=40mm
校核锥体所受最大应力处:
σ=
=3.74×2410/(2×10×cos45°)
=637.3≦[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=6mm
L/D=0.69
D=2400/6=400
查图表4-1及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=45°
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:
2×1714/2×tan45°=1714mm
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=275×5/2400=0.57㎏/㎝²>0.3㎏/㎝²
故取S0=5mm
C1=0.6mm,C2=2mm,C3=0.6mm
所以S=S0+C=8.2mm
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10mmh0=40mm
圆筒壁厚10mm
标准型封头壁厚12mmh0=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+(12-3.2)]/2×(12-3.2)
=640.5㎏/㎝²
0.9ψσ=0.9×0.9×2400=1944㎏/㎝²>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+0.3)=1.3㎏/㎝²
P试=1.25P=1.63㎏/㎝²<P内试
故可知试压安全
③.刚度校核
本设计中允许S=2×2400/1000=4.8mm
而设计时取厚度为S=10mm,故符合刚度要求
二、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2.5㎞/㎝²冷媒为20%(V/V)酒精溶液,T进=-4℃,T出=-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200mm,锥底部分为98mm)
㈡总发酵热计算
Q=q×v=119×24=2856㎏/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
=8×4.3-10.24=24.16㎝²
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Δt平=-3℃下的
ρ=976㎏/m³
Cρ=1.04kcal/㎏·℃
冷却剂的冷却能力为:
Q=7.248×10ˉ3×976×1.041×2×2400
=35347.6kcal/hr>2856kcal/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Q0=KAΔtm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×
=0.64×185×
=185.3kcal/㎡hºC
2)冷却夹套的α2的计算
润湿周边=80+(80+4×8.0)+2×(43-1)=276㎜
de=
=204mm=20.4㎝
de=
=4.74㎝=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
λ=0.402kcal/hrm℃=0.468W/㎏℃
Cp=1.041kcal/㎏℃=4.358×10³J/㎏℃
ρ=976㎏/㎡
υ=1m/s
Re=duρ/υ=9160=104
故可视为强制湍流流动得n=0.4
α2=0.023λ/d(Re)0.8(Cpμ/λ)0.4=1348.4kcal/hr·m·℃
因为计算时冷却盘管为直管,先修正:
α=α(1+1.77d/R)
=1348.4×(1+1.77×0.0474/1.829)
=1410.3kcal/hr·m·℃
3)筒体部分传热系数K
代入数据可得:
A1-筒体内层传热面面积12.3062㎡
A2-筒体平均传热面积12.3562㎡
A3-筒体外壁平均传热面积12.304㎡
Rs1-啤酒液污垢系数0.000675㎡h℃/kcal
Rs2-冷却剂污垢系数0.000307㎡h℃/kcal
1-发酵液传热系数192.5kcal/㎡h℃
2-夹套冷却剂的传热系数206.4kcal/㎡h℃
Λ-筒体材料导热系数4.562kcal/㎡h℃
b-筒体壁厚0.01m
=7.058×10﹣3
所以:
K=141.7kcal/㎡·℃
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=34765×0.055×146.6=2803.1kcal/hr
Q2=34765×0.9519×0.6=19855.68kcal/hr
所以Q醪=Q1+Q2=22658.78kcal/hr
2)外界与罐体的传热量
a.封头部分Q1=KF(t外平+t0附-t内)
代入数据得KF=2.02×(10%+1)×(32+8.5-5)
=78.88kcal/hr
b.筒体部分:
代入数据:
得:
KF=15.67kcal/K·℃
Q2=KF(t外平+t0附-t内)
=1.1×15.67×(32+8.5-5)
=611.91kcal/hr
③筒体冷却面积A初定
℃
Q=KAΔtm
A=22958.78/(141.7×11.3)=14.34㎡
则醪液的冷却负荷为:
14.34/34765=0.413㎡/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14.34㎡
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=[(3.14×2.4)²+0.12²]½=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
12×(80+40)-40=1400mm
筒体实际冷却面积为
24×11.567×0.08=22.2㎡/T
2)锥底部分
锥体部分醪液量为10.213×1.0484=10.70kg
锥体部分冷却面积为
10.70×0.439=4.70㎡/T
则槽钢长为4.70/0.08=58.76m
绕制高度为1000mm
三、发酵罐附件的设计及选型
①入孔
1)、选用入孔BIIPg6Dg450×8H1=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=(d×S0)/(D2-D1)=(45×0.52)/(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D1=163mm外径=300mm
补强圈的厚度S补按
S被=d*S0/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8mm
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
取滤酒馆于管内高度为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
第三章发酵罐的计算特性和规范
一、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Ф400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3kg/cm2
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
二、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(mm)
2400
柱体高度(mm)
6614
总高度(mm)
9008
总容积m³
34.1
有效容积m³
24
罐利用率
70.4%
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(㎏/㎝²):
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m²/T
26.9
工作温度(℃):
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
第四章总装图
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