生物反应器设计 Microsoft Word 文档

生物反应器课程之啤酒罐设计任务书啤酒罐设计任务书班级：xxx学生姓名：xxx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：202．容积系数：75%3．径高比：1:24．锥角：9005．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）1)封面2)设计任务书3)生物反应器设计化工计算4)完成生物反应器设计热工计算5)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一份（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任务接受学生签字：生物工程教研室2010-11-15第一节发酵罐的化工设计计算一、发酵罐的容积确定在选用时V全=20m3的发酵罐则V有效=Ｖ全×=20×75%=15m3（为容积系数）二、基础参数选择1．D:H:选用D:H=1:22．锥角：取锥角为9003．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，锥体一段，槽钢材料为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：2.5㎏/㎝3外压：0.3㎏/㎝36．锥形罐材质：A3钢外加涂料，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的确定由D:H=1：2，则锥体高度H1=D/2tan450=D/2(450为锥角的一半)封头高度H2=D/4=0.25D圆柱部分高度H3=（2.0-1/2-0.25）D=1.25D又因为：V全=V锥+V封+V柱所以得到：20=3×D2/4×H1+24×D3+4×D2×H320=24D3+24D3+165D320=1.243D3得：D=2.525m查JB-T4746-2002《椭圆形封头和尺寸》取发酵直径D=2600mm再由V全=20m3，D=2.6m得径高比为：D:H=1:1.94由D=2600mm查表得椭圆封头几何尺寸为：h1=650mmh0=40mmF=7.63m2V=2.51m3筒体几何尺寸为：H=3094F=25.28m2V=16.43m3锥体的几何尺寸为：h0=40mmr=390mmH=1502mmF=220.70.3cos0.644sindaa=9.648m2V=230.70.3cos0.7224datga=3.57m2则：锥形罐总高：H=650+40+3094+40+1502=5326mm总容积：V=2.51+16.43+3.57=22.51m3实际充满系数：15/22.51=66.7%罐内液柱高：H丿=4/6.3*57.3152*102+(1502+40)=1654.39mm四、发酵罐的强度计算（一）罐体为内压容器的壁厚S计算1.标准椭圆封头设计压力为P=1.1*2.5=2.75kg/cm2(1.1为最大压力的倍数，在取值1.05-1.1以内)S0=PPDt2内+C式中：P=2.75kg/cm2t：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ψ=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㎜C3：制造减薄量取0.6㎜钢板厚度2.02.22.52.8-3.03.2-3.53.8-4.04.5-5.56.0-7.08.0-25负偏差C10.180.180.20.220.250.30.50.60.8则：S=[2.75*2600/(2*1520*0.9-2.75)]+3.4=7150/2733+3.4=6.02㎜取S0=7mm直角边h0=40mm校核σ=(PD中/4S0)*(D中/2h1)=[2.75*(2600+7)/4*7]*[(2600+7)/（2*650）]=513=[σ]t2.筒体P设=1.1*（p工作+p静）=1.1*（2.5+0.61）=3.42kg/cm2S=[PD/(2[σ]φ-P)]+C（C1=0.6,C2=2,C3=0.6）=[(3.42*2600)/(2*1520*0.9-3.42)]+3.2=8892/2732.58+3.2=6.45mm取S=7mm校核σ2=P设D中/2S=77*2)72600(*42.3*2)72600(*42.3=512.2=[σ]t3．锥形封头1）过渡区壁厚S=[（KP设Dg）/(2[σ]t-0.5P)]+CP设=1.1*(2.5+0.9)=3.74kg/cm2（其中0.9为静压）折边锥体的系数K值аr/Di0.10.150.20.30.40.51000.66440.61110.57890.54030.51680.5002000.69580.63570.59860.55220.52230.5003000.75440.68190.63570.57490.53290.5003500.79800.71610.66290.59140.54070.5004000.85470.76040.69810.61270.55060.5004500.92530.81810.74400.64020.56350.5005001.02700.89440.80450.67450.58040.5005501.16080.94800.88590.72490.60280.5006001.35001.14331.00000.79230.63370.500r为锥形半径375mm，Di=D内+2r（1-cosа）а=450可得r/Di=375/2725=0.14K=0.8181S=[（KP设Dg）/(2[σ]t-0.5P)]+C=(0.8181*3.74*2600)/(2*1520*0.9-0.5*3.74)+C=7955.2/2734.13+C=5.8mm2）锥体S=[（f*PDg）/([]t-0.5P)]+CS0=[（f*P设Dg）/([]t-0.5P)]=(1.4*3.74*2600)/(1520*0.9-0.5*3.74)(f=1/cosа=1/0.7=1.4)=6.4mmS=S0+C=6.4+0.6+2+0.64=9.64mm取S=10mmh0=40mm校核锥体所受的最大压力处σ=PD中/2scos450=3.74*2614/2*10*cos450=697.2=[σ]t(二)、锥体为外压容器的壁厚计算1．标准椭圆封头Ri规定：标准椭圆封头Ri=0.9D内S0=6mmR内=0.9Dg=0.9*2600=2340mmR内/100S0=2340/100*6=4.68由上图知B=160[P]=B*S0/R内=160*6/2340=0.41kg/cm20.3kg/cm2满足要求取C1=0.8㎜，C2=2㎜，C3=0.8㎜则S=S0+C=9.6㎜2．筒体设S0=6㎜L/D=0.69D=2600/6=433.33由上表知：B=195[P]=195*6/2600=0.45㎏/㎝20.3㎏/㎝2S0=6㎜故可取C1=0.6㎜，C2=2㎜,C3=0.6㎜则S=S0+C=9.2mm取S=10mm3．锥形封头因为：ａ=450所以22.500ａ600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*1502/2*tan450=1502㎜取加强圈心线间椎体长度为751㎜设S0=6㎜L/D=751/2600=0.29D/S0=2600/6查上图知B=208[P]=BS0/D=208*6/2600=0.480.3㎏/㎝2故取S0=6㎜C1=0.6㎜，C2=2㎜，C3=0.6㎜所以S=S0+C=9.2mm取S=12㎜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14㎜h0=40㎜圆筒壁厚10㎜锥形封头壁厚12㎜h0=40㎜五．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重之处即最危险设计压力P设=3.74kg/cm2液压实验P试=1.25P=4.68kg/cm2查得A3钢=2400kg/cm2试=、()2()DgSCSC=4.68)2.312(*2)]2.312(2600[=693.7kg/cm20.9=0.9*0.9*2400=1944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/cm2P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*2600/1000=5.2mm而设计时取壁厚为S=10m，故符合刚度要求（公式：S最小=21000D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，筒体两段，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出为-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200㎜，锥底部分为98㎜）二、总发酵热计算Q=q*v=119*15=1785㎏/hrq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=8.0*4.3-10.24=24.16㎝2冷却剂流量为（三段冷却）u=1m/s3*15.054*10-4*1=4.52*10-3m3/s查得20%（V/V）酒精溶液△t平=-3℃下的ρ=976kg/m3Cρ=1.04kcal/kg·℃冷却剂的冷却能力为:Q=7.248*10-3*976*1.04*2*2600=38293kcal/hr8330kcal/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Q0=KA△tm求的冷却面积。1．传热系数K的确定1）醪液а1的计算t1+t2246810C25150170185204а1=0.64*C*421tt=0.64*185*4513=199.12kcal/m2·h·℃2)冷却夹套的а2的计算湿润周边=80+（80+4*8.0）+2*（43-1）=276mmde=湿润周边流体流动截面面积*4de=4*24.16/20.4=0.0474m20%(V/V)酒精在定性温度t=(-4-2)/2=-3℃下µ=5.05*103Pa·sλ=0.402kcal/hrm℃=0.468W/m·℃Cρ=1.04kcal/kg·℃=4.358*103J/kg·℃ρ=976kg/m3u=1m/sRe=duρ/µ=9750=104故可视为强制湍流流动得n=0.4а2=0.023λ/d(Re)0.8(Cpµ/λ)0.4=0.23*0.402/3*(9750)0.8*(1.04*5.05/3)0.4=1547kcal/hr·m·℃因为计算时冷却盘管为直管的，先修正：а=а2（1+1.77d/R）=1547*(1+1.77*2.5/19.3)=1901.7kcal/hr·m·℃3)筒体部分传热系数K21KA=111Aa+11ARs+2Ab+321+32ARsA1-筒体内层传热面面积14.426m2A2-筒体平均传热面积14.564m2A3-筒体外壁平均传热面积14.562m2Rs1-啤酒液污垢系数0.000675m2h℃/kcalRs2-冷却剂污垢系数0.000307m2h℃/kcalａ1-发酵液传热系数192.5kcal/m2h℃ａ2-夹套冷却剂的传热系数206.4kcal/m2h℃Λ-筒体材料导热系数4.562kcal/m2h℃b-筒体壁厚0.01m带入数据可得：K1=hh426.14*5.193564.14+hh426.14564.14*000675.0+562.14