发酵罐的设计

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：m32.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=1：42、锥角：由指定参数取锥角为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，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/CM36、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200mm8、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=3×D2/4×H1+24×D3+4×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=6624mmF=36.90m2V=22.14m3锥体的几何尺寸为：h0=25mmr=360mmH=1200mmF=220.70.3cos0.644sindaa=3.705m2V=230.70.3cos0.7224datga=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/cm2S=2tPDgCP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2mmC3;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=[]t2.筒体P设=1.1*（p工作+p静）=1.1*（2.5+0.61）=3.42kg/cm2S=[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)]+CP设=1.1*(2.5+0.9)=3.74kg/cm2（其中0.9为静压）K=0.75S=[（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=5.31mm2）锥体S=[（f*P设Dg）/([]t-0.5P)]+CS0=[（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》=3.94S=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=5mmR内=0.9Dg=2160mmR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/cm20.3kg/cm2满足要求取C1=0.5mm，C2=2mm，C3=0.5mm则S=S0+C=8mm2.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=10mm3.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=0.57D/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五、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=()2()DgSCSC=4.68（2400+12-3.2）/2*(12-3.2)=563.6kg/cm20.9=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/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*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=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/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*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/m3C=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°C2)冷却夹套的α2的计算湿润周边=80+（80+4*8.0）+2*（43-1）de==204mm=20.4cmde=4*24.16/20.4=4.74cm=0.0474m20%（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/sRe=du/μ=9160=104故可视为强制湍流流动得n=0.4α2=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+Q2Q1=kcal/hrQ2=kcal/hr所以Q醪=Q1+Q22）外界与罐体的传热量A.封头部分Q1=KF带入数据得KF=Q1=KF=ttt外平附内（）ttt外平附内（）=B.筒体部分：带入数据：123112233405111KFAAAAA得：KF=Q2=KF==3.筒体冷却面积A初定12m12149t11.3C14lnln9ttttmQKAt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=ttt外平附内（）Q'/AN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一．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=二．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，故补强圈取三．接管1.CO2回收接管YB804—70Dg40无缝钢管重3.6kg/m法兰Pg6Dg40HG5010—58重1.219kg2.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1.348kg021dSsDD补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1200mm5.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、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