1、目錄第一章啤酒發酵罐結構與動力學特征一、啤酒的概述二、啤酒發酵容器的演變三、啤酒發酵罐的特點四、露天圓錐發酵罐的結構五、發酵罐發酵的動力學特征第二章露天發酵罐設計一、啤酒發酵罐的化工設計計算二、發酵罐熱工設計計算三、發酵罐附件的設計及選型第三章發酵罐的計算特性和規范一、技術特性二、發酵罐規范表第四章發酵罐設計圖第一章啤酒發醉罐結構與動力學特征一、啤酒的概述啤酒是以大麥喝水為主要原料，大米、酒花和其他谷物為輔料經制麥、糖化、發酵釀制而成的一種含有二氧化碳、酒精和多種營養成分的飲料酒。我國是世界上用谷物原料釀酒歷史最悠久的國家之一，但我國的啤酒工業迄今只有100余年的歷史。改革開放以來，我國啤酒工

2、業得到了很大的發展，生產大幅度增長，發展到現在距世界第二位。由于啤酒工業的飛速發展，陳舊的技術，設備將受到嚴重的挑戰。為了擴大生產，減少投資保證質量，滿足消費等各方面的需要，國際上啤酒發酵技術子啊原有傳統技術的基礎上有很大進展。尤其是采用設計多種形式的大容量發酵和儲酒容器。這些大容器，不依靠室溫調節溫度，而是通過自身冷卻來控制溫度，具有較完善的自控設施，可以做到產品的均一性，從而降低勞動強度，提高勞動生產率。（一）發酵罐的發展史第一階段：1900年以前，是現代發酵罐的雛形，它帶有簡單的溫度和熱交換儀器。第二階段：1900-1940年，出現了200m3勺鋼制發酵罐，在面包酵母發酵罐中開始使用空氣

3、分布器，機械攪拌開始用在小型的發酵罐中。第三階段：1940-1960年，機械攪拌，通風，無菌操作和純種培養等一系列技術開始完善，發酵工藝過程的參數檢測和控制方面已出現，耐蒸汽滅菌的在線連續測定的pH電極和溶氧電極，計算機開始進行發酵過程的控制。發酵產品的分離和純化設備逐步實現商品化。第四階段：1960-1979年，機械攪拌通風發酵罐的容積增大到80-150m?o由于大規模生產單細胞蛋白的需要，又出現了壓力循環和壓力噴射型的發酵罐，它可以克服一些氣體交換和熱交換問題。計算機開始在發酵工業上得到廣泛應用。第五階段：1979年至今。生物工程和技術的迅猛發展，給發酵工業提出了新的課題。于是，大規模細胞

4、培養發酵罐應運而生，胰島素，干擾素等基因工程的產品走上商品化。（二）啤酒發酵罐的特點1、單位占地面積的啤酒產量大；而且可以節約土建費用；2、可以方便地排放酵母及其他沉淀物（相對朝日罐、通用罐、貯就罐而言）；3、發酵溫度控制方便、有效，麥汁發酵時對流好，發酵速度快，可以縮短發酵周期（相對臥式罐、發酵梢而言）；4、可以回收利用二氧化碳，并可有利于啤酒的口味穩定性與非生物穩定性（相對開口容器而言）；5、可以一關多用，生產工藝比較靈活；簡化生產過程與操作，而且酒損也現對減少；6、制作相應要比其他發酵罐簡單；7、便于自動控制，如自動清洗和自動滅菌，節省人力與洗滌費用，衛生條件好。四、露天圓錐發酵罐的結構

5、1、罐體部分露天圓錐發酵罐的罐體有灌頂、圓柱體與錐底3部分組成，其中：灌頂：為圓拱形，中央開孔用于可拆卸大直徑法蘭，以安裝CO與CIP管道及其連接件，灌頂還裝有真空閥，安全閥與壓力傳感器。圓柱體：為發酵罐主體，發酵罐的高度主要決定于圓柱體的直徑與徑高比，由于大直徑的光耐壓低，考慮到使用鋼板的厚度，一般直徑6.0m。圓錐底：它的夾角多為60-90°,也有90120°,但這多用于大直徑的罐及大容量的罐；如夾角過小會使椎體部分很高。露天圓錐發酵罐圓錐底的高度與夾角有關，大致占總高的1/41/3。圓錐底的外壁一般安裝冷卻夾套、閥門與視鏡、取樣管閥、測溫、測壓的傳感元件或溫度計，CO

6、洗滌裝置等。2、溫度控制部分發酵罐的溫度控制部分主要由冷卻層、保溫層、測溫元器件、溫度記錄及溫度控制裝置等組成，其中：冷卻層是調節發酵罐內液體溫度的主要部分，按其結構可分為盤式和夾套式兩種；發酵罐的保溫層一般使用聚氨酯泡沫塑料或月尿醛泡沫塑料，也有使用聚苯乙烯泡沫塑料，在發泡保溫時，為了未來的維修剝離及復原的方便，罐身與發泡塑料之間最好能用塑料薄膜隔離；發酵罐的測溫元件有直接感應與遙控兩種；發酵罐的溫控裝置實際起供、斷冷卻水的作用。3、操作附件部分發酵罐的操作附件比較多，主要包括：進、出管道、閥門和視鏡；CO回收和CO洗滌裝置；真空/過壓保護裝置；取樣閥；原位清洗裝置(CIP);換間板。4、儀

7、器與儀表部分發酵罐對一次儀表、二次儀表、記錄裝置、報警裝置以及微機程序控制、自動控制的應用很廣泛，這些儀器、儀表主要對發酵罐的物料數量(以容積或液位表示)、壓力、溫度三個參數進行顯示、自動記錄、自動控制及報警，還有測定浸出物含量與CO含量的一次儀表，這樣就可以進行真正的自動控制。五、發酵罐發酵的動力學特征發酵罐發酵的主要特點是采用較高的發酵溫度和高凝性酵母、進一步提高發酵液濃度，保持茁盛的酵母層和縮短發酵時間進行可控發酵，其主要動力學特征有：由于采用凝聚性酵母，$>Si,使發酵速度3區>1區；導致B濃度差，促進發酵液的對流；由于3區發酵速度快，產生CO多，加上液壓，使R>Pi

8、而形成壓力差推動發酵液對流；由于發酵時控制t3>ti,形成溫度差對流。這三種推動力隨罐高H增大而增大，由于傳統發酵梢僅2nl而露天的圓柱錐形罐一般大于8nl所以此推動力將加速發酵，尤其在雙兒酰還原階段B、P趨于一致，但13匕可控，又因罐高，酵母沉降慢，發酵液仍保持強對流而促進代謝發酵。第二章露天發醉罐設計一、啤酒發酵罐的化工設計計算、發酵罐的容積確定設計需要選用V有效=24n3的發酵罐貝UV全=丫有效/6=24n3/80%=30m、基礎參數選擇1 .D：H:選用D：H=1：42 .錐角：取錐角為903 .封頭：選用標準橢圓形封頭4 .冷卻方式：選取梢鋼盤繞罐體的三段間接冷卻5 .罐體所承

9、受的最大內壓：2.5kg/cm3外壓：0.3kg/cm36 .錐形罐材質：A3鋼材外加涂料，接管均用不銹鋼7 .保溫材料：硬質聚氨酯泡沫塑料，厚度200mm8 .內壁涂料，環氧樹脂、DH的確定由D：H=1：4,貝脖隹體高度H=D/2tan45=0.50D封頭高度H2=D/4=0.25D圓柱部分高度H3=(40.50-0.25)D=3.25D又因為V全=V錐+V封+V柱23224-H1D3D2H3=0.131D3+0.131D3+2.553D3=30m3得D=2.20m查JB1154-74橢圓形封頭和尺寸取發酵罐直徑D=2400mm再由V全=30n3D=2.4m得徑高比D:H=1:3.72由D=

10、2400mr表得橢圓形封頭幾何尺寸為：h1=600mmh0=40mmF=6.52mV=2.00m3筒體幾何尺寸為：H=6614mmF=49.84?V=29.9m3錐體封頭幾何尺寸為：h0=40mmr=280mmH=1714mmF=%d2/4(0.7+0.3cos%)2/sin%+0.64=6.91?V=%d3/24(0.7+0.3cos%)2/tan%+0.72=2.16m3則錐形罐體總高：H=600+40+6614+40+1714=9008mm總容積：V全=2.00+29.9+2.16=34.1m33實際充滿系數少=24/34.1=70.4%罐內液柱高：H'=(24-2.16)/(3

11、.14X1.22)/4X102+(1714+40)=3686mm、發酵罐的強度計算罐體為內壓容器的壁厚計算.標準橢圓封頭設計壓力為1.1X2.5=2.75kg/cm2S=PDgc2bt-PC式中：P=2.75kg/cm2?:A鋼工作溫度下的許用力取1520.kg/cm2小：焊接系數，本設計采用雙面對接焊作為局部無探傷0.9壁厚附加量：C=G+G+G查表得：G:鋼板厚度的負偏差取0.8負偏差G2：腐蝕裕量取2.0G3：制造減薄量取0.6則：S=(2.75X2400/2乂1520X0.9-2.75)+3.4=5.8mm取S0=8mm直邊高h0=40mm校核?二三也、FJhJ=2,75X(2400+

12、8)/4X8X(2400+8)/(2X900)=369,1三Si.筒體P設=1.1X(P工作+P靜)=1.1X(2.5+0,61)=3.42kg/cm2S=YD+C(取G=0.6,G=2,C3=0.6)21二-P=3.42x2400/(2x1520X0.93,42)+3.2=6.2mm取S=7mm校核?2=PD中=588,0至少?2s.錐形封頭1)過渡區壁厚S=fDg2.0.5PP設=1.1X(2.5+0.9)=3.74kg/cm2(0.9為靜壓)K=0.716S_KP設DgS=tC21t:-0.5P=0.716X3.74X2400/(2X1520X0,90.5X3,74)+C=2.35+C=

13、2.35+0.6+2+0.59=5.54mm2）錐體S=fPDg上1：-0.5PSo=fPDgt1：-0.5P（f查表為0.60）>0.3kg/cm2=0.60X3.74X2400/(1520X0.9-0.5X3.74)=3.94mmS=S0+C=3.94+0.6+2+0.59=7.13mm取S=10mmh=40mm校核錐體所受最大應力處：?=PD中2scos45=3.74x2410/(2X10XCOS45)=637.3三?I錐體為外壓容器的壁厚計算.標準橢圓封頭設&=5mmR內=0.9Dg=2160mmR內/1004=2160/(100X5)=4.32查圖表4-1得B=275P

14、=BX&/R內=275X5/2160=0.64kg/cm2滿足要求取G=0.5mmG=2mmC3=0.5mm則S=S+C=8mm.筒體設So=6mmL/D=0.69D=2400/6=400查圖表4-1及B=210P=210X6/2400=0.53kg/cm2>0.3kg/cm2So=6mm故可取O=0.6mngQ=2mnriQ=0.6mm則S=So+C=9.2mm取S=10mm.錐形封頭因為=45所以22.50<a<60按第四章發酵罐設計的中封頭設計可知，加強圈間中錐體截面積最大直徑為：2x1714/2Xtan45=1714mm取加強圈中心線間錐體長度為1157.5m

15、m設So=5mmL/D=1157.5/2400=0.4820/8=240"5=480查表4-1得B=275P=BXS/D=275X5/2400=0.57kg/cm2>0.3kg/cm2故取So=5mmC=0.6mmC2=2mmC3=0.6mm所以S=So+C=8.2mm取S=9mm綜合前兩步設計，取兩者中較大的。由生產經驗確定標準橢圓型封頭厚度為10mmho=40mm圓筒壁厚10mm標準型封頭壁厚12mmh0=40mm錐形罐的強度校核、內壓校核液壓試驗P試=1.25P設由于液體的存在，錐體部分為罐體受壓最中之處即最危險設計壓力P=3.74kg/cm2液壓試驗P設=1.25P=4

16、.68kg/cm2查得A3鋼？=2400kg/cm2_p試Dgs-c1仃試;2S-C=4.68X2400+(12-3.2)/2X(12-3.2)=640.5kg/cm20.9少？=0.9X0.9X2400=1944kg/cm2>?試可見符合強度要求，試壓安全.外壓試驗以內壓代替外壓P=1.5X(S+C)=1.5X(1.0+0.3)=1.3kg/cm2P試=1.25P=1.63kg/cm2<P內試故可知試壓安全.剛度校核本設計中允許S=2X2400/1000=4.8mm而設計時取厚度為S=10mm故符合剛度要求二、發酵罐熱工設計計算計算依據計采用A3鋼作為發酵罐材料，用8號梢鋼做冷卻

17、夾套，分三段冷卻，筒體二段，錐部一段，夾套工作壓力為2.5km/cm2冷媒為20%(V/V)酒精7容液,T進=-4C,T出=-2C,麥汁發酵溫度維持12c(主發酵5-6天，封頭及筒體部分保溫層厚度為200mm錐底部分為98mm總發酵熱計算Q=qXv=119X24=2856kg/hrq每立方米發酵麥汁在主發酵期間每小時放熱量；v為發酵麥汁量冷卻夾套型號選擇選取8號梢鋼起截流面積為A=hb-截面積=8X4.3-10.24=24.16cm2冷卻劑流量為(三段冷卻)3X24.16x10-4X1=7.284X10-3n3/s查得20%(V/V)酒精溶液4t平=-3C下的p=976kg/m3Cp=1.04

18、kcal/kgC冷卻劑的冷卻能力為：Q=7.248X10-3X976X1.041x2x2400=35347.6kcal/hr>2856kcal/hr故可選取8號梢鋼為冷卻夾套。發酵罐冷卻面積的計算考慮生產過程中，隨著技術的改進，工藝曲線可能更改，按目前我國生產工藝曲線看，日降溫量較大的為13C-5C,為了將來工藝更改留下裕量，設計取13-5=8C為設計的日降溫量，取0.6C/hr為設計的小時降糖量，則由Q0=KAtm求得冷卻面積。傳熱系數K的確定1)醪液a1的計算%1=0.64xCX4；i=0.64乂185X4.13-5=185.3kcal/?hoC2)冷卻夾套的52的計算潤濕周邊=80

19、+(80+4X8.0)+2X(431)=276mm,4M流體流動截面面積de=濕潤周邊=204mm=20.4cm,42416_de=L=4.74cm=0.0474m20.420%(V/V)酒精在定性溫度t=(-42)/2=-3c下w=5.05CP=5.05X103Pas入=0.402kcal/hrmC=0.468W/kgCG=1.041kcal/kgC=4.358X103J/kgCp=976kg/?u=1m/sRe=dujP/u=9160=10故可視為強制湍流流動得n=0.4m-C%2=0.023入/d(Re)0.8(Cpw/入)0.4=1348.4kcal/hr因為計算時冷卻盤管為直管，先修

20、正：%=%(1+1.77d/R)=1348.4X(1+1.77X0.0474/1.829)=1410.3kcal/hrm-C3)筒體部分傳熱系數K11Rsb1Rs2=rjr+KA2，iAiAiA22A3A代入數據可得：A1-筒體內層傳熱面面積12.3062?A2-筒體平均傳熱面積12.3562?A3-筒體外壁平均傳熱面積12.304?Rs1-啤酒液污垢系數0.000675?hC/kcalRs2-冷卻劑污垢系數0.000307?hC/kcal1-發酵液傳熱系數192.5kcal/?hC2-夾套冷卻劑的傳熱系數206.4kcal/?hCA-筒體材料導熱系數4.562kcal/?hCb-筒體壁厚0.

21、01m112.3562h0.00067512.3562h0.010.00030712.3562h0.00815h=+十十十K193.512.304h12.304h4512.3062h12.3562h3=7.058X10所以：K=141.7kcal/?C注：h為假設夾套高度（m錐形罐筒體需冷卻的熱量1）醪液放熱Qs>=Q+QQ1=34765X0.055乂146.6=2803.1kcal/hrQ2=34765X0.9519X0.6=19855.68kcal/hr所以Q*Q+Q=22658.78kcal/hr2）外界與罐體的傳熱量a.封頭部分Q=KF（t外平+t。附一t內）代入數據得KF=2.

22、02X（10知1）X（32+8.55）=78.88kcal/hrb.筒體部分：代入數據：111、2、：31+KF<Ai1A22A33A4"As得：KF=15.67kcal/KCQ=KF（t外平+t。附一t內）=1.1X15.67X（32+8.5-5）=611.91kcal/hr筒體冷卻面積A初定.11-.：t214-9tm=11.3Ct1,14lnln.：t29Q=KAktmA=22958.78/(141.7X11.3)=14,34?則醪液的冷卻負荷為:14.34/34765=0.413?/T>0,3m3/T故冷卻面積能夠滿足要求。發酵罐冷卻面積的確定1）筒體部分由前面敘

23、述可知，筒體部分相同的冷卻段,選用8#梢鋼筒體冷卻段面積為14.34?則梢鋼長=14.34/0.08=179m取相鄰兩梢鋼間距為80mm一圈梢鋼長:lo=(3.14X2,4)2+0,122?=7.54m179長的梢鋼課繞圈數179/7.5424圈則二段各繞12圈冷卻高度為12X(80+40)-40=1400mm筒體實際冷卻面積為2)錐底部分錐體部分醪液量為10.213x1.0484=10.70kg錐體部分冷卻面積為10.70X0.439=4.70?/T則梢鋼長為4.70/0.08=58.76m繞制高度為1000mm三、發酵罐附件的設計及選型入孔1)、選用入孔BIIPg6Dg450X8H=220

24、JB-64-28材料A3鋼2)、補強圈尺寸確定如下D內=484mmD外=760mm補強圈的厚度S補按下式計算，考慮罐體與入孔節均有一定的壁厚裕量，故補強圈取8mmS補=(dxS)/(D2-Di)=(45X0.52)/(76-484)=0.85cm視鏡1)選用帶勁視鏡Pg6Dg150JB595-64-42)補強圈尺寸確定如下：內徑D=163mm外徑=300mm補強圈的厚度S補按S被=d*S0/D2-D1=150*8/300-163=8.8mm考慮罐體與視鏡筒節約有一定的壁厚余量，故補強圈取8mm接管1）CQ回收接管YB804-70Dg40無縫鋼管重3.6kg/m法蘭Pg6Dg40HG501058重