1、生物反應器設計安徽工程大學課程設計任務書班級：生工2081學生姓名：趙興海課題名稱：生物反應器設計（啤酒露天發酵罐設計）指定參數：1. 全容：40m2. 容積系數：85%3. 徑高比：1:34. 錐角：7005. 工作介質：啤酒設計內容：1 .完成生物反應器設計說明書一份（要求用A紙打印）1）封面2）設計任務書3）生物反應器設計化工計算4）完成生物反應器設計熱工計算5）完成生物反應器設計數據一覽表2 .完成生物反應器總裝圖一份（用CAE圖A紙打印）設計主要參考書：1. .生物反應器課程設計指導書2. 化學工藝設計手冊3. 機械設計手冊4. 化工設備5. 化工制圖接受學生承諾：本人承諾接受任務后

2、，在規定的時間內，獨立完成任務書中規定任務接受學生簽字：生物工程教研室2010-11-15啤酒露天發酵罐設計第一節發酵罐的化工設計計算一、發酵罐的容積確定在選用時V全=40n3i的發酵罐貝（JV有效=7全乂0=40X85%=34m（0為容積系數）二、基礎參數選擇1 .D:H:選用D:H=1:32 .錐角：取錐角為70°3 .封頭：選用標準橢圓形封頭4 .冷卻方式：選取槽鋼盤繞罐體的三段間接冷卻（罐體兩段，錐體一段，槽鋼材料為A鋼，冷卻介質采用20%-4C的酒精溶液5 .罐體所承受最大內壓：2.5kg/cm3外壓：0.3kg/cm36 .錐形罐材質：A3鋼外加涂料，接管均用不銹鋼7 .

3、保溫材料：硬質聚氨酯泡沫塑料，厚度200nlm8 .內壁涂料：環氧樹脂、DH的確定由D:H=1:3,則錐體高度H=D/2tan35°=0.714D(35°為錐角的一半)封頭高度H=D/4=0.25D圓柱部分高度H=(3.0-0.714-0.25)D=2.04D又因為7全六錐+V圭t+V柱=；XD2/4XHi+-1-XD3+XC2XH=0.187D3+0.43DV=3.1198m筒體幾何尺寸為：H=4312mmF=37.93箭3V=26.55m錐體的幾何尺寸為：h0=40mmr=420mmH=2173mm+1.60D3=40得D=2.75m查JB-T4737-1995橢圓形封

4、頭和尺寸取發酵直徑D=2800mm再由V全=40n3,D=2.8m得徑高比為：D:H=1:2.5由D=2800mift表得橢圓封頭幾何尺寸為：h1=700mmhc=40mm_2F=8.8503m一二.2二一一22F=d-0.70.3cosa1»0.64=13.54m4ginaV=d3(0.7+0.3cosa:+0.721=13.60m224tga則：錐形罐總高：H=700+40+4312+40+2173=7184總容積：V=3.1198+26.55+13.60=43.2698實際充滿系數中：34/43.2698=79%罐內液柱高：H1=34-1160*103+(2173+40)=44

5、60mmr：*3.42/4四、發酵罐的強度計算(一)罐體為內壓容器的壁厚S計算9 .標準橢圓封頭設計壓力為P=1.1*2.5=2.75kg/cm2cPD內人So=+C2二：-P式中：P=2.75kg/cm2Gl：A鋼工作溫度下的許用力取1520kg/cm2巾：焊接系數，本例采用雙面對接焊作為局部無探傷巾=0.9壁厚附加量：C=C+G+G查表得：G:鋼板厚度的負偏差取0.8mm負偏差C2：腐蝕未&量取2nlmC3：制造減薄量取0.6mm則:S=2.75*2800/(2*1520*0.9-2.75)+3.4=6.2mm取S=7mm直角邊h°=40mm校核(r=(PD中/4S0)*

6、(D中/2hi)=2.75*(2800+7)/4*7*(2800+7)/(2*900*4*8)=658.31<=410 筒體P設=1.1*(p工作+p靜)=1.1*(2.5+0.61)2=3.42kg/cmS=PD/(2(r()-P)+C(G=0.6,C2=2,C3=0.6)=(3.42*2800)/(2*1520*0.9-3.42)+3.2=6.7mm取S=7mm校核(T2=P設D中/2S=3.42*(2800+7).2*7=685.71<=b小11 錐形封頭1)過渡區壁厚S=(KP設Dg/(2(Tt小-0.5P)+CPta=1.1*(2.5+0.9)=3.74kg/cm2(其中

7、0.9為靜壓)折邊錐體的系數K值K=0.75S=(KP設Dg/(2司%-0.5p)+c=(0.75*3.74*2800)/(2*1520*0.9-0.5*3.74)+C=2.87+C=2.87+0.6+2+0.369=5.84mm2)錐體S=(f*PDg)/(at小-0.5P)+CSo=(f*P設Dg/(c|)-0.5P)=(0.6*3.74*2800)/(1520*0.9-0.5*3.74)(f查表為0.6)=4.60mmS=S+C=4.60+0.6+2+0.460=7.66mm取S=8mmh0=40mm校核錐體所受的最大壓力處er=PD中/2Scos45°=3.74*2808/(

8、2*8*cos35°)=801.3<=4(二)、錐體為外壓容器的壁厚計算1 .標準橢圓封頭Ri規定：標準橢圓封頭Ri=0.9D內S0=5mmR內=0.9Dg=0.9*2800=2520mmR內/100S0=2520/(100*5)=5.04查表得B=275P=B*S0/R內275*5/2520=0.54kg/cm2>0.3kg/cm滿足要求取G=0.5nm,C2=2mm,C3=0.5mm則S=S+C=8mm2 .筒體設S0=6mmL/D=0.69D=280/6=467查表的B=210P=210*6/2800=0.45kg/cm2>0.3kg/cm2S0=6mm故可取

9、C=0.6mm,C2=2mm,C3=0.6mmS=S+C=9.2mnRS=10mm3 .錐形封頭因為：V-QcPa=35所以22.500<a<600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：2*2173/2*tan350=1522mm取加強圈心線間椎體長度為1086.5mm設Sd=6mmL/D=1086.5/2800=0.39D/S0=2800/6=467查表的B=320P=BS0/D=320*6/2800=0.68>0.3kg/cm2故取So=6mmC=0.6mm,G=2mm,G=0.6mm所以S=S+C=9.2mm取S=10mm綜合前兩步設計，取

10、兩者中較大的有生產經驗確定標準橢圓型封頭厚度為10mmh0=40mm圓筒壁厚10mm錐形封頭壁厚12mmh0=40mm五.錐形罐的強度校核1.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重之處即最危險設計壓力P設=3.74kg/cm2液壓實驗P試=1.25P=4.68kg/cm2查得A車岡仃=2400kg/cm2%g+(S-C)'口試=、'、2(S-C)J=4.682800(12-3.2)=747cm0.9中仃=0.9*0.9*2400=1944>仃試可見符合強度要求，試壓安全2、外壓實驗以內壓代替外壓P=1.5*（0.3+1.2）=2.25kg

11、/cm2P試=1.25P=2.8kg/cm2<P內試故可知試壓安全3.剛度校核本例中允許S=2*2800/1000=5.6mm2而設計時取壁厚為s=10m故符合剛度要求（公式：s最小二而00-d內）第二節發酵罐熱工設計計算一、計算依據計采用A3鋼作發酵罐材料，用8號槽鋼做冷卻夾套，分三段冷卻，筒體兩段，錐部一段，夾套工作壓力為2.5kg/cm2冷媒為20%V/V）酒精溶液，T進=-4C,T出為-2C,麥汁發酵溫度維持12。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）二、總發酵熱計算Q=q*v=119*34=4046kg/hrq每立方米發酵麥汁在主發酵期間每小

12、時的放熱量v為發酵麥汁量三、冷卻夾套型號選擇選取8號槽鋼起截流面積為A=hb-截面積28*4.3-10.24=24.16cm2冷卻劑流量為（三段冷卻）u=1m/s3*24.164*10"*1=7.284*10rrVs查得20%(V/V)酒精溶液t平=-3C下的3p=976kg/m3G=1.04kcal/kg-C冷卻劑的冷卻能力為：Q=7.248*10-3*976*1.04*2*2800=41199.2kcal/hr>4462.5kcal/hr故可選取8號槽鋼為冷卻夾套四、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，按目前我國工藝曲線看，日降溫量較大的為

13、13c-5C,為了將來工藝更改留下余量，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Q=KMtm求的冷卻面積。1.傳熱系數K的確定1)醪液Hi的計算a1=0.64*C*4t1-t2=0.64*185*412-5=193.5kcal/m2-h-C2)冷卻夾套的a2的計算濕潤周邊=80+(80+4*8.0)+2*(43-1)=292mmc4*流體流動截面面積De=de=4*24.16/29.2=0.033m20%(V/V)酒精在定性溫度t=(-4-2)/2=-3C下N=5.0510-3Pas入=0.402kcal/hr-m-C=0.468W/m-CCp=1.04k

14、cal/kg-C=4.358*103J/kg-C3p=976kg/mu=1m/sRe=dup/p9160=104故可視為強制湍流流動得n=0.4a2=0.023人/d（Re）0.8（Cp/人）04=1906.8kcal/hr-m-C因為計算時冷卻盤管為直管的，先修正:a=a2（1+1.77d/R）=1906.8*（1+12）*0.0474/1.829=642.4kcal/hr-m-C3）筒體部分傳熱系數K1二kA21a1A1Rs+一Ai+A2二2二3RS2+A3帶入數據可得:111.3554h0.000675*11.3354h一=+K185.3*11.304h11.304h0.000307*1

15、4.564+14.562h0.01+4.54*14.56214.564206.4*14.562=8.922*10-3所以：K=112.1kcal/m2注：h為假設夾套高度（m2.錐形罐筒體需冷卻的熱量1 ）醪液放熱Q醪=Q+QQ=30168*0.055*10-2*146.6=4851.3kcal/hrQ2=30168*0.95*0.6=17195.76kcal/hr所以Qb=Q+Q=22047.06kcal/hr2）外界與罐體的傳熱量A.封頭部分Q=KF（t外平+t0附-t內）帶入數據得KF=2.02Q3=KF（t外平+t0附-t內）=78.72kcal/hrB.筒體部分：帶入數據到下式：11

16、、1二2、31=+KF二Ai-1A22A33A4得：KF=13.6kcal/KCQ4=1.1KF(t外平+t0附-t內)=609.18kcal/hr3.筒體冷卻面積A初定由Q=KAtm的式中K為傳熱系數kcal/m2hCtm='t1-''2=11.30C,小ln一.：t2A=22734.96/(136.5*11.3)=14.7m2則醪液的冷卻負荷為：14.7/30168=0.487m3/T>0.3m3/T故冷卻面積能夠滿足要求。5.發酵罐冷卻面積的確定1)筒體部分由前面敘述可知，筒體部分相同的冷卻段，選用5號槽鋼筒體冷卻段面積為14.7m2則槽鋼長=114.7/0

17、.08=183.75m取相鄰兩槽鋼間距為40mm一圈槽鋼長：l0=(3.14*2.82)20.122=8.856m183.75m長的槽鋼可繞圈數183.75/8.85620圈則二段各繞10圈冷卻段高度為10*(80+40)-40=1160mm筒體實際冷卻面積為20*8.856*0.08=14.17m2/T2)錐底部分錐底部分醪液量為：13.60*1.0484=14.26kg錐底部分冷卻面積為：14.26*0.439=6.26m則槽鋼長為:6.26/0.08=78m繞制高度為:1000mm第三節發酵罐附件的設計及選型一.人孔材料A3鋼選用人孔(AXB350)Dg450*6H1=150HG/T21

18、616-2005補強圈尺寸確定如下：D內=484mmD外=760mm補強圈取8mmcd*S05補二D2-D1=45*0.52-484-76=0.85cm.視鏡選用帶頸視鏡Pg25,Dg8QH=10QHGJ502-86-6補強圈尺寸確定如下：內徑D=163mm外徑D2=300mm補強圈的厚度S補按S補=*$0/。2-D1)=150*8/(300-163)=8.8mm8mm考慮罐體與視鏡筒節均有一定的壁厚裕量，故補強圈取.接管1 .CQ回收接管YB804-70Dg40無縫鋼管重3.6kg/m法蘭Pg6Dg40HG501058重1.219kg2 .溫度計取樣接管見發酵罐總裝圖3 .冷卻劑進口接管YB80"70Dg50無縫鋼管重4.65kg/m法蘭Pg6Dg50HG5010-58重1.348kg4 .濾酒管YB804-70Dg50不銹鋼管重7.15kg/m法蘭Pg6Dg50HG5010-58重2.38kg取濾灑管于罐內高度1.2m即1200mm5 .麥汁進料及Y排放接管Dg125球閥控制酒量Dg50玻璃視鏡觀測Y排放情況Dg50接管四.支座見發酵罐總裝圖第四節發酵罐的