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1、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： 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： 20 2容积系数： 75% 3径高比： 1:2 4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化工设备精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 -
2、 - - - - - -第 1 页，共 18 页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=全=2075%=15m3为容积系数二、基础参数选择1D:H: 选用 D:H=1:2 2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
3、： 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确实定精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 18 页由 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圆柱部分高度 H3又因为： V全=V锥+V封+V柱所以得到： 20=3D2/4 H1+24D3+ 4D2H3 20=24D3+24D3+165D3 20=1.243 D3 得：查 JB-T4746-2002椭圆形封头和尺寸取发酵直径D=2600mm 再由 V全=20m
4、3，D=2.6m 得径高比为：由 D=2600mm 查表得椭圆封头几何尺寸为：h1=650mm h0=40mm 23筒体几何尺寸为：H=3094 23锥体的几何尺寸为：h0=40mm r=390mm H=1502mm F=220.70.3cos0.644sindaa2精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 18 页V=230.70.3cos0.7224datga2则：锥形罐总高： H=650+40+3094+40+1502=5326mm 总容积：3实际充满系数：15/22.51=66.7% 罐内液柱高：H丿=4/6.3*57.3
5、152*102+(1502+40)=mm 四、发酵罐的强度计算一罐体为内压容器的壁厚S计算2(1.1 为最大压力的倍数，在取值1.05-1.1以内) S0= PPDt2内+C 式中： P=2.75 kg/cm2 t：A3钢工作温度下的许用力取1520 kg/cm2：焊接系数，本例采用双面对接焊作为局部无探伤壁厚附加量： 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 则：钢板厚度- - - - - - 25 负偏差 C10.18 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4
6、 页，共 18 页 S =6.02 取 S0=7mm 直角边 h0=40mm 校核=(PD中/4S0)*(D中/2h1) =2.75*(2600+7)/4*7*(2600+7)/2*650 =513=t P设=1.1* p工作+p静2 S=PD/(2 -P)+C C1=0.6,C2=2,C3=0.6取 S=7mm 校核2=P设D中/2S =77*2)72600(*42.3*2)72600(*42.3=512.2= t3锥形封头1过渡区壁厚S=K P设Dg /(2 t-0.5P)+C P设2其中 0.9 为静压折边锥体的系数 K值r/Di 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归
7、纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 18 页100200300350400450500550600r 为锥形半径 375mm ，Di=D内+2r1-cos =450S=K P设Dg /(2 t-0.5P)+C =(0.8181*3.74*2600)/(2*1520*0.9-0.5*3.74)+C =7955.2/2734.13+C 2锥体S=f* PDg /( t-0.5P)+C S0=f* P设Dg /( t-0.5P) =(1.4*3.74*2600)/(1520*0.9-0.5*3.74) (f=1/cos=1/0.7=1.4) S=S0取 S=10mm h0=40mm 校
8、核锥体所受的最大压力处精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 18 页=PD中/2scos450 =3.74*2614/2*10* cos450 =697.20.3 kg/cm2 满足要求取 C1=0.8 ，C2=2，C3=0.8 则 S=S0+C= 2筒体设 S0=6精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 18 页由上表知： B=195 P=195*6/2600=0.45/ 20.3 / 2 S0=6 故可取 C1=0.6 ，C2=2,C3=0.6 则 S=S0
9、+C=9.2mm 取 S=10mm 3锥形封头因为：=45000.3/ 2故取 S0=6C1=0.6 ，C2=2 ，C3=0.6 所以 S=S0+C=mm 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试设精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 18 页由于液体的存在，锥体部分为罐体受压最重之处即最危险设计压力 P设2液压实验 P试2查得 A3钢=2400kg/cm2 试=、()2()DgSCS C
10、 =4.68 )2.312(*2)2.312(2600 =cm2 =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2 P试2P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
11、200 ，锥底部分为 98 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 18 页二、总发酵热计算 Q=q*v=119*15=1785 /hr q 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=24.162冷却剂流量为三段冷却 u=1m/s 3*15.054*10-4*1=4.52*10-3m3/s 查得 20% V/V酒精溶液 t平=-3下的=976kg/m3C 冷却剂的冷却能力为 : Q=7.248*10-3*976*1.0
12、4*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，随着技术的改良，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135，为了将来工艺更改留下余量，设计取13-5=8/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确实定1醪液 1的计算t1+t22 4 6 8 10 C 25 150 170 185 204 1=0.64*C*421tt =0.64*185*4513 =19kcal/m2h2)冷却夹套的 2的计算精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总
13、结 - - - - - - -第 10 页，共 18 页湿润周边 =80+80+4*8.0 +2*43-1=276mm de=湿润周边流体流动截面面积*4de= 20%(V/V)酒精在定性温度 t=(-4-2)/2=-3下 *103Pas C =4.358*103J/kg =976kg/m3u=1m/s Re=du / =9750=1042/d(Re)(Cp / ) =0.23*0.402/3*(9750)*(1.04*5.05/3) =1547kcal/hr m 因为计算时冷却盘管为直管的，先修正：=2 =1547*(1+1.77*2.5/19.3) m 3)筒体部分传热系数K 21KA=1
14、11Aa+11ARs+2Ab+321+32ARsA12A22A32Rs12h/kcal Rs22h/kcal 12h22h2h精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 18 页带入数据可得：K1=hh426.14*5.193564.14+hh426.14564.14*000675.0+562.14*54.401.0+562.14*4 .206564.14+h562.14564.14*000307.0 =14.36*10-3所以： K=69.6kcal/ 注：h 为假设夹套高度 m 1醪液放热 Q醪=Q1+Q2降糖放热 Q1=N*
15、q*V1 N-简体部分所占醪液量： 16489kg q- V1Q1=16489*0.055*10-2降温放热 Q2=N V2 V2 /hv Q2所以 Q醪=Q1+Q2 2外界与罐体的传热量3=KF(t外平+t0 附-t内) t外平室外空气的平均温度28 t0 附- 太阳辐射传热和热传导的附加温度7 t内罐体内最低温度4KF1=1A1+211A+322A+433A+50A1 K-总传热系数 kcal/m2h F-传热计算面积 m22h精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页，共 18 页 A12A22A32A42A5212312h22
16、h32h02h Q3=KF(t外平+t0附-t内) =1.85*10%+1 *28+7-4B.筒体部分：带入数据到下式：123112233405111KFAAAAA Q4=1.1KF(t外平+t0 附-t内) =1.1*13.6*31 3总冷却量确实定 Q=Q1+Q2+Q3+Q4由 Q=KA tm 的2h精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页，共 18 页tm=2121lntttttm-对数温度差t1- 啤酒与冷媒进口温度差12-(-4)=16 t2-啤酒与冷媒出口温度差12-(-2)=14 知 Q=KAtm可得 A=Q/K tm
17、 2 则醪液的冷却负荷为：3/T0.3 m3/T 故冷却面积能够满足要求。1筒体部分由前面表达可知，筒体部分相同的冷却段，选用8 号槽钢筒体冷却段面积为 15.32 取相邻两槽钢间距为30mm 一圈槽钢长： l0=2212.0)62.2*14.3(24 圈则二段各绕 12 圈冷却段高度为 12* 80+30-40=1280mm 筒体实际冷却面积为2/T 2锥体部分锥体部分醪液量为 : 锥体部分冷却面积为 : 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页，共 18 页2绕制高度为 :200mm 第三节 发酵罐附件的设计及选型选用人孔 (A
18、XB350) Dg450*6 H1=150 HG/T21616-2005 材料 A3钢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，考虑罐体与人孔筒节均有一定的壁厚裕量，故补强圈取6mm S补=120*DDSd=48476052.0*45=0.85cm 选用带颈视镜 Pg6Dg150JB595 644 补强圈尺寸确定如下：内径 D1=163mm 外径 D2=300mm 补强圈的厚度 S补按 S补=d*S0/(D2-D1mm 考虑罐体与视镜筒节均有一定的壁厚裕量，故补强圈取6mm 2回收接管YB804 精选学习资料 - - - - - - - - - 名
19、师归纳总结 - - - - - - -第 15 页，共 18 页法兰 Pg6Dg40HG5010见发酵罐总装图YB804 法兰 Pg6Dg50HG5010YB804 法兰 Pg6Dg50HG5010Dg125球阀控制酒量Dg50玻璃视镜观测 Y排放情况Dg50接管见发酵罐总装图第四节 发酵罐的技术特性和标准一、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、类设备进行制作试验。2. 设备制造完毕后，设备内壁所有内外表焊缝须打磨平滑平缓过渡，但须保证用材料同样厚度。4. 设备安装后轴线对基础的不垂直度在全长上不大于10mm ，设备
20、在现场就位安装。5. 设备组焊后，封头简体锥形底的400 轴线在总高度范围内的不垂直度15mm 。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页，共 18 页6. 设备应进行以下实验：/cm2夹套内22气压实验罐内 3kgf/cm2夹套内 3kgf/cm2535底漆层及面漆 2 层。35-1红丹油防锈漆 2 层。9. 设备保温罐外喷聚氨厚度200mm 。二、发酵罐标准表圆柱锥底发酵罐的标准表名称20m3 圆柱锥底发酵罐罐体规格：直径 mm 2600 柱体高度mm 3094 总高度mm 5326 总容积(m3) 2 有效容积(m3) 15罐
21、利用率66.7% 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 kg/ ：罐内2. 5 工作压力 kg/ ：罐外冷却形式槽钢盘绕罐体的三段冷却精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页，共 18 页冷媒20% 酒精溶液 -4 冷却面积(m2) 15.75 工 作 温 度 ：罐 内0-12 工 作 温 度 ：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精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 18 页，共 18 页