酿酒设备课程设计

课程设计任务书题目：年产10 万千升12淡色啤酒生产露天锥底发酵罐的设计一、1、物料的恒算，发酵罐总容积计算；2、求发酵罐个数；3、发酵罐设计（罐体尺寸、壁厚、冷却面积计算与设计、发酵罐附 件的设计及选型）二、基本要求1、编写计算设计说明书（有前言、设计参数、物料恒算、发酵罐工艺设计计算，设计体会）2、用CAD绘出啤酒露天锥底发酵罐装配图。三、设计参数1. D : H：选用 D：H=1：42锥角：取锥角为 703. 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5. 罐体所承受的最大内压:2.5 kg/cm?外压：0.3 kg/cm?6. 锥形罐材质：A3钢材外加涂料，接管均用不锈钢7 .保温材料：硬质聚氨酯泡沫塑料，厚度200伽8. 内壁涂料，环氧树脂9. 年生产旺季天数170 天计算10. 工艺确定原辅料比例为75：25。每天糖化投料次数为7。11. 根据物料恒算每次糖化可得热麦汁66 m3. 每个锥形发酵罐装 四锅麦汁。四、主要参考资料1顾国贤酿造酒工艺学中国轻工业出版社2012.062梁世中生物工程设备轻工业出版社 2002.23朱有庭化工设备设计手册化学工业出版社2005.064吴思方发酵工厂工艺设计概论中国轻工业出版社20075李多民化工过程设备设计基础中国石化出版社2007。046邹宜侯机械制图清华大学出版社2012.08完成期限：2014 年11月 19日至2014年 11月 30日指导教师：王兰芝、王君高教研室主任：目录1前言31.1设计目的31.2技术背景42基本工艺条件62.1生产规模62.2基本参数63发酵罐的设计计算和说明73. 1发酵罐个数和结构尺寸的设计73.1.1发酵罐个数的确定73.1.2发酵罐尺寸的确定73.2冷却面积和冷却装置结构尺寸确定83.3发酵罐壁厚计算103.4发酵罐排入料管直径113.5发酵罐附件的设计选型114发酵罐的技术特性和规范124.1技术特性124.2发酵罐规范表（见发酵罐参数）134.3发酵罐总装图（见附图）135主要参考资料 13/,、八、1 前言1.1设计目的目前，世界上啤酒市场的竞争日益激烈，广大消费者对啤酒品种 结构和产品质量的要求也越来越高，相应的新品种也层出不穷，因此， 很有必要将这方面的技术加以科学的总结和分析，以推动啤酒产品多 样化在广度和深度的健康发展，随着人们生活水平的提高，饮食消费 结构的不断改变，啤酒已进入了千家万户。但是我国人均啤酒消费还 没有达到世界水平。所以建设新的、大型的啤酒厂，增加产量，就可 以满足人们将来物质生活需求，所以，设计啤酒厂是有意义有必要的。1.2 技术背景啤酒发酵过程是啤酒酵母在一定条件下，利用麦汁中的可发酵性 物质而进行的正常生命活动，其代谢的产物就是所要的产品啤酒。 由于酵母类型的不同，发酵的条件和产品要求、风味不同，发酵方式 也不同。根据酵母发酵类型不同可以把啤酒分成上面发酵啤酒和下面 发酵啤酒。一般可以把发酵技术分为传统发酵技术和现代发酵技术。 现代发酵主要有圆柱锥形发酵罐发酵、连续发酵和高浓度稀释发酵等 方式，目前主要采用圆柱锥形发酵罐发酵。 传统发酵技术的生产工艺流程：充氧冷麦汁发酵前发酵 后发酵储酒鲜啤酒。现代发酵技术主要包括大容量发酵罐发 酵法(主要是露天圆柱锥形发酵罐发酵法)、高浓糖化后稀释发酵法、 连续发酵法等。传统啤酒是在正方形的发酵槽或池中进行的，设备体积仅在5-30m3，啤酒生产规模小，生产周期长。20世纪50年代以后，由于 世界经济的快速发展，啤酒生产规模大幅度提高，传统的发酵设备已 满足不了生产的需要，大容量发酵设备受到重视。所谓大容量发酵罐 的体积与传统发酵设备相比而言。大容量的发酵罐有圆柱锥形发酵 罐、朝日罐、通用罐和圆形罐。圆柱锥形发酵罐是目前世界通用的发 酵罐，该罐主体呈圆柱形，罐顶为圆弧状，底部为圆锥形，具有相当 的高度(高度大于直径)，罐体设有冷却和保温装置，为全封闭发酵 罐。圆柱锥形发酵罐既适用于下面发酵，也适于上面发酵，加工十分 方便。我国自20世纪70年代中期，开始采用室外圆柱体锥形发酵罐 发酵法，目前国内啤酒生产几乎全部采用此发酵法。这是因为锥形罐 发酵法有它的特点:(1) 底部为锥形，便于生产过程中随时排放酵母，要求采用凝聚性 酵母。(2) 罐本身具有冷却装置，便于发酵罐温度的控制，生产容易控制， 发酵周期缩短，染菌机会少，啤酒质量稳定。(3) 罐体外设有保温装置，可将罐体置于室外，减少建筑投资，节 约占地面积，便于扩建。(4) 采用密闭罐，便于二氧化碳的回收，发酵也可以在一定压力下 进行。既可做发酵罐，也可做储酒罐，将发酵和储酒合二为一，称为一罐发酵法。(5) 罐内发酵液由于液体高度而产生二氧化碳梯度。通过冷却控制可使发酵液进行自然对流，罐体越高对流越强。由于强烈对流的存在，酵母发酵能力提高，发酵速度加快，发酵周期缩短。(6) 发酵罐可采用仪表或微机控制，操作、管理方便。(7) 锥形罐既适用于下面发酵，也适用于上面发酵。(8) 可采用 CIP 自动清洗装置，清洗方便。(9) 设备容量可根据生产需要灵活调整，容量可从20-600m3不等,最高可达 1500m3。2 基本工艺条件2.1 生产规模不同厂的生产规模不同，常见的生产规模有100万吨， 10万吨，5万吨等，本设计方案的生产规模为10万吨。2.2 基本参数1. D : H：选用 D：H=1：42锥角：取锥角为 703. 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5. 罐体所承受的最大内压：2.5 kg/cm?外压：0.3 kg/cm?6. 锥形罐材质：A3钢材外加涂料，接管均用不锈钢7 .保温材料：硬质聚氨酯泡沫塑料，厚度200伽8内壁涂料，环氧树脂9年生产旺季天数170天计算10. 工艺确定原辅料比例为 75：25。每天糖化投料次数为7。11. 根据物料恒算每次糖化可得热麦汁 66 m3. 每个锥形发酵罐装四锅 麦汁。3发酵罐的设计计算和说明31发酵罐个数和结构尺寸的设计3.1.1 发酵罐个数的确定圆柱锥形发酵罐的发酵周期为7 天，则对发酵罐个数的最低要求 N=nt+1=2*7+1=15其中：n每天装罐数t发酵周期/天1备用罐个数3.1.2 发酵罐尺寸的确定设计参数要求四锅麦汁装满一个发酵罐，每锅热麦汁量为66m3。而热麦汁的体积是10摄氏度（接种温度）冷麦汁体积的1.05倍左右则每个发酵罐装麦汁总量V = 66/1.05x4 = 251.43m3锥形发酵罐的留空容积至少应为锥形罐中麦汁量的25%，则发酵罐体积至少应为 V(1+25%) = 314.28m3取发酵罐体积v为314.28m3。锥形发酵罐为锥底圆柱形器身， 全顶上为椭圆形封头。采用标准椭圆封头a=D/4。设H : D=4 : 1,取锥角为70,则锥高h=0.714DV =nD2H/4+nD2h/12+nD3/24全得 D=4.469m H=4D=17.876 m h=3.191m 圆整至 D=4.5mH=4D=18.0mh=3.214m查表知封头高 h =1125mm封罐体总高 H = h +H+h=22739mm总封罐的实际容积 V=315.08m3罐利用率&=79.7%3.2冷却面积和冷却装置结构尺寸确定因双乙酰还原后的降温耗冷量最大，故冷却面积应按其计算。 已知 Q=862913 kJ/h发酵液温度143 C冷却介质(稀酒精)-2Ct =t t =142=12C112t=tt=3(-3)=6C221平均温差山 =(_ _/Inm 1212=(126)/ n(12/6)= 8.66C其传热系数K取经验值为4.18x200 kJ/(m2 . hC)则冷却面积F=Q/KAtm=862913/(4.18x200x8.66)= 119.2 m2工艺要求冷却面积为0.450.72 m2/ m3发酵液实际设计为119.2/237.4=0.50 m2/ m3发酵液 故符合工艺要求选取109x4.5半圆形无缝钢管作为冷却管，d =100mm,d=内 平均 105mm 每米管长冷却面积 F0= 105x10-3x1 =0.105 m2 按发酵液体积分配发酵面积，锥形部分发酵面积 S 锥=119.2*3.14*D3/24/251.43=6.44m2 圆柱部分面积S柱=119.2-6.44=112.76m2取蛇管圈之间的间距 hp=0.12m， 蛇管圈直径 Dp=5.1 pp0.018+0.105/2=5.17 m每圈蛇管长度1=( (nD)2 + h 2 ) 1/2 pp=(3.14x5.17)2+0.122 ) 1/2 =16.4 m冷却管绕制圈数和位置，锥 形 部 分 冷 却 管 圈 数 X=6.44/0.105/16.4=4 圈 ， 绕 制 长 度 x=4*0.12=0.48m圆柱部分Y=1 12.76/0.105/16.4=66圈，每段33圈,每段绕制长度 y=33*0.12=3.96m冷却夹套的位置：柱体上段夹套的顶部一般设置在酒液液面以下15cm，下段夹套的顶部则设在50%酒液总容以下15cm，锥角夹套尽 量靠近锥底，向上排列。上段夹套位置(距柱体顶端)H1=(251.43-17.03)/3.14/2.25*2.25-0.15=14.60m 下端夹套位置(距柱体中点)H2=9.0-(0.5*251.43-17.03)/3.14/2.25*2.25+0.15=0.94m 3.3发酵罐壁厚计算S=PD/ (2回申一P) +C (cm)式中P设计压力，现取P=0.2 MPaD发酵罐内径，D = 510 cm回一不锈耐酸钢(1Cr18Ni9Ti)的许用应力，o = 137 MPa 一焊缝系数，其范围在0.51之间，现取申=0.7C壁厚附加量(cm)C=C1C2C3C钢板负偏差，C=0.5 mmC2一为腐蚀裕量，C2=0 mmC3加工减薄量，对冷加工C3=0，热加工封头C3 = 10%S0 ； 现取 C3=0则 C = 0.5+0+0=0.5mm=0.05cmS=0.2x510/ (2x137x0.7-0.2)+0.05 =0.58 cm查钢材手册圆整为 S= 6 mm封头壁厚计算：标准椭圆封头的厚度计算公式如下：S=PD/ (2咖一P) +C (cm)式中 P=0.2 MPaD= 510 cmo = 137 MPa申=0.7C=0.05+0+0.1=0.15 cm则 S=0.2x510/(2x137x0.7-0.2)+0.15 =0.68 cm查钢材手册圆整为 S= 8 mm因锥形发酵罐置于露天(锥部置于室内)，为了进行良好的保温，以降低生产中的耗冷量，故在罐外壁加20cm厚的聚酰氨树脂作为保温层，在保温层外用瓦楞型板材设一外防护层。3.4发酵罐排入料管直径每罐发酵液量为58.40x4 = 233.6 m3,设4h之内排空, 则物料体积流量 Q=233.6/3600x4=0.0162 m3/s取发酵液流速为V=1 m/s则排料管截面积 F=Q/v=0.0162/l =0.0162 m2 管径 d=( F/(n/4) ) 1/2=1 0.0162/(n/4) ) 1/2 =0.144 m选取无缝管159x4.5,d =150 mm, d d,故可满足要求。内内管道截面积 F=(n/4) xO.152 = 0.0177 m2 则相应流速比P=Q/ FV= 0.0162/ (0.0177x1)=0.92倍排料时间 t=4x0.92 = 3.68 h3.5发酵罐附件的设计选型1. 入孔1) 、选用入孔 BIIPg6Dg450 X 8H =220JB-64-28 材料 A3 钢12) 、补强圈尺寸确定如下D =484mm内D =760mm外补强圈的厚度S、补按下式计算，考虑罐体与入孔节均有一定的壁厚裕量，故补强圈取8mmS =(dXS)/(D-D)=(45X0.52)/(76-484)=0.85cm补0212. 接管1)CO回收接管2YB804-70Dg40 无缝钢管重 3.6kg/m法兰 Pg6Dg40HG501058 重 1.219kg2）冷却剂进口接管YB804-70 Dg50 无缝钢管 重 4.65kg/m 法兰 Pg6Dg50HG501058 重 1.348kg4发酵罐的技术特性和规范4. 1技术特性 本例按JB74180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类设备进行制造试验。 设备制造完毕后，设备内壁所有内表面焊缝须打磨光滑平缓过渡， 但须保证用材料同样厚度。 立板焊接时应与底轴垂直，两块立板之间得分布误差不大于0.10 设备安装后轴线对基础的不垂直度在全场上不大于10mm，设备在 现场就位安装。 设备组焊后，封头筒体锥形底的400轴线在总高度范围内的不垂 直度15mm 设备应进行下列实验：1）液压实验 罐 内3.5kgf/cm2夹套内3.5kgf/cm22）气压实验 罐 内3kg/cm2夹套内3kg/cm2 设备内应涂白色7535 底漆层及面漆2 层 设备碳钢外露表面应涂Y351红丹油防锈漆2层351-1 设备保温罐外喷聚氨厚度 200mm4.2发酵罐规范表（见发酵罐参数） 4.3发酵罐总装图（见附图）5主要参考资料1顾国贤酿造酒工艺学中国轻工业出版社2012.062梁世中生物工程设备轻工业出版社 2002.23朱有庭化工设备设计手册化学工业出版社2005.064吴思方发酵工厂工艺设计概论中国轻工业出版社20075李多民化工过程设备设计基础中国石化出版社2007。046邹宜侯机械制图清华大学出版社2012.08