釀酒設備課程設計--啤酒生產露天錐底發(fā)酵罐的設計

1、<p>　　課 程 設 計 任 務 書</p><p>　　題目：年產10萬千升12°淡色啤酒生產露天錐底發(fā)酵罐的設計</p><p><b>　　一、主要內容：</b></p><p>　　1、物料的恒算，發(fā)酵罐總容積計算；</p><p><b>　　2、求發(fā)酵罐個數(shù)；</b>

2、;</p><p>　　3、發(fā)酵罐設計（罐體尺寸、壁厚、冷卻面積計算與設計、發(fā)酵罐附件的設計及選型）</p><p><b>　　二、基本要求</b></p><p>　　1、編寫計算設計說明書（有前言、設計參數(shù)、物料恒算、發(fā)酵罐工藝設計計算，設計體會）</p><p>　　2、用CAD繪出啤酒露天錐底發(fā)酵罐裝配圖。&l

3、t;/p><p><b>　　三、設計參數(shù)</b></p><p>　　1．D∶H：選用D∶H=1∶4 </p><p>　　2．錐角：取錐角為70°</p><p>　　3．封頭：選用標準橢圓形封頭 </p><p>　　4．冷卻方式：選取槽鋼盤繞罐體的三段間接冷卻<

4、;/p><p>　　5．罐體所承受的最大內壓：2.5㎏/cm³ 外壓：0.3㎏/cm³</p><p>　　6．錐形罐材質：A3鋼材外加涂料，接管均用不銹鋼</p><p>　　7．保溫材料：硬質聚氨酯泡沫塑料，厚度200㎜</p><p>　　8．內壁涂料，環(huán)氧樹脂 </p><p&g

5、t;　　9．年生產旺季天數(shù)170天計算 </p><p>　　10.工藝確定原輔料比例為75：25。每天糖化投料次數(shù)為7。</p><p>　　11.根據(jù)物料恒算每次糖化可得熱麥汁66 m3. 每個錐形發(fā)酵罐裝四鍋麥汁。</p><p><b>　　四、主要參考資料</b></p><p>　　〔1〕顧國賢《釀造酒

6、工藝學》中國輕工業(yè)出版社2012.06</p><p>　　〔2〕梁世中《生物工程設備》輕工業(yè)出版社2002.2</p><p>　　〔3〕朱有庭《化工設備設計手冊》化學工業(yè)出版社2005.06</p><p>　　〔4〕吳思方《發(fā)酵工廠工藝設計概論》中國輕工業(yè)出版社2007</p><p>　　〔5〕李多民《化工過程設備設計基礎》中國石化出

7、版社2007。04</p><p>　　〔6〕鄒宜侯《機械制圖》清華大學出版社2012.08</p><p>　　完成期限：2014年11月19日至2014年11月30日</p><p>　　指導教師：王蘭芝、王君高 教研室主任：</p><p><b>　　目錄</b></p><p>

8、;<b>　　1前言3</b></p><p><b>　　1.1設計目的3</b></p><p><b>　　1.2技術背景4</b></p><p><b>　　2基本工藝條件6</b></p><p><b>　　2.1生產規(guī)模

9、6</b></p><p><b>　　2.2基本參數(shù)6</b></p><p>　　3發(fā)酵罐的設計計算和說明7</p><p>　　3．1發(fā)酵罐個數(shù)和結構尺寸的設計7</p><p>　　3.1.1發(fā)酵罐個數(shù)的確定7</p><p>　　3.1.2發(fā)酵罐尺寸的確定7<

10、/p><p>　　3.2冷卻面積和冷卻裝置結構尺寸確定8</p><p>　　3.3發(fā)酵罐壁厚計算10</p><p>　　3.4發(fā)酵罐排入料管直徑11</p><p>　　3.5發(fā)酵罐附件的設計選型11</p><p>　　4發(fā)酵罐的技術特性和規(guī)范12</p><p>　　4.1技術特性

11、12</p><p>　　4.2發(fā)酵罐規(guī)范表（見發(fā)酵罐參數(shù)）13</p><p>　　4.3發(fā)酵罐總裝圖（見附圖）13</p><p>　　5主要參考資料13</p><p><b>　　1前言</b></p><p><b>　　1.1設計目的</b></p&

12、gt;<p>　　目前，世界上啤酒市場的競爭日益激烈，廣大消費者對啤酒品種結構和產品質量的要求也越來越高，相應的新品種也層出不窮，因此，很有必要將這方面的技術加以科學的總結和分析，以推動啤酒產品多樣化在廣度和深度的健康發(fā)展，隨著人們生活水平的提高，飲食消費結構的不斷改變，啤酒已進入了千家萬戶。但是我國人均啤酒消費還沒有達到世界水平。所以建設新的、大型的啤酒廠，增加產量，就可以滿足人們將來物質生活需求，所以，設計啤酒廠是有意

13、義有必要的。</p><p><b>　　1.2技術背景</b></p><p>　　啤酒發(fā)酵過程是啤酒酵母在一定條件下，利用麥汁中的可發(fā)酵性物質而進行的正常生命活動，其代謝的產物就是所要的產品—啤酒。由于酵母類型的不同，發(fā)酵的條件和產品要求、風味不同，發(fā)酵方式也不同。根據(jù)酵母發(fā)酵類型不同可以把啤酒分成上面發(fā)酵啤酒和下面發(fā)酵啤酒。一般可以把發(fā)酵技術分為傳統(tǒng)發(fā)酵技術和現(xiàn)

14、代發(fā)酵技術?，F(xiàn)代發(fā)酵主要有圓柱錐形發(fā)酵罐發(fā)酵、連續(xù)發(fā)酵和高濃度稀釋發(fā)酵等方式，目前主要采用圓柱錐形發(fā)酵罐發(fā)酵。</p><p>　　傳統(tǒng)發(fā)酵技術的生產工藝流程：充氧冷麥汁——發(fā)酵——前發(fā)酵——后發(fā)酵——儲酒——鮮啤酒?，F(xiàn)代發(fā)酵技術主要包括大容量發(fā)酵罐發(fā)酵法（主要是露天圓柱錐形發(fā)酵罐發(fā)酵法）、高濃糖化后稀釋發(fā)酵法、連續(xù)發(fā)酵法等。</p><p>　　傳統(tǒng)啤酒是在正方形的發(fā)酵槽或池中進行的，設

15、備體積僅在5-30m3，啤酒生產規(guī)模小，生產周期長。20世紀50年代以后，由于世界經濟的快速發(fā)展，啤酒生產規(guī)模大幅度提高，傳統(tǒng)的發(fā)酵設備已滿足不了生產的需要，大容量發(fā)酵設備受到重視。所謂大容量發(fā)酵罐的體積與傳統(tǒng)發(fā)酵設備相比而言。大容量的發(fā)酵罐有圓柱錐形發(fā)酵罐、朝日罐、通用罐和圓形罐。圓柱錐形發(fā)酵罐是目前世界通用的發(fā)酵罐，該罐主體呈圓柱形，罐頂為圓弧狀，底部為圓錐形，具有相當?shù)母叨龋ǜ叨却笥谥睆剑摅w設有冷卻和保溫裝置，為全封閉發(fā)酵罐。

16、圓柱錐形發(fā)酵罐既適用于下面發(fā)酵，也適于上面發(fā)酵，加工十分方便。我國自20世紀70年代中期，開始采用室外圓柱體錐形發(fā)酵罐發(fā)酵法，目前國內啤酒生產幾乎全部采用此發(fā)酵法。這是因為錐形罐發(fā)酵法有它的特點:</p><p>　　底部為錐形，便于生產過程中隨時排放酵母，要求采用凝聚性酵母。</p><p>　　罐本身具有冷卻裝置，便于發(fā)酵罐溫度的控制，生產容易控制，發(fā)酵周期縮短，染菌機會少，啤酒質量穩(wěn)

17、定。</p><p>　　罐體外設有保溫裝置，可將罐體置于室外，減少建筑投資，節(jié)約占地面積，便于擴建。</p><p>　　采用密閉罐，便于二氧化碳的回收，發(fā)酵也可以在一定壓力下進行。既可做發(fā)酵罐，也可做儲酒罐，將發(fā)酵和儲酒合二為一，稱為一罐發(fā)酵法。</p><p>　　罐內發(fā)酵液由于液體高度而產生二氧化碳梯度。通過冷卻控制，可使發(fā)酵液進行自然對流，罐體越高對流越強

18、。由于強烈對流的存在，酵母發(fā)酵能力提高，發(fā)酵速度加快，發(fā)酵周期縮短。</p><p>　　發(fā)酵罐可采用儀表或微機控制，操作、管理方便。</p><p>　　錐形罐既適用于下面發(fā)酵，也適用于上面發(fā)酵。</p><p>　　可采用CIP自動清洗裝置，清洗方便。</p><p>　　設備容量可根據(jù)生產需要靈活調整，容量可從20-600m3不等，最高

19、可達1500m3。</p><p><b>　　2基本工藝條件</b></p><p><b>　　2.1生產規(guī)模</b></p><p>　　不同廠的生產規(guī)模不同，常見的生產規(guī)模有100萬噸，10萬噸，5萬噸等，本設計方案的生產規(guī)模為10萬噸。</p><p><b>　　2.2基本參數(shù)

20、</b></p><p>　　1．D∶H：選用D∶H=1∶4 </p><p>　　2．錐角：取錐角為70°</p><p>　　3．封頭：選用標準橢圓形封頭 </p><p>　　4．冷卻方式：選取槽鋼盤繞罐體的三段間接冷卻</p><p>　　5．罐體所承受的最大內壓：2.

21、5㎏/cm³ 外壓：0.3㎏/cm³</p><p>　　6．錐形罐材質：A3鋼材外加涂料，接管均用不銹鋼</p><p>　　7．保溫材料：硬質聚氨酯泡沫塑料，厚度200㎜</p><p>　　8．內壁涂料，環(huán)氧樹脂 </p><p>　　9．年生產旺季天數(shù)170天計算 </p>&

22、lt;p>　　10.工藝確定原輔料比例為75：25。每天糖化投料次數(shù)為7。</p><p>　　11.根據(jù)物料恒算每次糖化可得熱麥汁66 m3. 每個錐形發(fā)酵罐裝四鍋麥汁。</p><p>　　3發(fā)酵罐的設計計算和說明</p><p>　　3．1發(fā)酵罐個數(shù)和結構尺寸的設計</p><p>　　3.1.1發(fā)酵罐個數(shù)的確定</p>

23、;<p>　　圓柱錐形發(fā)酵罐的發(fā)酵周期為7天，則對發(fā)酵罐個數(shù)的最低要求：</p><p>　　N=nt+1=2*7+1=15</p><p>　　其中：n——每天裝罐數(shù)</p><p><b>　　t——發(fā)酵周期/天</b></p><p><b>　　1——備用罐個數(shù)</b><

24、/p><p>　　3.1.2發(fā)酵罐尺寸的確定</p><p>　　設計參數(shù)要求四鍋麥汁裝滿一個發(fā)酵罐，每鍋熱麥汁量為66m3。而熱麥汁的體積是10攝氏度（接種溫度）冷麥汁體積的1.05倍左右。</p><p>　　則每個發(fā)酵罐裝麥汁總量V＝66/1.05×4＝251.43m3</p><p>　　錐形發(fā)酵罐的留空容積至少應為錐形罐中麥汁

25、量的25%，則發(fā)酵罐體積至少應為V(1＋25%)＝314.28m3</p><p>　　取發(fā)酵罐體積V全為314.28m3。錐形發(fā)酵罐為錐底圓柱形器身，頂上為橢圓形封頭。采用標準橢圓封頭a=D/4。</p><p>　　設H﹕D＝4﹕1，取錐角為70°，則錐高h＝0.714D</p><p>　　V全＝лD2H/4＋лD2h/12＋лD3/24</p

26、><p>　　得 D＝4.469m H＝4D＝17.876 m h＝3.191m</p><p>　　圓整至D=4.5m H=4D=18.0m h=3.214m</p><p>　　查表知封頭高h封＝1125mm</p><p>　　罐體總高H總= h封＋H＋h＝22739mm</p>&l

27、t;p>　　罐的實際容積V=315.08m3</p><p>　　罐利用率&=79.7%</p><p>　　3.2冷卻面積和冷卻裝置結構尺寸確定</p><p>　　因雙乙酰還原后的降溫耗冷量最大，故冷卻面積應按其計算。</p><p>　　已知Q＝862913 kJ/h</p><p>　　發(fā)酵液溫度

28、14℃ 3℃</p><p>　　冷卻介質（稀酒精）-3℃ 2℃</p><p>　　△t1＝t1－t2′＝14－2＝12℃</p><p>　　△t2＝t2－t1′＝3－（-3）＝6℃</p><p>　　平均溫差△tm＝(△t1－△t2)/㏑(△t1/△t2)</p><p>　?。?12－6)/

29、㏑(12/6)</p><p><b>　　＝8.66℃</b></p><p>　　其傳熱系數(shù)K取經驗值為4.18×200 kJ/(m2﹒h﹒℃)</p><p>　　則冷卻面積F＝Q1/K△tm</p><p>　?。?62913/（4.18×200×8.66）</p>&

30、lt;p>　　＝ 119.2 m2</p><p>　　工藝要求冷卻面積為0.45～0.72 m2/ m3發(fā)酵液</p><p>　　實際設計為119.2/237.4＝0.50 m2/ m3發(fā)酵液</p><p><b>　　故符合工藝要求</b></p><p>　　選取Ф109×4.5半圓形無縫鋼管作

31、為冷卻管，d內＝100mm,d平均＝105mm每米管長冷卻面積F0＝105×10-3×1＝0.105 m2</p><p>　　按發(fā)酵液體積分配發(fā)酵面積，</p><p>　　錐形部分發(fā)酵面積S錐=119.2*3.14*D3/24/251.43=6.44m2</p><p>　　圓柱部分面積S柱=119.2-6.44=112.76m2</p

32、><p>　　取蛇管圈之間的間距hp＝0.12m，蛇管圈直徑Dp＝5.1＋0.018+0.105/2＝5.17 m</p><p>　　每圈蛇管長度 l＝﹝(лDp)2＋hp2﹞1/2</p><p>　?。僵z(3.14×5.17)2＋0.122﹞1/2</p><p><b>　　＝16.4 m</b></

33、p><p>　　冷卻管繞制圈數(shù)和位置，</p><p>　　錐形部分冷卻管圈數(shù)X=6.44/0.105/16.4=4圈，繞制長度x=4*0.12=0.48m</p><p>　　圓柱部分 Y=112.76/0.105/16.4=66圈，每段33圈,每段繞制長</p><p>　　度y=33*0.12=3.96m</p>

34、<p>　　冷卻夾套的位置：柱體上段夾套的頂部一般設置在酒液液面以下</p><p>　　15cm，下段夾套的頂部則設在50%酒液總容以下15cm，錐角夾套盡</p><p>　　量靠近錐底，向上排列。</p><p>　　上段夾套位置（距柱體頂端）</p><p>　　H1=（251.43-17.03）/3.14/2.25*2.

35、25-0.15=14.60m</p><p>　　下端夾套位置（距柱體中點）</p><p>　　H2=9.0-(0.5*251.43-17.03)/3.14/2.25*2.25+0.15=0.94m</p><p>　　3.3發(fā)酵罐壁厚計算</p><p>　　S＝PD/（2[σ]φ－P）+C（cm）</p><p>

36、;　　式中 P—設計壓力,現(xiàn)取P＝0.2 MPa</p><p>　　D—發(fā)酵罐內徑，D＝510 cm</p><p>　　[σ]—不銹耐酸鋼（1Cr18Ni9Ti）的許用應力，[σ]＝137 MPa</p><p>　　Φ—焊縫系數(shù)，其范圍在0.5～1之間，現(xiàn)取φ＝0.7</p><p>　　C—壁厚附加量（cm）</p>&

37、lt;p>　　C＝C1＋C2＋C3</p><p>　　C1—鋼板負偏差， C1＝0.5 mm</p><p>　　C2—為腐蝕裕量， C2＝0 mm</p><p>　　C3—加工減薄量，對冷加工C3＝0，熱加工封頭C3＝10%S0 ；現(xiàn)取C3＝0 </p><p>　　則C＝0.5＋0＋0＝0.5mm＝0.05cm</p>

38、;<p>　　S＝0.2×510/（2×137×0.7－0.2）＋0.05</p><p><b>　?。?.58 cm</b></p><p>　　查鋼材手冊圓整為S＝6 mm</p><p><b>　　封頭壁厚計算：</b></p><p>　　標準

39、橢圓封頭的厚度計算公式如下：</p><p>　　S＝PD/（2[σ]φ－P）+C（cm） </p><p>　　式中P＝0.2 MPa</p><p><b>　　D＝510 cm</b></p><p>　　[σ]＝137 MPa</p><p><b>　　φ＝0.7</b&

40、gt;</p><p>　　C＝0.05＋0＋0.1＝0.15 cm</p><p>　　則S＝0.2×510/（2×137×0.7－0.2）＋0.15</p><p><b>　?。?.68 cm</b></p><p>　　查鋼材手冊圓整為S＝8 mm</p><p&

41、gt;　　因錐形發(fā)酵罐置于露天（錐部置于室內），為了進行良好的保溫，以降低生產中的耗冷量，故在罐外壁加20cm厚的聚酰氨樹脂作為保溫層，在保溫層外用瓦楞型板材設一外防護層。</p><p>　　3.4發(fā)酵罐排入料管直徑</p><p>　　每罐發(fā)酵液量為58.40×4＝233.6 m3,設4h之內排空，</p><p>　　則物料體積流量Q＝233.6/3

42、600×4＝0.0162 m3/s</p><p>　　取發(fā)酵液流速為v＝1 m/s</p><p>　　則排料管截面積F＝Q/v＝0.0162/1＝0.0162 m2</p><p>　　管徑d＝﹝F/(л/4)﹞ 1/2 </p><p>　?。僵z0.0162/(л/4)﹞ 1/2</p><p>&l

43、t;b>　　＝0.144 m</b></p><p>　　選取無縫管Ф159×4.5,d內＝150 mm, d內＞d,故可滿足要求。</p><p>　　管道截面積F′＝(л/4) ×0.152＝0.0177 m2</p><p>　　則相應流速比P＝Q/ F′V</p><p>　?。?.0162/（0

44、.0177×1）</p><p><b>　　＝0.92倍</b></p><p>　　排料時間t＝4×0.92＝3.68 h</p><p>　　3.5發(fā)酵罐附件的設計選型</p><p><b>　　1.入孔</b></p><p>　　1)、選用入孔

45、BIIPg6Dg450×8H1=220JB-64-28材料A3鋼</p><p>　　2)、補強圈尺寸確定如下</p><p><b>　　D內=484mm</b></p><p><b>　　D外=760mm</b></p><p><b>　　補強圈的厚度S補</b&g

46、t;</p><p>　　按下式計算，考慮罐體與入孔節(jié)均有一定的壁厚裕量，故</p><p><b>　　補強圈取8mm</b></p><p>　　S補=(d×S0)/(D2-D1)=(45×0.52)/(76-484)=0.85cm</p><p><b>　　2.接管</b>

47、;</p><p><b>　　1)CO2回收接管</b></p><p>　　YB804-70 Dg40無縫鋼管 重3.6kg/m</p><p>　　法蘭 Pg6Dg40HG5010—58 重1.219kg</p><p><b>　　2)冷卻劑進口接管</b></p&g

48、t;<p>　　YB804-70 Dg50無縫鋼管 重4.65kg/m</p><p>　　法蘭 Pg6Dg50HG5010—58 重1.348kg</p><p>　　4發(fā)酵罐的技術特性和規(guī)范</p><p><b>　　4.1技術特性</b></p><p>　?、俦纠碕B741—

49、80鋼制焊接壓力容器技術條件：及“SB5111”不銹鋼耐酸性鋼及碳鋼、II類設備進行制造試驗。</p><p>　?、谠O備制造完畢后，設備內壁所有內表面焊縫須打磨光滑平緩過渡，但須保證用材料同樣厚度。</p><p>　?、哿搴附訒r應與底軸垂直，兩塊立板之間得分布誤差不大于0.10</p><p>　?、茉O備安裝后軸線對基礎的不垂直度在全場上不大于10mm，設備在

50、現(xiàn)場就位安裝。</p><p>　　⑤設備組焊后，封頭筒體錐形底的Ф400軸線在總高度范圍內的不垂直度<15mm</p><p>　?、拊O備應進行下列實驗：</p><p>　　液壓實驗 罐 內 3.5kgf/cm2</p><p>　　夾套內 3.5kgf/cm2</p><p>　　氣壓

51、實驗 罐 內 3kg/cm2</p><p>　　夾套內 3kg/cm2</p><p>　?、咴O備內應涂白色7535底漆層及面漆2層</p><p>　?、嘣O備碳鋼外露表面應涂Y351-1紅丹油防銹漆2層</p><p>　?、嵩O備保溫罐外噴聚氨厚度200mm</p><p>　　4.2發(fā)酵罐規(guī)

52、范表（見發(fā)酵罐參數(shù)）</p><p>　　4.3發(fā)酵罐總裝圖（見附圖）</p><p><b>　　5主要參考資料</b></p><p>　　〔1〕顧國賢《釀造酒工藝學》中國輕工業(yè)出版社2012.06</p><p>　　〔2〕梁世中《生物工程設備》輕工業(yè)出版社2002.2</p><p>