发酵罐的设计

目录
第一章啤酒发酵罐结构与动力学特征 (3)
一、概述 (3)
二、啤酒发酵罐的特点 (3)
三、露天圆锥发酵罐的结构 (4)
3.1罐体部分 (4)
3.2温度控制部分 (5)
3.3操作附件部分 (5)
3.4仪器与仪表部分 (5)
四、发酵罐发酵的动力学特征 (6)
第二章发酵罐的化工设计计算 (7)
一、发酵罐的容积确定 (7)
二、基础参数选择 (7)
三、D、H的确定 (7)
四、发酵罐的强度计算 (9)
4.1 罐体为内压容器的壁厚计算 (9)
五、锥体为外压容器的壁厚计算 (11)
六、锥形罐的强度校核 (13)
6.1内压校核 (13)
6.2外压实验 (14)
6.3刚度校核 (14)
第三章发酵罐热工设计计算 (14)
一、计算依据 (14)
二、总发酵热计算 (15)
第四章发酵罐附件的设计及选型 (19)
一、人孔 (19)
二、接管 (19)
三、支座 (20)
第五章发酵罐的技术特性和规范 (21)
一、技术特性 (21)
二、发酵罐规范表 (22)
参考文献 (24)
发酵罐设计实例
第一章啤酒发酵罐结构与动力学特征
一、概述
啤酒是以大麦喝水为主要原料，大米、酒花和其他谷物为辅料经制麦、糖化、发酵酿制而成的一种含有二氧化碳、酒精和多种营养成分的饮料酒。

我国是世界上用谷物原料酿酒历史最悠久的国家之一，但我国的啤酒工业迄今只有100余年的历史。

改革开放以来，我国啤酒工业得到了很大的发展，生产大幅度增长，发展到现在距世界第二位。

由于啤酒工业的飞速发展，陈旧的技术，设备将受到严重的挑战。

为了扩大生产，减少投资保证质量，满足消费等各方面的需要，国际上啤酒发酵技术子啊原有传统技术的基础上有很大进展。

尤其是采用设计多种形式的大容量发酵和储酒容器。

这些大容器，不依靠室温调节温度，而是通过自身冷却来控制温度，具有较完善的自控设施，可以做到产品的均一性，从而降低劳动强度，提高劳动生产率。

就发酵罐的外形来分，主要有圆柱锥形底罐、圆柱蝶形罐、圆柱加斜底的朝日罐和球形罐等。

二、啤酒发酵罐的特点
1、单位占地面积的啤酒产量大；而且可以节约土建费用；
2、可以方便地排放酵母及其他沉淀物（相对朝日罐、通用罐、贮就罐而言）；
3、发酵温度控制方便、有效，麦汁发酵时对流好，发酵速度快，可以缩短发酵周期（相对卧式罐、发酵槽而言）；
4、可以回收利用二氧化碳，并可有利于啤酒的口味稳定性与非生物稳定性（相对开口容器而言）；
5、可以一关多用，生产工艺比较灵活；简化生产过程与操作，而且酒损也现对减少；
6、制作相应要比其他发酵罐简单；
7、便于自动控制，如自动清洗和自动灭菌，节省人力与洗涤费用，卫生条件好。

三、露天圆锥发酵罐的结构
3.1罐体部分
露天圆锥发酵罐的罐体有灌顶、圆柱体与锥底3部分组成，其中：灌顶：为圆拱形，中央开孔用于可拆卸大直径法兰，以安装CO2与CIP管道及其连接件，灌顶还装有真空阀，安全阀与压力传感器。

圆柱体：为发酵罐主体，发酵罐的高度主要决定于圆柱体的直径与径高比，由于大直径的光耐压低，考虑到使用钢板的厚度，一般直径＜6.0m。

圆锥底：它的夹角多为60—90°，也有90—120°，但这多用于大直径的罐及大容量的罐；如夹角过小会使椎体部分很高。

露天圆锥发酵罐圆锥底的高度与夹角有关，大致占总高的1/4—1/3。

圆锥底的外壁一般安装冷却夹套、阀门与视镜、取样管阀、测温、测压的传感元件或
温度计，CO2洗涤装置等。

3.2温度控制部分
发酵罐的温度控制部分主要由冷却层、保温层、测温元器件、温度记录及温度控制装置等组成，其中：冷却层是调节发酵罐内液体温度的主要部分，按其结构可分为盘式和夹套式两种；
发酵罐的保温层一般使用聚氨酯泡沫塑料或脲醛泡沫塑料，也有使用聚苯乙烯泡沫塑料，在发泡保温时，为了未来的维修剥离及复原的方便，罐身与发泡塑料之间最好能用塑料薄膜隔离；发酵罐的测温元件有直接感应与遥控两种；发酵罐的温控装置实际起供、断冷却水的作用。

3.3 操作附件部分
发酵罐的操作附件比较多，主要包括：进、出管道、阀门和视镜；CO2回收和CO2洗涤装置；真空/过压保护装置；取样阀；原位清洗装置（CIP）；换间板。

3.4 仪器与仪表部分
发酵罐对一次仪表、二次仪表、记录装置、报警装置以及微机程序控制、自动控制的应用很广泛，这些仪器、仪表主要对发酵罐的物料数量（以容积或液位表示）、压力、温度三个参数进行显示、自动记录、自动控制及报警，还有测定浸出物含量与CO2含量的一次仪表，这样就可以进行真正的自动控制。

四、发酵罐发酵的动力学特征
发酵罐发酵的主要特点是采用较高的发酵温度和高凝性酵母、进一步提高发酵液浓度，保持茁盛的酵母层和缩短发酵时间进行可控发酵，其主要动力学特征有：
1、由于采用凝聚性酵母，S3＞S1，使发酵速度3区＞1区；导致B3＜B1浓度差，促进发酵液的对流；
2、由于3区发酵速度快，产生CO2多，加上液压，使P3＞P1而形成压力差推动发酵液对流；
3、由于发酵时控制t3＞t1，形成温度差对流。

第二章发酵罐的化工设计计算
一、发酵罐的容积确定
实际需要选用V有效=60m3的发酵罐
则V全=V有效／ =60／85%=71 m3
二、基础参数选择
1. D:H 选用D:H=1:3
2.锥角：取锥角为70°
3.封头：选用标准椭圆封头
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㎏／cm3
外压：0.3㎏／cm3
6.锥形罐材质：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的确定
由D:H=1:3 ，则锥体高度H1=D／2tg35°=0.714D
封头高度H2=D／4=0.25D
圆柱部分高度H3=（3.0-0.714-0.25）D=2.04D
又因为V 全=V 锥+V 封+V 柱=3π×2D 4×H 1+24π×D 3＋4π×D 2
×H 3
=0.187D 3+0.13D 3+1.60D 3=71
得D=3.33m
查JB1154-74《椭圆形封头和尺寸》取发酵直径D=3400mm 再由V 全=71 cm 3 ，D=3.4m
得径高比为D:H=1:2.8
由D=3400mm 查表得椭圆形封头几何尺寸为：
h 1=850mm
h 0=50mm
F=13.0m 2
V=5.6m 3
筒体几何尺寸为：
H=5940mm
F=63.44 m 2
V=56.22m 3
锥体封头几何尺寸为：
H 0=50mm
r=510m
H=3115mm
F =πd 2／4-[()0.70.32
COSa Sina ++0.64]=7.75 m 2
V=πd 3／24[（0.7+0.3COSa ）2／tga+0.72]=4.91 m 3
则：锥形罐总高：H=850+50+5940+50+3115=10005mm
总容积：V=5.6+56.22+4.91=66.73m 3
实际充满系数：60／66.73=89.91%
罐内液柱高：
H ，=22104
4.391
.4-60⨯⨯π+（3115+50）=3203mm 四、发酵罐的强度计算
4.1 罐体为内压容器的壁厚计算
1. 标准椭圆封头
设计压力为:1.1*2.5=2.75㎏／cm 2
S=[]
2PDg
C t P ϕσ+- 式中：P=2.75㎏／cm 2
[]t σ：A 3钢工作温度下的许用力取1520㎏／cm 2
ϕ：焊接系数，本例采用双面对接焊作为局部无探伤0.9壁厚附加量：C=C 1+C 2+C 3
查表得：C 1:钢板厚度的负偏差取0.8mm 负偏差
C 2:腐蚀裕量取2mm
C 3:制造减薄量取0.6mm
则： mm 8.64.375
.2-9.015202340075.2=+⨯⨯⨯ 取 S 0=7mm
直边高：h 0=40mm
校核
D D 42P s h σ⎡⎤
=⎢⎥⎣⎦中中
=()90028
3400747340075.2⨯+
⨯⨯+⨯
=633.5≤[]σt
2. 筒体
P 设=1.1×（P 工作+P 静）
=1.1*（2.5+0.61）=3.42㎏／cm 2 S= []2PD
C P σϕ+- （取C 2=0.6,C 2=2,C 3=0.6） =mm 5.72.342.3-9.0152023400
42.3=+⨯⨯⨯
取S=8mm
校核
σ2=[]D 771.22P s ϕσ=≤中
t
3. 锥形封头
(1) 过渡区壁厚
S= []P 20.5K Dg
C P ϕσ+-设
P 设=1.1*（2.5+0.9）=3.745㎏／cm 2（0.9为静压）
K=0.75
S=[]P 20.5K Dg
C P ϕσ+-设
=C +⨯⨯⨯⨯⨯74.35.0-9.0152023400
74.375.0
=3.49+C
=3.49+0.6+2+0.369
=6.46mm
(2) 锥体
S=[]*0.5f PDg t P ϕσ-+C
S 0=[]*0.5f PDg
t P ϕσ-=6.574.35.0-9.015203400
74.360.0=⨯⨯⨯⨯（f 查表为0.60）
S=S 0+C=5.6+0.6+2+0.59=8.57
取S=10mm h 0=40mm
校核锥体所受最大应力处：
D 235P sCos σ=︒中
==︒⨯⨯⨯35cos 1023410
74.3=778.5[]σ≤t
=824.1[]σ≤t
五、锥体为外压容器的壁厚计算
1.标准椭圆封头
设S 0=5mm
R 内=0.9D g 3240mm
R 内/100S=3240/100*5=6.48
查图表4-1及B=275
[P]=B*S 0/R 内=275*5/3240=0.43kg/cm 2>0.3kg/cm 2
满足要求
取C1=0.5mm，C2=2mm，C3=0.5mm
则S=S0+C=8mm
2.筒体
设S0=6mm
L/D=0.69
D=3400/6=567
查图表4-1及B=210
[P]=210*6/3400=0.357kg/cm2>0.3kg
S0=6mm
故可取C1=0.6mm，C2=2mm，C3=0.6mm
则S=S0+C=9.2mm或10mm
3.锥形封头
因为：
α=35°
所以22.50°<α<60°
按第四章发酵罐设计的中封头可知，加强圈间中锥体截面积最大直径为：
2 * 2740/2 *tg35°=1918.6mm
取加强圈中心线间锥体长度为1370mm
设S0=6mm
L/D=1370/3400=0.4
D/S0=3400/6=567
查图表4-1及B=320
[P]=BS0/D=320*6/3400=0.56>0.3kg/cm2
故取S0=6mm
C1=0.6mm，C2=2mm，C3=0.6mm
所以S=S0+C=6+3.2=9.2
取S=10mm
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10mm h0=40mm
圆筒壁厚10mm
标准形封头壁厚12mm h0=40mm
六、锥形罐的强度校核
6.1内压校核
液压试验P试=125P设
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=3.74kg/cm2
液压实验P试=1.25P=4.68kg/cm2
查得A3钢σ=2400kg/cm3
σ试=P试[D g+（S-C）]/2(S-C)
=4.68*[3400+(12-3.2)]/2*(12-3.2)
=906.4kg/cm2
0.9ψσ=0.9*0.9*2400=1944kg/cm2>σ试
可见符合强度要求，试压安全
6.2外压实验
以内压代替外压
P=1.5*(0.3+1.2)=2.25kg/cm2
P试=1.25P=2.8kg/cm2<P内试
故可知试压安全
6.3刚度校核
本例中允许S=2*3400/1000=6.8mm
而设计时取壁厚为S=10mm，故符合刚度要求（公式：S最小=2D
）
内/1000
第三章发酵罐热工设计计算
一、计算依据
计采用A3刚作发酵罐材料，用8号槽钢做冷却夹套，分三段冷却，筒体二段，椎部一段，夹套工作压力为2.5kg/cm2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℃（主要发酵5-6天，封头及筒体部分保温层厚度为200mm，椎底部分为98mm）
二、总发酵热计算
Q=q*v=119*70=8330kg/hr
q为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
1、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*4.3-10.24=24.16cm2
冷却剂流量为（三段冷却）
3*24.16*10-4*1=7.284*10-3m3/s
查得20%（V/V）酒精溶液Δt平=-3℃下的ρ=976kg/m3
Cρ=1.04kcal/kg·℃
冷却剂的冷却能力为：
Q=7.248*103*976*1.041*2*3400=49131.3kcal/hr
故可选取8号钢槽为冷却夹套。

2、发酵罐冷却面积的计算
考虑生产过程中，随着技术的改进，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13℃到5℃，为了将来
工艺更改留下余量，设计取13-5=8℃为设计的日降温量，取
0.6℃/hr为设计的小时降温量，则由Q=KAΔt m求得冷却面积。

2.1传热系数K的确定
2.1.1醪液α1的计算
α1=0.64*C*2
t-
1t
=0.64*185*5
11-
=185.3kcal/m2·h·℃
2.1.2冷却夹套的α2的计算
湿润周边=80+（80+4*8.0）+2*（43-1）
de=（4*流体流动截面面积）/湿润周边
=204mm=20.4cm
de=4*24.16/20.4=4.74cm=0.0474m
20%（V/V）酒精在定性温度t=（-4-2）/2=-3℃下μ=5.05CP=5.05*103Pa·s
λ=0.402kcal/hr·m·℃=0.468W/m·℃
C p=1.041kcal/kg·℃=4.358*103J/kg℃
ρ=976kg/m2
μ=1m/s
Re=duρ/μ=9160=104
故可视为强制湍流流动得n=0.4
α2=0.023λ/d（Re）0.8（C pμ/λ）0.4=1348.4kcal/hr·m·℃因为计算时冷却盘管为直管的，先修正：
α、=α（1+1.77d/R）
=1348.4*（1+12）*0.0474/1.829
=1410.3kcal/hr·m·℃
1）筒体部分传热系数K
1/K A2=1/α1A1+Rs1/A1+b/λA2+1/α2A3+Rs2/A3
代入数据可得：
1/K=7.325*10-3
所以：K=136.5kcal/m2·℃
注：h为假设夹套高度（m）
3、锥形罐筒体需冷却的热量
1）醪液放热Q醪=Q1 ’+ Q2’
Q1‘ = 62110×0.055×146.6 = 4552.7kcal / hr
Q2’= 62110×0.9519×0.6 = 35473kcal / hr 所以,Q 醪=Q1‘+Q2’ = 40026kcal / hr
2）外界与罐体的传热量
a. 封头部分Q1 = KF(t外平+t0附-t内）
带入数据得KF=0L.2
Q1 = KF(t外平+t0附-t内）
=2.02×（10%+1）×（32+8.5-5）
78.72kcal / hr
b. 筒体部分：
带入数据：
1/KF=1/αA1+ δ1/λ1A2+δ2/λ2A2+δ3/λ2A4+1/αA5
得：KF = 15.67kcal/K·°C
Q2=KF(t外平+t0附-t内）
=1.1×15.6（32+8.5-5）
= 6119kcal/hr
4、筒体冷却面积A 初定
C t t t t t m ︒=-=∆∆-∆∆3.11)9/14ln(/)914()/ln(/)(2121
Q=KAΔt m
A=40716.8/136.5×11.3=26.4m 2
则醪液的冷却负荷为：
26.4/62110=0.425m 2/T>0.3m 3/T
故冷却面积能够满足要求。

5、发酵罐冷却面积的确定
1）筒体部分
由前面叙述可知，筒体部分相同的冷却段，选用8#槽钢筒体冷却段面积为26.4m 2，则槽钢长=26.4/0.08=330
取相邻两槽钢间距为40mm
一圈槽钢长：
l 0=[(3.14×3.62)2+0.122]1/2 = 11.367m
330m 长的槽钢可绕圈数330/11.367 ≈30圈
则二段各绕15圈
冷却段高度为：
15×（80+40）-40=1760mm
筒体时机冷却面积为：
30×11.367×0.08=1.439m 2/T
2）锥底部分
锥体部分醪液量为4.91×1.0484=5.32
锥体部分冷却面积为
5.32×0.439=2.33m2
则槽钢长为2.33/0.08=29.1m
绕制高度为1000mm
第四章发酵罐附件的设计及选型
一、入孔
1、选用入孔BIIPg6Dg450×8H1=220JB-64-28材料A3钢
2、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，考虑罐体与入孔节均有一定的壁厚裕量，故
补强圈取8mm
S补=(d×S0)/(D2-D1)=(45×0.52)/(76-484)=0.85cm
二、接管
1、CO2回收接管
YB804-70 Dg40无缝钢管重3.6kg/m
法兰Pg6Dg40HG5010—58 重1.219kg
2、温度计取样接管
见发酵罐总装图
3、冷却剂进口接管
YB804-70 Dg50无缝钢管重4.65kg/m 法兰Pg6Dg50HG5010—58 重1.348kg 4、滤酒管
YB804-70 Dg50不锈钢管重7.15kg/m 法兰Pg6Dg50HG5010—58 重2.38kg 去滤酒馆于管内高度为1.2m即1200mm
5、麦汁进料及Y排放接管
Dg125球阀控制酒量
Dg50玻璃视镜观测Y排放情况
Dg50接管
三、支座
见发酵罐总装图
第五章发酵罐的技术特性和规范
一、技术特性
1、本例按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、II类设备进行制造试验。

2、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。

3、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
4、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。

5、设备组焊后，封头筒体锥形底的Ф400轴线在总高度范围内的不垂直度<15mm
6、设备应进行下列实验：
1）液压实验罐内 3.5kgf/cm2
夹套内 3.5kgf/cm2
2）气压实验罐内3kg/cm2
夹套内3kg/cm2
7、设备内应涂白色7535底漆层及面漆2层
8、设备碳钢外露表面应涂Y351-1红丹油防锈漆2层
9、设备保温罐外喷聚氨厚度200mm
二、发酵罐规范表
85m3圆柱锥底发酵罐的规范表
参考文献
[1] 娄爱娟，吴志泉，吴叙美．化工设计．上海：华东理工大学出版社，2002。

[2] 国家医药管理局上海医药设计院．化工工艺设计手册(第二版)．北京：化学工业出版社，1996。

[3] 时钧，汪家鼎等．化学工程手册(第二版)．北京：化学工业出版社，1996。

[4] 绉兰，闫传智．化工工艺设计．成都：成都科技大学出版社，1998。

[5] 魏崇光，郑晓梅．化工工程制图．北京：化学发工业出版社，1994。

[6]戚世岳．化工工程制图．北京：化学工业出版社，2005。

[7]刘道德等．化工设备的选择与设计（第三版）．长沙：中南大学出版社，2003。

[8]王静康．化工过程设计．北京：化学工业出版社，2006。