发酵工程设计概论课件 第七讲.ppt

例1：啤酒厂糖化锅的设计计算一、糖化锅的结构设计 1、糖化锅是圆柱筒体器身，径高比D:H= 2:1，锅底为标准椭圆形封头（带夹层）和锥形顶盖的容器2、糖化锅采用蒸汽夹套加热形式3、为了保持醪液的浓度和温度均匀，在靠近锅底处，设有桨式搅拌器旋转，由电动机通过减速器直接带动搅拌器旋转4、锅盖的顶部设有排气管，高约15m，筒顶设有风帽 二、糖化锅的设计计算1、主体尺寸的确定设一批糖化过程中：麦醪质量G=33792kg 米醪质量G=20726kg麦醪密度ρ=1068kg/m3 米醪密度ρ=1018kg/m3糖化锅填充系数ψ=0.65所以V有效=G麦醪/ρ麦醪+ G米醪/ρ米醪 V总=V有效/ψ= 33792/1068+20726/1018 =52/0.65=52m3 =80 m3采用圆柱筒体器身 径高比D：H=2：1锅底为标准椭圆形封头 短半轴长D/4所以，V总=π*（D/2）2*H+π*D3/24*经计算 D=5.35 m 取 D=5400 mm，H=2700 mm。

锅底封头高度h＝D/4＝1350mm 升气筒直径D1＝D/(40)0.5＝5.4/(40)0.5＝0.865(m)2、部分管径尺寸的计算（1） 糊化醪进入糖化锅管径d1Q=w*π*（d1/2）2*3600 d1=18.8(Q/w)1/2 单位mm糊化醪体积 V=G/r r-为糊化醪的密度，取1018kg/m3V=20736/1018=20.4 m3Q=V/t=20.4*60/20=60.12 m3/h 可求得 d1=93 mm查表12，取无缝钢管外径108mm，壁厚4mmQ——流体流量 （m3/h）W——流体流速（m/s）w——进料速度，取2.5m/st—— 进料时间，取20min（2）出料管直径d2糖化醪 G=54518kg体积 V=54518/1068=51 m3设糖化醪在30分钟内打入过滤槽，速度w=2m/s.Q=V/t=51/0.5=102m3/h则 d 2=18.8(Q/w)1/2 =134 mm查表12，取无缝钢管外径为159mm, 壁厚为4.5 mm(3)进料管径d3设进料速度为4 m/s, 进料麦芽醪为33792 kg, 设下料时间为 10min麦芽醪体积 V=33792/1068=31.6m3麦芽醪下料流量 Q=V/t=(31.6/10)*60=190 m3/hd 3=18.8(Q/w)1/2=129.6 mm查表12，取无缝钢管外径为159 mm, 壁厚为4.5mm.以上三个管的进出物料最终由同一个管打入（打出）糖化锅，根据以上计算结果，选用公称直径d＝150mm，外径159mm，壁厚4.5mm的无缝钢管。

4)蒸汽管管径d4由热量衡算，糖化锅蒸汽耗量为2367941 KJ， 用时15 分钟（0.25h），则蒸汽流量D = Q/[t(I－i)η] = 2367941/[0.25×(2725.3－561.47)×95％] = 4607.7 kg/h蒸汽密度 r＝1.621㎏/m3 蒸汽流量V=4607.7/1.621=2842.5 m3/h查《生物工程工厂设计概论》P179表7-1蒸汽流速 W=20---40 m/s，取30 m/sd4 = 18.8(V/w)1/2 = 183 mm查表12，取无缝钢管外径为219 mm, 壁厚为6mm.3、搅拌器选取二折叶螺旋桨搅拌器，搅拌桨叶角θ=60°转数 N=30r/min=0.5r/s搅拌器直径 D0=2/3*D=3.6 m， 则 雷诺准数 Re= D02*N*ρ/μ =3.6*3.6*0.5*1068/0.002=3460320>10000 故为湍流状态D=5.4 m粘度μ=0.002 N.s/m2搅拌功率准数Np=A/Re+B′[（1000+1.2*Re0.66）/（1000+3.2*Re0.66）]P×（H’/D）（0.35+B/D0）(sinθ)1.2式中：B——搅拌叶宽度，0.2m； H’——液面高度（m）；D——糖化锅的直径，5.4m ； D0—搅拌器的直径，3.6m； θ——搅拌叶与旋转平面所成角度，取θ=60 °A ＝14＋(B/D)[670×(D0/D－0.6)2＋185] B′＝10exp[1.3－4(B/D－0.5) 2－1.14D0/D]P ＝1.1＋4B/D－2.5(D0/D－0.5)2代入数值，可求得NP=0.0987液面高度H’ =（V有效- V封头底）×4/（πD2）+1.350=（52-20.6）×4/（3.14×5.42）+1.350=2.72（m）则搅拌功率 P0=N3*D05*ρ* NP/ 1000= 0.53*3.65*1068*0.0987/ 1000=7.96 kw所以 电机功率 P=K*(K1*P0+ 0.5) /η总=1.2*（1.1*7.96+0.5）/0.4=27.77 kwK-电机功率贮备系数,取1.2； K1-阻力系数取1.1；η总-传动机构总效率取0.4; 0.5-传动过程中摩擦损失率选30kw的电机4、糖化锅锅体重量（1）锅底重 选用标准椭圆封头 Dg5400×10内表面积 F=32.29 （m2）G1=Fδρ= 32.29×0.01×7900=2535 (kg)（2）锅身重 G2=π*D*H*δ2*ρ=3.14*5.4*2.7*0.008*7900=2894.84 kg密度ρ=7900kg/ m3 锅底壁厚 δ1=10mm锅身壁厚 δ2=8mm（3）锅顶重 G3=π(D/2+d/2)(D/2-d/2) δρ /sin60°=3.14×(5.4/2+0.865/2) ×(5.4/2-0.865/2) ×0.003×7850 / sin60° =607(kg)δ3=3mm（4）升气筒重 G4=π*d *H“*δ3*ρ=3.14*0.865*15*0.003*7900=949.3 kg（5）估计其它附件重 G5=650 kg（6）锅体重量 G=G1+G2+G3+G4+G5=2535+2894.8+607+949.3+650=7636.1 kgδ3=3mm 升气筒高 H“=15m糖化锅锅的主要技术术参数表项目参数 有效容积（m3）52总容积（m3）74.3锅内工作压力（kg/cm3）常压锅身直径（mm）5400锅筒体高度（mm）2700封头高度（mm）1350升气筒直径（mm）865升气筒高度（mm）15000锅身壁厚（mm）8锅顶壁厚（mm）3锅底壁厚（mm）10锅底夹层厚度（mm）10搅拌器直径（m）3.6搅拌器转速（r/min）30电动机功率（kw）30重量（kg）7636例2：厌氧发酵罐的设计计算1—二氧化碳排出2—洗涤器 3—冷却夹套4—加压或真空装置5—人孔6—发酵液面7—冷却剂进口8—冷却剂出口9—温度控制记录器10—温度计11—取样口12—麦汁管路13—嫩啤酒管路14—酵母排出15—洗涤剂管路一、发酵罐结构①罐顶部分 罐顶为一圆拱形结构，采用标准椭圆封头，设有压力安全阀、真空安全阀、人孔、CO2排放管、CIP洗涤设备、压力传感器。

②罐体部分• 罐体为圆筒体，设有温度传感控制器、取样阀• 罐体外部用于安装冷却装置和保温层，冷却夹套可采用无缝钢管盘成蛇管，并分成2～3段，用管道引出与冷却介质进管相连，冷却层外覆以聚氨酯塑料等保温材料，保温层外再包一层铝合金或不锈钢板③圆锥底部分 • 圆锥底的夹角一般为70º～75º•一般罐的锥底高度占总高度的1/4左右•圆锥底的外壁设冷却层，有利于酵母的沉降和冷却保存•安装进出管道、阀门、视镜、测温和测压等传感元件•啤酒是酸性饮料（pH 4-5），易造成罐壁材料腐蚀制罐材料可用不锈钢或碳钢，若使用碳钢，罐内壁涂以对啤酒口味没有影响且无毒的涂料（如环氧树脂）二、设计：1 主发酵、后发酵在一个罐中完成2 储酒在清酒灌中完成3 D/H = 1:34 锥底排出角为73-75°5 采用不锈钢材质，ρ= 7900 kg/m36 采用低温低压 (-3℃，0.03MPa)液态冷媒(20%-30%酒精溶 液)冷却夹层分为三段,上段距发酵液面15cm向下排列, 中段在筒体下端距支撑裙座15cm向上排列.锥底冷却夹层 尽可能接近排酵母口,向上排列.7 罐身壁厚 8 mm，封头及罐底厚 10 mm （一）主体尺寸每批进入发酵罐的冷麦汁为 462364 L发酵罐容积系数 φ = 0.85 H=3D则发酵罐容积 V = V圆柱+V封+V底=πD2/4 *H+πD3/24+π/3（D2/4）(D/2)ctg(73°/2)=462.364/0.85经计算 D = 6 m H = 3D=18 m罐顶 h1 =0.25*D = 1.5 m罐底 h2 =D/2*ctg(73/2)= 4.05 m发酵罐总高 H 总= 18+1.5+4.05 = 23.55 m（二） 重量计算(1) 罐身 G1 = πDHσρ= 3.14*6*18*0.008*7900= 21039.5 kg (2) 罐顶 F封 = 0.35πD2+πDh1= 0.35*3.14*36+πDh1= 67.8 m2 G2 = F封σρ= 67.8*0.008*7900= 4285 kg (3) 罐底 G3 = (1/2)πD(D/2 / sin36.5)σρ= 3.14 *3*(3/sin36.5)*0.01*7900= 4465 kg总重 G = G1+ G2 + G3= 29789.5 kg（三）发酵罐个数N = V0z/24V总Ф+1= (667*480)/(24*575*0.85) +1= 28.3Z——发酵周期h，480h； V0——每天需发酵液体积 m3V总——发酵罐总容积 m3（四）冷却面积(1)发酵最旺盛时放出的热量Q1假设发酵最旺盛时每小时糖度下降1°P,即 S = 1% =0.01麦芽糖发酵,q1 = 100 kcal/kg糖 = 418kJ/kgQ1 = GS q1= 115591.4*4*1.02*0.01*418= 1971341 kJ/hG—发酵罐内料液量 kg； S——主发酵时糖度的下降百分数 (2)散失于周围空间的热量 Q2Q2 = αkF表(t表-t空)其中： αk = 4.187(8+0.05 t表)= 35 kJ/m2 h kF——发酵罐表面积 m 2αk——对流辐射联合的给热系数 kJ/m2 h kt表——发酵罐表面温度 ,取8℃t空——周围空气温度 , 取20℃所以： Q2 = 35*463*(8-20)= -194460 kJ/ht表 = 8℃ t空 = 25℃(3) CO2带走的热量Q3按经验值 取Q1的5%， 则 Q3 = 0.05 Q1= 0.05*1971341 = 98567 kJ/h(4) 实际通过冷却面积传递的热量 = Q1-(Q2+Q3)= 1971341-(-194460+98567)= 2067234 kJ/h(5) 求对数平均温度差tm在发酵旺盛时,醪液温度 T = 8℃ 已知冷媒温度t1 =-5℃, 终温t2 = 1℃tm = [(T-t1)-(T-t2)]/㏑[(T-t1)/(T-t2)]= [(8+5)-(8-1)]/ ㏑[(8+5)/(8-1)]= 9.7 ℃(6) 传热系数K值按经验 K = 2300 kJ/m2 h k(7) 冷却面积 FF = Q/Ktm = 2067234。