啤酒发酵罐设计
啤酒发酵罐设计:一罐法发酵,即包括主、后发酵和贮酒成熟全部生产过程在一个罐内完成。
1)发酵罐容积的确定:
根据设计,每个锥形发酵罐装四锅麦汁,
则每个发酵罐装麦汁总量V =59.35×4=237.4 m3
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237.4(1+25%)=296.75 m3,
取发酵罐体积V 全为300 m3。
2)发酵罐个数和结构尺寸的确定:
发酵罐个数N =nt/Z=8×17/4=34 个
式中n —每日糖化次数
t —一次发酵周期所需时间
Z —在一个发酵罐内容纳一次糖化麦汁量的整数倍
锥形发酵罐为锥底圆柱形器身,顶上为椭圆形封头。
设H ﹕D =2.5﹕1,取锥角为70°,则锥高h =0.714D
V 全=лD2H/4+лD2h/12+лD3/24
得D =5.1 m H =2.5D =12.8 m h =3.6 m
查表知封头高h 封=h a +h b =1275+50=1325 mm
罐体总高H 总= h封+H +h =1325+12800+3600=17725 mm
3)冷却面积和冷却装置主要结构尺寸确定:
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14℃3℃
冷却介质(稀酒精)-3℃ 2℃
△t 1=t 1-t 2′=14-2=12℃
△t 2=t 2-t 1′=3-(-3)=6℃
平均温差△t m =(△t 1-△t 2)/㏑(△t 1/△t 2)
=(12-6)/ ㏑(12/6)
=8.66℃
其传热系数K 取经验值为4.18×200 kJ/(m2﹒h ﹒℃)
则冷却面积F =Q 1/K△t m
=862913/(4.18×200×8.66)
= 119.2 m2
工艺要求冷却面积为0.45~0.72 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Ф109×4.5半圆形无缝钢管作为冷却管,d 内=100mm,d 平均=105mm
每米管长冷却面积F 0=105×10-3×1=0.105 m2
则冷却管总长度L =F/ F0=119.2/0.105=1135 m
筒体冷却夹套设置二段,且均匀分布。
每段冷却带管长L 0=L/n=1135/2=567.5 m
取蛇管圈之间的间距h p =0.12m ,蛇管圈直径D p =5.1+0.018+0.105/2=5.17 m
每圈蛇管长度 l =﹝(лD p ) 2+h p 2﹞1/2
=﹝(3.14×5.17) 2+0.122﹞1/2
=16.4 m
每段冷却带圈数N p =L 0/l=567.5/16.4=35圈
则每段冷却带蛇管高度h 0=(35-1) ×0.12=4.08 m
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。
发酵罐内液体浸没筒体高度:
H 1=(V 醪-V 锥)/S罐
=﹝237.4-(1/12)×3.14×5.12×3.6﹞/﹝(1/4)×3.14×5.12﹞
=10.43 m
则柱体上段夹套在筒体的顶部高度H 2=10.43-0.15=10.28 m
下段夹套在筒体的顶部高度:
H 3 =(50% V
=4.61-0.15
=4.46m
两冷却夹套间距H′=H 2-h 0-H 3=10.28-4.08-4.46=1.74 m
设两个温度传感器,其位置底部一个设在柱体的底部,与下段夹套底部距离为30cm ;上面一个则设在上部冷却夹套的下面,与上段夹套底部距离也为30cm 。
设两个可关闭的人孔,其直径为50cm ,下部人孔在锥体最下端流出口处;上部人孔在酒液液面以上,其在筒体的高度为10.60m 。
4)发酵罐壁厚计算:
S =PD/(2[σ]φ-P )+C(cm )
式中 P —设计压力, 现取P =0.2 MPa
D —发酵罐内径,D =510 cm
[σ]—不锈耐酸钢(1Cr18Ni9Ti )的许用应力,[σ]=137 MPa 醪-V 锥)/S罐-0.15
Φ—焊缝系数,其范围在0.5~1之间,现取φ=0.7
C —壁厚附加量(cm )
C =C 1+C 2+C 3
C 1—钢板负偏差, C 1=0.5 mm
C 2—为腐蚀裕量, C 2=0 mm
C 3—加工减薄量,对冷加工C 3=0,热加工封头C 3=10%S0 ;现取
C 3=0
则C =0.5+0+0=0.5mm =0.05cm
S =0.2×510/(2×137×0.7-0.2)+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[σ]φ-P )+C(cm )
式中P =0.2 MPa
D =510 cm
[σ]=137 MPa
φ=0.7
C =0.05+0+0.1=0.15 cm
则S =0.2×510/(2×137×0.7-0.2)+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。
5) 排料管直径的确定:
每罐发酵液量为58.40×4=233.6 m3, 设4h 之内排空,
则物料体积流量Q =233.6/3600×4=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=0.0162/1=0.0162 m2
管径d =﹝F/(л/4)﹞ 1/2
=﹝0.0162/(л/4)﹞ 1/2
=0.144 m
选取无缝管Ф159×4.5,d内=150 mm, d内>d, 故可满足要求。
管道截面积F′=(л/4) ×0.152=0.0177 m2
则相应流速比P =Q/ F′V
=0.0162/(0.0177×1) =0.92倍
排料时间t =4×0.92=3.68 h