20000吨啤酒发酵罐的设计
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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。
因而，很有必要将这方面的技术加以科学地总结和分析，以推动啤酒产品多样化在广度和深度上的健康发展，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。
但是我国人均啤酒的消费还没有达到世界平均水平。
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的需求。
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的条件下，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，发酵的方式也不相同。
根据酵母发酵类型不同可把啤酒分成上面发酵啤酒和下面发酵啤酒。
一般可以把啤酒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露天锥形发酵罐发酵、连续发酵和高浓稀释发酵等方式，目前主要采用圆柱露天锥形发酵罐发酵。
传统发酵技术的生产工艺流程：充氧冷麦汁→发酵→前发酵→主发酵→后发酵→贮酒→鲜啤酒。
现代发酵技术主要包括大容量发酵罐发酵法（其中主要是圆柱露天锥形发酵罐发酵法）、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或长方形的发酵槽（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。
所谓大容量发酵罐是指发酵罐的容积与传统发酵设备相比而言。
大容量发酵罐有圆柱锥形发酵罐、朝日罐、通用罐和球形罐。
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，也适用于上面发酵，加工十分方便。
德国酿造师发明的立式圆柱锥形发酵罐由于其诸多方面的优点，经过不断改进和发展，逐步在全世界得到推广和使用。
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（简称锥形罐发酵法），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，节省占地面积，便于扩建。
（4）采用密闭罐，便于CO2洗涤和CO2回收，发酵也可在一定压力下进行。
既可做发酵罐，也可做贮酒罐，也可将发酵和贮酒合二为一，称为一罐发酵法。
（5）罐内发酵液由于液体高度而产生CO2梯度（即形成密度梯度）。
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）锥形罐加工方便（可在现场就地加工），实用性强。
（10）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 生产规模不同的工厂生产规模不同，但常见的生产规模有100万吨，10万吨，5万吨等，本设计方案的生产规模为2万吨。
2.2 物料参数不同的发酵罐物料参数是不同的，常见的物料参数如罐公称体积，发酵周期和装液量等。
本设计方案给的物料参数：公称体积为360立方米，发酵周期为7天以及装液量为发酵罐的85%等。
3发酵罐的设计计算和说明3.1发酵罐个数和结构尺寸的设计3.1.1发酵罐个数的确定本设计采用锥底圆柱形发酵罐，目前国内几乎所有的厂家都用这种发酵罐。
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发酵罐结构尺寸的确定公称体积是指罐的圆柱体的体积和底部封头体积之和。
其中圆锥形底部封头体积可用下式计算:31243D V π=式中：D ——圆柱形罐体的直径，m说明：圆锥形底封头的锥角采用︒60锥形罐罐体体积为：H D V 224π=故发酵罐的公称体积为：H D D V V V 23214243ππ+=+= 所以：H D D 234243360ππ+= 在设计罐的过程中，采用如下的比例：D H 4= D h 411=1h ：椭圆上封顶的高度 则可得D=4.69m取D=5m ，则H=4×5=20m H D D V V V 23214243ππ+=+= =4373m4373m >3603m ,则不符要求，取D=4.5m ，则H=18m H D D V V V 23214243ππ+=+= =3183m则318/360=86%,符合要求。
综上所述，得到的尺寸如下： D=4.5m H=4D=18m m D h 125.1411== 3.2啤酒发酵罐换热装置的设计3.2.1总发酵热的计算：对于确定的啤酒发酵的发酵热，一般按发酵最旺盛时单位时间糖度降低的百分值来计算，通常以消耗1 kg 麦芽糖发酵放出的热量约为650kJ 为计算基准。
但据资料报道，在100g 麦汁中可发酵糖实际发酵放热量为41860J 。
因此，消耗1kg 麦芽糖发酵放出的实际热量为418.6kJ 。
所以总发酵热Q=0.86×360×418.6=129598kJ3.2.2冷却剂带出的热量计算由热平衡方程式得：B A Q Q =式中 A Q ——发酵产品的总发酵热，J/hB Q ——冷却水带走的热量，J/h因为B A Q Q =)(12T T Wc p -=所以 )/(17600)2025(186.41068.3)(512h kg T T c Q W p A=-⨯⨯=-=式中 W ——冷却水消耗量，kg/hp c ——冷却水平均温度2/)(21T T +时的比热容，J/（C kg ︒⋅）1T ,2T ——分别为冷却水进出口温度，C ︒。
3.2.3总传热系数K 值的计算如该发酵罐采用夹套作为换热装置，则通过查找资料得：)/(103.223C h m KJ K ︒⋅⋅⨯=3.2.4对数平均温差的计算2121ln )()(T T T T T T T T T F F F F m -----=∆ 查资料，一般主发酵期控制发酵液温度F T 为C ︒30，假如把冷却水进出口温度分别控制为C T ︒=201，C T ︒=252，则：)(2.725302030lg 3.2)2530()2030(C T m ︒=-----=∆3.2.5冷却面积的计算A=Q/K △T m2.7103.21068.335⨯⨯⨯==2.22)(2m 3.2.6冷却夹套的分布冷却夹套一般采用的是蛇管或者是列管，蛇管的长度：cpD A L π= 根据蛇管的材料、规格等可以确定蛇管的长度，不同的发酵罐冷却夹套分布不同，有的分布在靠近罐体的周围，有的横放的。
另外冷却夹套的高度也不同，以实际情况而定的。
并且冷却夹套有时起着挡板的作用。
4设备材料的选择发酵设备的材料选择优先考虑的是满足工艺的要求，其次是经济性。
因为发酵罐里面所装的溶液是酸性的，而CIP 清洗液中仅有碱性溶液，因此，选用材料必须耐酸耐碱耐腐蚀，因此，材料应选用不锈钢。
本设备采用的是1Gr18Ni9Ti 不锈钢。
5发酵罐壁厚的计算5.1发酵罐的壁厚S ：C PPD s +-=ϕσ][2 （cm ） 式中 P ——设计压力，取最高工作压力的1.05倍，现取P=0.4a MPD ——发酵罐内径][σ——3A 钢的许用应力，][σ=127a MPϕ——焊缝系数321C C C C ++=式中 1C ——钢板负偏差，视钢板厚度查表确定，其范围为0.13-1.3，现取mm C 8.01= 2C ——为腐蚀裕量，单面腐蚀取1mm ，双面腐蚀取2mm ，现取2C =2mm3C ——加工减薄量，现取3C =0)(28.0)(8.2028.0cm mm C ==++=所以 295.128.04.07.012724504.0=+-⨯⨯⨯=S (cm) 5.2 罐底锥形封头的设计选型标准椭圆封头的厚度计算公式如下： C PPD S +-=ϕσ][2 (cm) 式中 P=0.4a MPD=450 cma MP 127][=σC=0.08+0.2+0.1=0.38(cm)7.0=ϕ 395.138.04.07.012724504.0=+-⨯⨯⨯=s (cm) 5.3进料管及排酒管的直径与选型本设计选用直型接管及进料管为同一管道，与派酵母也为同一管道。
对于进料管与排酒管流量相差不大，可选用同一管径的管子。
该发酵罐实装醪液184.16m³。
由工厂实际经验知，一般装满一发酵罐麦汁需要6h ，则进醪速度： s m VV S /015.0400063603=⨯==τ查《化工原理》（上）表1-1，高粘度流体的速度在0.5—1m/s ，取发酵醪流速u=0.8m/s,则管径： m u V D S 164.08.014.3015.05.44=⨯⨯==π 则管径取164mm在《材料与零部件》（上）P 154查得Φ133×4的无缝钢管内径为：125=i d mm校核：24iS d V u π= =4.5×0.015/(3.14×0.125²)=1.38m/s（在0.5—1.5m/s 范围内，所以可采用此管。
）表5.1 管法兰连接尺寸 （mm ）6 支座的选择发酵工厂设备常用支座分为卧式支座和立式支座，其中卧式支座又分为支腿，图型支座和鞍型支座三种，立式支座也分为三种：悬挂支座，支撑式和裙式支座。
对于公称容积为75立方米以上的发酵罐，由于设备的总重量较大，应选用裙式支座。
本设计的罐体容积为360立方米，故选用裙式支座。
在具体支座选型中应考虑下面设备的重量：两封头重量、筒体重量、外套管重量、附属设备、最大装液量、支座重量等，选择的支座的允许负荷必须大于这些设备的重量之和。
7 附录（发酵罐设备图）8主要参考文献[1]顾国贤.酿造酒工艺学[M]. 中国轻工业出版社，1996.12.[2]管敦仪.啤酒工业手册[M].中国轻工业出版社，1998.[3]梁士中.生物工程设备[M].中国轻工业出版社，2011.1.[4]吴思方.发酵工厂工艺设计概论[M]. 中国轻工业出版社，1995.7.[5]中国石化集团上海工程有限公司编.化工工艺设计手册（上）[M].化学工业出版社， 2002.8.[6]. 梁世中主编.生物工程设备.[M]北京：中国轻工业出版社.2005.2.188-194.。
