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,
为300 m3。

取发酵罐体积V
全
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℃
△t1＝t1－t2′＝14－2＝12℃
△t2＝t2－t1′＝3－（-3）＝6℃
平均温差△t m＝(△t1－△t2)/㏑(△t1/△t2)
＝(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＝Q1/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F0＝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L0＝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 p2﹞1/2
＝﹝(3.14×5.17)2＋0.122﹞1/2
＝16.4 m
每段冷却带圈数N p＝L0/l＝567.5/16.4＝35圈
则每段冷却带蛇管高度h0＝(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:
H1＝（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H2＝10.43－0.15＝10.28 m
下段夹套在筒体的顶部高度：
H3 ＝（50% V醪－V锥）/S罐－0.15
＝4.61－0.15
＝4.46m
两冷却夹套间距H′＝H2－h0－H3＝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
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＝C1＋C2＋C3
C1—钢板负偏差，C1＝0.5 mm
C2—为腐蚀裕量，C2＝0 mm
C3—加工减薄量，对冷加工C3＝0，热加工封头C3＝10%S0；现取
C3＝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。