啤酒工厂设计.docx
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啤酒工厂设计
年产50万吨啤酒工厂设计
一、课程设计的内容
1.我们组的设计任务是:
年产30万吨啤酒厂的设计。
2.根据设计任务,查阅有关资料、文献,搜集必要的技术资料,工艺参数与数据,进行生产方法的选择,工艺流程与工艺条件的确定与论证。
3.工艺计算:
全厂的物料衡算;糖化车间的热量衡算(即蒸汽耗量的计算);水用量的计算;发酵车间耗冷量计算。
4.糖化车间设备的选型计算:
包括设备的容量,数量,主要的外形尺寸。
5.选择其中某一重点设备进行单体设备的详细化工计算与设计。
二、课程设计的要求与数据
1、生产规模:
年产30万吨啤酒,全年生产300天。
2、发酵周期:
锥形发酵罐低温发酵24天。
3、原料配比:
麦芽75%,大米25%
4、啤酒质量指标
理化要求按我国啤酒质量标准GB4927-1991执行,卫生指标按GB4789.1-4789.28执行。
12°啤酒理化指标
外观透明度:
清亮透明,无明显悬浮物和沉淀物
浊度,EBC≤1.0
泡沫形态:
洁白细腻,持久挂杯
泡持性S≥180
色度5.0—9.5
香气和口味明显的酒花香气,口味纯正、爽口,酒体柔和,无异香、异味
酒精度%(m/m)≥3.7
原麦汁浓度%(m/m)12±0.3
总酸mL/100mL≤2.6
二氧化碳%(m/m)≥0.40
双乙酰mg/L≤0.13
三、课程设计应完成的工作
根据以上设计内容,书写设计说明书。
四、主要参考文献
[1]金凤,安家彦.酿酒工艺与设备选用手册.北京:
化学工业出版社,2003.4
[2]顾国贤.酿造酒工艺学.北京:
中国轻工业出版社,1996.12
[3]程殿林.啤酒生产技术.北京:
化学工业出版社,2005
[4]俞俊堂,唐孝宣.生物工艺学.上海:
华东理工大学出版社,2003.1
[5]余龙江.发酵工程原理与技术应用.北京:
化学工业出版社,2006
[6]徐清华.生物工程设备.北京:
科学出版社,2004
[7]吴思方.发酵工厂工艺设计概论.北京:
中国轻工业出版社,2006.7
[8]黎润钟.发酵工厂设备.北京:
中国轻工业出版社,2006
[9]梁世中.生物工程设备.北京:
中国轻工业出版社,2006.9
[10]陈洪章.生物过程工程与设备.北京:
化学工业出版社,2004
【糖化车间】
一、300000t/a啤酒厂糖化车间的物料衡算
啤酒厂糖化车间的物料平衡计算主要项目为原料(麦汁、大米)和酒花用量,热麦汁和冷麦汁量,废渣量(糖化槽和酒花槽)等。
1、糖化车间工艺流程
流程示意图如图1所示:
水、蒸汽
↙↘
麦芽、大米→粉碎→糊化→糖化→过滤→麦汁煮沸锅→
↓
麦槽
酒花渣分离器→回旋沉淀槽→薄板冷却器→到发酵车间
↓↓↓
酒花槽热凝固物冷凝固物
图1啤酒厂糖化车间工艺流程示
2、工艺技术指标及基本数据
根据我国啤酒生产现况,有关生产原料配比、工艺指标及生产过据如表1所示。
表1啤酒生产基础数据
项目
名称
百分比(%)
项目
名称
百分比(%)
定
额
指
标
无水麦芽
浸出率
75
原料配比
麦芽
75
大米
25
无水大米
浸出率
92
啤酒损失率(对热麦汁)
冷却损失
3
发酵损失
1
原料利用率
98.5
过滤损失
1
麦芽水分
6
装瓶损失
1
大米水分
13
总损失
6
根据表1的基础数据,首先进行100kg原料生产12°淡色啤酒的物料计算,然后进行1000L12°淡色啤酒的物料衡算,最后进行300000t/a啤酒厂糖化车间的物料平衡计算。
3、100kg原料(75%麦芽,25%大米)生产12°淡色啤酒的物料衡算
(1)热麦汁计算根据表1可得到原料收得率分别为:
麦芽收率为:
0.75×(100-6)/100=70.5%
大米收率为:
0.92×(100-13)/100=80.04%
混合原料收得率为:
(0.75×70.5%+0.25×80.04%)×98.5%=71.79%
由上述可得100kg混合料原料可制得的12°热麦汁量为:
×100=598.3(kg)
查资料知12°麦汁在20℃时的相对密度为1.084,而100℃热麦汁比20℃时的麦汁体积增加1.04倍,故热麦汁(100℃)体积为:
598.3/1.084×1.04=574(L)
(2)冷麦汁量为:
574×(1-0.03)=556.8(L)
(3)发酵液量为:
556.8×(1-0.01)=551.2(L)
(4)过滤酒量为:
551.2×(1-0.01)=545.7(L)
(5)成品啤酒量为:
545.7×(1-0.01)=540.2(L)
4、生产1000L12°淡色啤酒的物料衡算
根据上述衡算结果知,100kg混合原料可生产12°淡色成品啤酒540.2L,故可得以下结果:
(1)生产1000L12°淡色啤酒需耗混合原料量为:
×100=185.1(kg)
(2)麦芽耗用量为:
185.1×75%=138.8(kg)
(3)大米耗用量为:
185.1-138.8=46.3(kg)
(4)酒花耗用量:
目前国内苦味较淡的啤酒普遍受欢迎特别是深受年轻人的喜爱。
所以对浅色啤酒热麦汁中加入的酒花量为0.2%即每1000升热麦汁添加2kg,故为:
×1000×0.2%=2.13(kg)
(5)热麦汁量为:
×1000=1063(L)
(6)冷麦汁量为:
×1000=1031(L)
(7)湿糖化糟量设湿麦芽糟水分含量为80%,则湿麦芽糟量为:
[(1-0.06)×(100-75)]/(100-80)×138.8=163.1(kg)
湿大米糟量为:
[(1-0.13)×(100-92)]/(100-80)×46.3=16.11(kg)
故湿糖化糟量为:
163.1+16.11=179.2(kg)
(8)酒花糟量
设麦汁煮沸过程干酒花浸出率为40%,且酒花糟水分含量为80%,则酒花糟量为:
(1-0.4)/(1-0.8)×2.13=6.39(kg)
5、生产500000t/a12°淡色啤酒糖化车间的物料衡算
设生产旺季每天糖化6次,而淡季则糖化4次,每年总糖化次数150×6+150×4=1500(次),由此可算出每次投料量及其他项目的物料衡算。
(1)查12°淡色啤酒密度为1.012kg/L,则每次糖化的啤酒量为:
500000000÷1500÷1.012=329381L
每次糖化的原料量为:
185.1/1000×329381=60968(kg)
(2)麦芽量:
60968×75%=45726(kg)
(3)大米量:
60968-27436=33532(kg)
(4)热麦汁量:
574/100×60968=349956(L)
(5)冷麦汁量:
349956×(1-3%)=339458(L)
(6)酒花用量:
2.13/1000×329381=702(kg)
(7)湿糖化糟量:
179.2/1000×329381=59025(kg)
(8)湿酒花糟量:
6.39/1000×329381=2015(kg)
(9)发酵液量:
339458×(1-1%)=336063(L)
(10)过滤酒量:
336063×(1-1%)=332702(L)
(11)成品啤酒量:
332702×(1-1%)=329376(L)
把前述的有关啤酒厂酿造车间的三项物料衡算计算结果,整理成物料衡算表,如表2所示。
物料名称
单位
对100kg混合原料
1000L12°淡色啤酒
糖化一次定额量(80kL12°啤酒)
300000t/a啤酒生产量
混合原料
Kg
100
185.1
60968
9.15×107
大麦
Kg
75
138.8
45726
6.86×107
大米
Kg
25
46.3
33532
5.03×107
酒花
Kg
1.2
2.13
702
1.05×106
热麦汁
L
574
1063
349956
5.25×108
冷麦汁
L
556.8
1031
339458
5.09×108
湿糖化糟
Kg
96.78
179.2
59025
8.85×107
湿酒花糟
Kg
3.45
6.39
2015
3.02×106
发酵液
L
551.2
1020
336063
5.04×108
过滤酒
L
545.7
1010
332702
4.99×108
成品啤酒
L
540.2
1000
329376
4.94×108
备注:
12度淡色啤酒的密度为1.12kg/m3,实际年产啤酒488142t。
二、300000t/a啤酒厂糖化车间的热量衡算
麦芽粉
(45726kg)
46.7℃
60min
2.1二次煮出糖化法是啤酒生产常用的糖化工艺,下面就以此工艺为基准进行糖化车间的热量衡算,工艺流程示意图如图2所示。
自来水18℃
料水比1:
4.5料水比1:
3.5
热水50℃
70℃12mint(℃)63℃60min
7min冷却
90℃20min100℃40min70℃25min
过滤糖化结束78℃100℃10min
麦芽煮沸锅90min回旋沉淀槽薄板冷却器冷麦汁
酒花
图2啤酒厂糖化工艺流程图
2.2热量衡算
⑴糖化用水耗热量
根据工艺设计糊化锅中的料水比为1:
4.5,糖化锅中的料水比为1:
3.5。
料水比过大,尽管对糊化有利,但是耗能大,设备体积大。
料水比过小的话,醪液粘稠,需较大的搅拌设备且及易产生糊锅现象。
所以糊化锅加水量为:
m1=(9415+1829)×4.5=50598(kg)
式中,9415为糖化一次大米粉量,1829为糊化锅加入的麦芽粉量(为大米量的20%)
而糖化锅加水量为:
m2=25607×3.5=89624.5(kg)
式中,25607为糖化锅投入的麦芽粉量,即27436-1829=25607(kg)。
而27436为糖化一次麦芽定额量。
故糖化总用水量为:
mw=m1+m2=50598+89624.5=140222.5(kg)自来水的平均温度取t1=18℃,而糖化配料用水温度t2=50℃,故耗热量为:
Q1=cwmW(t2-t1)=4.18×140222.5×(50-18)=18.756×106(KJ)
⑵第一次米醪煮沸耗热量Q2
由糖化工艺流程图(图2)可知,
Q2=Q21+Q22+Q23
Q21为米醪由初温即室温加热到煮沸的耗热,Q22为煮沸过程中蒸汽带走的热量,
Q23为升温过程中的热损失。
2.1.糊化锅内米醪由初温tO加热至煮沸的耗热量Q21
Q21=m米醪*c米醪(100-t0)
(1)计算米醪的比热容c米醪根据经验公式C容物=0.1[(100-w)C0+4.18w]进行计算。
式中w为含水百分率;c0为绝对谷物比热容,取c0=1.55KJ/(Kg·K)
c麦芽=0.01[(100-6)1.55+4.18×6]=1.71KJ/(Kg·K)
c大米=0.01[(100-13)×1.55+4.18×12]=1.89KJ/(Kg·K)
c米醪=(m大米c大米+m麦芽c麦芽+mwcw)/m大米+m麦芽+mW)
=(9145×1.89+1829×1.71+50598×4.18)/(9145+1829+50598)
=3.76KJ/(Kg·K)
(2)米醪的初温t0设原料的初温为18℃,而热水为50℃,则
t0=[(m大米c大米+m麦芽c麦芽)×18+mW*cW×50]/(m米醪c米醪)
=[(9145×1.89+1829×1.71)×18+50598×4.18×50]/(3.76×61572)=47.1℃其中M米醪=M大米+M麦芽+M1=9145+1829+50598=61572kg
(3)把上述结果代入Q21=m米醪*c米醪(100-t0)中,得:
Q21=3.76×61572×(100-47.1)=12.247×106KJ)
2.2煮沸过程蒸汽带出的热量Q22
设煮沸时间为40min,蒸发量为每小时5%,则蒸发水量为:
mv1=m米醪×5%×40/60=61572×5%×40/60=2052.4(Kg)
Q22=mv1I=2052.4×2257.2=4.633×106(KJ)
式中,I为100℃饱和气压下水的汽化潜热2257.2(KJ/Kg)
2.3热损失Q23
米醪升温和第一次煮沸过程的热损失约为前两次的耗热量的15%,即:
Q23=15%(Q21+Q22)
2.4由上述结果得:
Q2=1.15(Q21+Q22)=19.412×106(KJ)
⑶第二次煮沸前混合醪升温至70℃的耗热量Q3
按糖化工艺,来自糊化锅的煮沸的米醪与糖化锅中的麦醪混合后温度应为63℃,故混合前米醪先从100℃冷却到中间温度t。
3.1糖化锅中麦醪的初温t麦醪
已知麦芽初温为18℃,用50℃的热水配料,则麦醪温度为:
t麦醪=(m麦芽m麦芽×18+m2×
×50)/(m麦醪c麦醪)
其中m麦醪=m麦芽+m2=25607+89624.5=115231.5(kg)
t麦醪=(m麦芽c麦芽×18+m2
×50)/(m麦醪c麦醪)
=(25607×1.71×18+89624.5×4.18×50)/(115231.5×3.63)
=46.67℃
3.2米醪的中间温度t
M混合=M/米醪+M麦醪=61572+115231.5=176803.5kg
根据热量衡算,且忽略热损失,米醪与麦醪混合前后的焓不变,则米醪的中间温度为:
其中,麦醪的比热容
c麦醪=[(m麦芽c麦芽)+(m麦芽+m2*cW)]/m麦醪
=(25607×1.71+89624.5×4.18)/115231.5
=3.63[KJ/(kg.K)]
混合醪的比热容
c混合=(m米醪c米醪+m麦醪c麦醪)/(m米醪+m麦醪)
=(24433.2×3.76+46645.2×3.63)/(24433.2+46645.2)
=3.67[kJ/(kg·K)]
t=(m混合c混合×t混合-m麦醪c麦醪×t麦醪)/(m米醪c米醪)
=92.87℃
因此中间温度比煮沸温度只低不到7.13℃,考虑到米醪由糊化锅到糖化锅输送过程的热损失,可不必加中间冷却器。
由上述结果得Q3
Q3=m混合c混合(70-63)=4.542×106(kJ)
⑷第二次煮沸混合醪的耗热量Q4
由糖化工艺流程可知:
Q4=Q41+Q42+Q43
Q41为混合醪升温至沸腾所耗热量,Q42为第二次煮沸过程蒸汽带走的热量,Q43为热损失
4.1混合醪升温至沸腾所耗热量Q41
(1)经第一次煮沸后米醪量为:
m/米醪=m米醪-mv1=176803.5-2052.4=174751.1(kg)
故进入第二次煮沸的混合醪量为:
m混合=m’米醪+m麦醪=174751.1+115231.5=289982.6(kg)
(2)根据工艺,糖化结束醪温为78℃,抽取混合醪的温度为70℃,则送到第二次煮沸的混合醪量为:
[m混合(78-70)]/[m混合(100-70)]×100%=26.7%
故Q41=26.7%m混合c混合(100-70)=0.267×289982.6×3.67×30=8.525×106(kJ)
4.2二次煮沸过程蒸汽带走的热量Q42
煮沸时间为10min,蒸发强度5%,则蒸发水分量为:
mV2=26.7%m混合×5%×10/60
=26.7%×289982.6×5%×10/60
=645.2(kg)
Q42=hmV2=2257.2×645.2=1.456×106(kJ)
式中,h为煮沸温度下饱和蒸汽的焓(kJ/kg)
4.3热损失Q43
根据经验有:
Q43=15%(Q41+Q42)
4.4把上述结果代入公式(27)得
Q4=1.15(Q41+Q42)=11.478×106(KJ)
⑸洗槽水耗热量Q5
设洗槽水平均温度为80℃,每100kg原料用水450kg,则用水量为
m洗=36581×450/100=164615(kg)
Q5=m洗cW(80-18)=164615×4.18×62=42.661×106(KJ)
⑹麦汁煮沸过程耗热量Q6
Q6=Q61+Q62+Q63
6.1麦汁升温至沸点耗热量Q61
由表2啤酒厂酿造车间物料衡算表可知,100kg混合原料可得到574kg热麦汁,并设过滤完毕麦汁温度为70℃,则进入煮沸锅的麦汁量为:
m麦汁=(574/100)×36581=209975(kg)
又c麦汁=(27436×1.71+9145×1.89+36581×4.18×6.4)/(36581×7.4)=3.852KJ/(Kg*K)
Q61=m麦汁c麦汁(100-70)=24.265×106,则蒸发水分为:
MV3=209975×0.1×1.5=31496(Kg)
Q62=hmV3=2257.3×31496=71.093×106(KJ)
6.2热损失为
Q63=15%(Q61+Q62)
6.3把上述结果代入上式得出麦汁煮沸总耗热
Q6=Q61+Q62+Q63=1.15(Q61+Q62)=109.662×106(KJ)
⑺糖化一次总耗热量Q总
Q总=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6
=(18.756+19.412+4.542+11.478+42.661+109.662)×106=206.511×106(KJ)
(8)耗气量衡算
8.1糖化一次耗用蒸汽用量D
使用表压0.3MPa的饱和蒸汽,h=2725.3kJ/kg,则:
D=Q总/[(h-i)×η]=100461kg
式中,h为相应冷凝水的焓(561.47kJ/kg);η为蒸汽的热效率,取η=95%。
8.2糖化过程每小时最大蒸汽耗量Qmax
在糖化过程各步骤中,麦汁煮沸耗热量Q6为最大,且已知煮沸时间为90min
热效率为95%,故:
Qmax=Q6/(1.5×95%)=76.96×106kj/h
相应的最大蒸汽耗量为:
Dmax=Qmax/(h-i)=35566.56kg/h
8.3、蒸汽单耗
据设计,每年糖化次数为1500次,每糖化一次生产啤酒300000/1500=200t,
年耗蒸汽总量为:
D总=100461×1500=150.692×106kg
每吨啤酒成品耗蒸汽(对糖化):
D1=100461/200=502.3kg/t
每昼夜耗蒸汽量(生产旺季算)为:
Dd=100461×6=602766kg/d
至于糖化过程的冷却,如热麦汁被冷却成热麦汁后才送进发酵车间,必须尽量回收其中的热量。
最后若需要耗用冷冻水,则在以下“耗冷量计算”中将会介绍
8.4、整理列表
最后,把上述结果列成热量消耗综合表,如表
表3300000t/年啤酒厂糖化车间总热量衡算表
名称
规格
(MPa)
每吨消耗定额(kg)
每小时最大用量(kg/h)
每昼夜消耗量(kg/d)
每年消耗量(kg/a)
蒸汽
0.3(表压)
502.3
35566.56
602766
150.692×106
5、设备计算及选型
5.1、糊化锅容积的计算及基本尺寸
5.1.1、糊化锅容积计算
糊化锅投料量=9415+1829=11244kg
糊化醪量=11244×(4.5+1)=61842(kg)
查表得100℃热糊化醪的相对密度为1.0712kg/L.
则,糊化锅的有效容积=61842/(1.0712×1000)=57.73(m3)
设糖化锅充满系数为0.8,则:
糊化锅的总容积=57.73/0.8=72.2(m3)
故糊化锅设备的容积应选50m3,所需数量2个
5.1.2、糊化锅基本尺寸计算
取D/H=2/1(糊化锅直径与圆筒高度之比),升气管面积为料液面积1/40,采用球形底,则
取D=5.0m,H=D/2=2.5m
汽升管直径d=
*D=
×5=0.79m,取d=0.80m
V总=
π/4*D
*H+πh
(D/2+h/3)
60=π/4*5
*2.5+πh2(5/2+h/3)
解得:
h=1.5m
5.1.3、加热面积
在一次糖化法中,糊化锅的最大传热是糊化醪从45℃加热至70℃这一过程,则
最大热负荷Q=
=1.93×106kcal/h
0.25Mpa压力下蒸汽温度为126.9℃
=
=56.44℃
按经验K取1500kcal/m
h℃
F=
=
=22.78m
锅实际加热面积
F′=πDh=3.14×5×1.5=23.55m
>22.78m
5.2、糖化锅容积的计算及基本尺寸
5.2.1、糖化锅容积的计算
设糊化锅煮沸时,每小时蒸发5%的水分,操作时第一次煮沸40min,则
蒸发量=61572×0.05×(40/60)=2052.4(kg)
第一次煮沸的糊化醪量=61572-2052.4=59519.6(kg)
糖化醪量=25607×(3.5+1)=115231.5(kg)
查表得糖化醪的相对密度为1.065kg/L,则:
糖化锅有效容积=115231.5/(1.065×1000)=108.2(m3)
设糖化锅充满系数为0.8,则:
糖化锅的总容积=108.2/0.8=135.25(m3)
故糖化锅设备的容积应选100m3,所需数量2个
5.2.2、糖化锅基本尺寸计算
取D/H=2/1(糊化锅直径与圆筒高度之比),升气管面积为料液面积1/50,采用球形底,则
取D=5.5(m),H=0.5×5.5=2.75(m)
汽升管直径d=
*D=
×5.5=0.78m,取d=0.80m
V总=
π/4*D
*H+πh
(D/2+h/3)
100=π/4*5.5
*2.75+πh2(5.5/2+h/3)
解得:
h=1.80m
5.2.3、加热面积
由前面计算可知,糖化锅最大蒸汽耗用量为并醪后醪液由68.39℃升至78℃这一过程,则
Q=
=3.24×106kcal/h
=
=53.56℃
根据经验,糖化锅K可取2000kcal/m
h℃
加热面积F=
=
=30.2m
锅底加热面积:
F′=πDh=3.14×5.5×1.80=31.09m
>30.2m
5.3、煮沸锅加热面积的计算
加热面积F=Q/k△t
按热量衡算:
Q=13.35×106/1.5=8.90×106(KJ/h)
△t=t1-t2=126.79-100=26.79℃
(t1为加热蒸汽在绝对压力为2.5kg/㎡时的温度,t2为麦计煮沸时的温度)
传热系数k值的计算:
k=
(kcal/hC°㎡)
5.3.1、α2从加热面到糖化物料的给热系数的计算
α2=0.36
(
)2/3(
)1/8(
)0.14
λ—麦汁的导热系数,在100℃时为0.5(kcal
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