5万吨10度煮沸锅.doc

目 录第一章 绪 论2第二章 设计概论22.1 设计目的22.2 设计依据22.3 设计内容2 2.5 原料、辅料等物料的选择标准3第三章 生产工艺的选择及论证43.1 全厂工艺的选择及论证43.2 糖化工艺的选择及论证4第四章 工艺计算.7 4.1 物料平衡计算74.2 热量衡算. 9第五章 相关设备计算与选型115.1 主体设备的设计选型11 5.2主体设备设计计算和附属设备选型 11 第六章 设计感想. 18第七章 参考文献19 第一章 绪 论 啤酒是以麦芽为主要原料，以大米或其他谷物为辅助原料，添加酒花，经啤酒酵母发酵酿制而成的，是一种含二氧化碳，低酒精度的饮料酒。由于其含醇量低，清凉爽口，深受世界各国的喜爱，于是成为世界性的饮料酒。啤酒的原料是大麦。大麦是世界上种植最早的谷物之一，几乎世界上所有地区都可种植，它的产量在谷物排名上，在小麦、玉米、稻谷之下，居第四位，而且大麦不是人类主要的粮食，习惯上作饲料。酿酒后的麦糟中，蛋白质含量得到相对富集，更适宜于做饲料，于是，用大麦制啤酒得到发展。中国第一家现代化啤酒厂是1903年在青岛由德国酿造师建立的英德啤酒厂。从1905年到1949年的40多年中，中国只有在青岛、北京、哈尔滨、上海、烟台、广州等地建立了不到10年工厂，年产啤酒近一万吨。最近几年，中国啤酒正以8的速度增长，2002年，发展成为世界啤酒第一生产大国，这样的发展速度举世瞩目。我国啤酒工业的未来主要有以下几方面的变化：产量的发展；规模的扩大；技术经济指标还有差距，要不断的提高；原料的发展；啤酒品种向多样化发展；高浓度酿造技术；非热消毒的纯生啤酒酿造；人才的培养等。随着世界的发展，啤酒的生产技术逐步成为重点。当今，纯生啤酒的生产技术，膜过滤技术，微生物检测和控制技术，糖浆辅料的使用逐步发展起来。相信不久的将来，中国的啤酒业将以崭新的面貌跻身于世界啤酒先进领域。 第二章 设计概论2.1 设计目的 通过本次课程设计，使本专业的学生初步掌握工厂工艺设计的程序和方法，受到一次工程设计的严格训练，使其具有一定的工程设计能力。这对于即将从事科研，生产或技术管理工作的学生具有十分重要的意义。2.2 设计依据本设计以生物工程学院生物工程教研室的“生物工程专业设计任务书”为依据。2.3 设计内容本设计为年产5万吨 ，10度浅色啤酒厂煮沸锅的设计主体设备：煮沸锅设计的主要内容如下：1.主体设备生产车间工艺论证。2.主体设备相关的物料、热量衡算。3.主体设备设计计算及选型。4.附属设备的选型。5.设计的绘图内容：煮沸锅总装配图2.4 设计指导思想本设计在确定工艺流程和选择设备时，在工艺上力求其合理性和先进性，在设备上尽量采用先进的生产设备，做到技术上先进，生产过程机械化、自动化，减轻繁重的体力劳动，提高劳动生产率。尽量采用已成熟的生产技术和设备，使建厂后即能顺利投产，并能达到设计能力。经济上合理，因地制宜，管理方便，合理降低能耗，保护环境。生产出能满足人们口味的优质啤酒，达到投资少，见效快的效果。2.5 原料、辅料等物料的选择标准2.5.1原料的选择酿造啤酒所需原料的质量直接影响所生产的啤酒质量、啤酒酿造所需的原料主要是大麦、酒花和酵母。1.大麦大麦是啤酒生产中最重要的原料，他发芽不仅含有较高的淀粉，同时也为糖化生产提供了各种丰富的酶系和含氮物质。对于其选用要经过质量判断，达标后才能选用，质量判断包括：感官判断，物理分析，化学分析，生理检验。2.酒花酒花是啤酒生产重要的原料，它赋予啤酒以纯正的苦味和啤酒香气，同时它还具有一定的防腐和澄清麦汁的能力。对其选用需要通过质量评价，达标后才能选用。质量包括：酒花的感官，酒花的化学鉴定，压缩酒花技术要求。3酵母酵母是单细胞微生物，在麦汁中起着物质转化作用。再有氧情况下将发酵糖转化为水和二氧化碳，再无氧情况下将发酵糖转化为乙醇和二氧化碳，酵母的选用要根据实际情况，从以下几点出发选用优质酵母。如：凝聚性和沉淀能力，发酵度，发酵速度，抗热能力，产孢子能力，对维生素的要求。4.大米大米是最常用的一种麦芽辅助原料，其特点是价格较低廉，而淀粉高于麦芽，多酚物质和蛋白质含量低于麦芽。糖化麦芽汁收得率提高，成本降低，又可改善啤酒的风味和色泽，啤酒泡沫细腻，酒花香气突出，非生物稳定性比较好，特别适宜制造下面发酵的淡色啤酒。大米的用量一般是25%-35%，质量要求如表2-1：表2-1大米的质量要求项 目要 求色泽香 味夹杂物浸出物蛋白质脂肪水 分洁白，富有新鲜光泽，无黄色，棕色和青绿色不成熟粒，无霉粒 有新鲜粮香，无异味不超过0.2%，不得含有米胚芽 92%以上（无水物计）10%以下（无水物计）1%以下12.5%以下2.5.2辅料的选择啤酒生产中使用辅料是因为辅料可提供廉价的浸出物或糖类，这样会减少麦芽的使用量，降低啤酒的生产成本。主要的辅料有大米、玉米、小麦、大麦、糖和淀粉糖浆，使用辅料应注意以下几个问题：1.加入辅料的品种和数量应根据麦芽的质量情况和所要酿造的啤酒类型来决定。2.添加辅料量过大或麦芽力不足时应适当加入相应的酶制剂。3.辅料的加入通常情况下使麦汁中蛋白质含量偏低，可通过降低蛋白质休止温度或加入中性蛋白酶等方法弥补以上不足，若仍达不到拟定的标准，应考虑降低辅料的比例。4.辅料的使用不应对啤酒质量指标产生太大的影响。 第三章 生产工艺的选择及论证3.1 全厂工艺的选择及论证3.1.1全厂工艺流程 大米粉碎糊化浊液麦芽筛选粉碎糖化过滤煮沸回旋沉淀冷却充氧发酵过滤清酒灌装3.1.2设备流程麦芽麦芽粉碎机糖化锅过滤槽煮沸锅回旋沉淀槽 大米大米粉碎机糊化锅 暂 存 槽 薄板换热器 成品啤酒装酒机清酒罐 硅藻土过滤机 发酵罐 3.2 糖化工艺的选择及论证3.2.1工艺方法的选择 1.麦芽粉碎方法麦芽的粉碎方法随着时间的推移先后出现了干法粉碎，浸湿粉碎，回潮干法粉碎，连续湿法粉碎四种方法。干法粉碎可调节麦芽粉碎度，根据麦芽质量来控制，此法成本较低，可以节省浸泡这一环节，但粉尘污染较大，本设计采用干法粉碎。辅料也用同样的方法。2.糖化方法糖化过程是一项非常复杂的生化反应过程，也是啤酒生产中的重要环节。糖化的目的就是要将原料（包括麦芽和辅助原料）中的可溶性物质尽可能多的萃取出来，并且创造有利于各种酶的作用条件，使很多的不溶性物质在酶的作用下变成可溶性物质而溶解出来，制成符合要求的买麦芽汁收得率。糖化方法可分为以下几大类：三次浸出糖化法煮出糖化法 二次浸出糖化法一次浸出糖化法升温浸出糖化法浸出糖化法糖化方法 降温浸出糖化法复式一次煮出糖化法复式煮浸糖化法谷皮分离糖化法外加酶制剂糖化法其它特殊糖化法现今，出于节省投资成本，使用了大量的辅料代替了原有的部分麦芽，从而出现了一种新的糖化方法，复式浸出糖化法，它是由这两种方法演变而来的方法。它对于生产色泽极浅（5.06.0 EBC左右），高发酵度（12Bx啤酒的真正发酵度为66%左右），残余可发酵性糖少的啤酒有较好的应用。它具有加水比大，避免添加过多的麦芽，再糊化煮沸时。处进皮壳溶解和形成焦糖、类糊精的特点。因此本设计采用复式浸出糖化法。生产过程简单，糖化时间短（一般在3小时以内），耗能少，故设计中采用的是复式浸出糖化法。3.过滤方法采用过滤槽法。此法虽然古老，但槽的结构日新月异，可有效的提高过滤速度，保证分离效果。由于表面积大，过滤的也较为充分，效率较高。4.煮沸设备：煮沸锅的种类有夹套式、内加热式和外加热式。夹套式是比较古老的加热方式，他加热循环好，但是煮沸麦汁的量受限制，制作也比较麻烦，实用于中小型厂。外加热式在国内不是很常用。本设计采用内加热式，麦汁通过垂直安装在煮沸锅内的列管式换热器的列管而被加热向上沸腾，同时蒸汽被冷凝为液体。在加热器的上方装有伞型的分布罩，借此使上升的麦汁反射向四周，同时可避免泡沫的形成，保证麦汁在煮沸锅中较好的循环。5.麦汁澄清设备采用回旋沉淀槽。热麦汁由切线方向进入回旋沉淀槽，在槽内回旋，可产生离心力。由于在槽内运动，离心力的和其反作用力的合力把颗粒推向槽底部中央，达到沉淀的目的。由于该设备占地面积小，可缩短沉淀时间，提高麦汁的澄清度，降低了损失。6.麦汁暂存槽麦汁在过滤后温度为78度左右，经薄板换热器使温度升至90度左右，再进入暂存槽，提高了糖化次数，节省了投资能耗，在煮沸锅中加热时可缩短到沸腾的时间。3.2.2糖化工艺流程中工艺参数及操作规程1.大米的比例为30%，麦芽的比例为70%。2.糊化：糊化锅料水比为1：5，投料后升温至50C，50C是蛋白酶最适温度，有利于氨基酸的产生，调PH，加入耐温淀粉酶，保温10分钟。加热至90C，然后升温至100C，保温30分钟。3.糖化：糖化锅料水比为1：3.5，加入39C的水使其混合后温度为37C，保持30分钟，升温至51C，保持75分钟，进行蛋白休止，将换热后的88C糊化醪打入糖化锅，保持在63C，保温30分钟，升温至70C以碘液检查为主，直至变色，表示糖化彻底，升温至78C，保温5分钟，将醪液泵入过滤槽。由于采用了高辅糖化，所以投料糖化前应加入耐高温的淀粉酶。4.PH值的调整：淀粉酶最适PH值是5.65.8，葡聚糖酶最适PH值是4.67.0，则加入磷酸调节PH值控制在5.6。5.甲醛的加入：在糖化时加入0.025%的甲醛来降低麦汁中花色苷的含量。6.过滤：过滤时醪液的温度保持不变，（控制在73-76C），PH值保持在5.57.5之间，洗糟水温度为80C。当洗糟残液浓度达到工艺规定值，过滤结束。7.酒花的添加：煮沸90分钟，酒花分三次加入第一次：煮沸5-15分钟，添加总量的5-10%，主要是消除煮沸时的泡沫;第二次：煮沸30-40分钟后，添加总量的55-60%，主要是萃取酸，促其异构;第三次：煮沸完成前15分钟，加入35%，萃取酒花油，提高酒花香.3.2.3糖化工艺的控制原理糖化曲线1.酸休止，利用麦芽中磷酸酯酶对麦芽中菲订的水解，产生酸性磷酸盐，此工艺条件是：温度为3537C，PH在5.25.4，时间为3090分钟2.蛋白质休止，利用麦芽中羧基肽酶分解多肽形成氨基酸（-氨基酸）和利用内切肽酶分解蛋白质形成多肽和氨基酸为4550C，形成可溶性多肽为5055C，作用时间为1020分钟。3.糖化分解，淀粉分解成可溶性糊精和可发酵性糖，对麦芽中-淀粉酶催化形成可发酵性糖，最适温度为6065C，-淀粉酶最适活性温度为70C，这个酶共同作用，最适PH为5.55.6，作用时间为30120分钟。4.糖化终了，糖化终了必须使醪中除了-淀粉酶以外，其它水解酶会失活（钝化），此温度为7080C，再此温度范围内主要依据需保留-淀粉酶的量及考虑到过滤的要求。采用上限温度，醪黏度小，过滤加快，有害物质溶解多，-淀粉酶残留少。4酶制剂和添加剂的应用，-淀粉酶，-淀粉酶，糖化酶，R-酶等酶制剂再卫生规范下，根据工艺要求，适时适量的使用，对改善工艺和麦汁组分有一定的作用。3.2.4流程论证本设计引用了的辅料，而辅料都为不发芽谷物，谷物中淀粉是包含在胚乳细胞壁中的生淀粉，只有经过破除淀粉细胞壁，使淀粉溶出，再经糊化和液化，使之形成稀薄的淀粉浆，才能受到麦芽中淀粉酶的充分利用，形成可发酵性糖和可溶性低聚糊精。此未发芽谷物的预处理，一般在糊化加水加麦芽后，生温生至煮沸。而本设计选用的复式浸出糖化法，能很好的完成辅料的酶和煮沸处理。此法对辅料糊化有两大特点：一是大加水比，二是尽可能利用外加-淀粉酶，协助糊化、液化，避免添加过多的麦芽，再糊化煮沸时，促进皮壳溶解和形成焦糖，类黑精。并且此法采用两段式糖化温度，提高了可发酵性糖的含量。综上所述，复式浸出糖化法对本设计是非常实用的。第四章 工艺计算4.1 物料平衡计算4.1.1啤酒生产的物料衡算糖化车间工艺流程示4.1.2 工艺技术指标及基础数据：表4-1 基础数据表项 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70大 米30无水大米浸出率95啤酒损失率（对热麦汁）冷却损失5发酵损失1.5原料利用率98.5过滤损失1麦芽水分5装瓶损失1大米水分11总 损 失8.54.1.3 100Kg原料生产10度啤酒的物料衡算1热麦汁量：由表4-1得原料收得率分别为麦芽收率： 0.75（100-5）/100=71.25%大米收率： 0.95（100-11）/100=84.55%混合原料的收得率：（0.7071.25%+0.3084.55%）98.5=74.11%其中：98.5%为原料的利用率100kg原料可制的10度20热麦汁量为:74.11/10100=741.1Kg10度麦汁在20时的相对密度为1.0400而100麦汁比20麦汁体积增加1.04倍热麦汁体积755.61.0381.04=757.0L冷麦汁量741.1(1-0.05)=704.045L发酵液量704.045(1-0.015)=693.5L过滤酒量693.5(1-0.01)=686.6L成品啤酒量686.6(1-0.01)679.7L2.生产100L，10度淡色啤酒的物料计算100kg原料生产成品啤酒679.7L生产100L10度啤酒需用混合原料为100(100679.7)=14.71kg麦芽耗用量14.7170%=10.30kg大米耗用量14.71-10.30=4.41kg酒花耗用量（每100 L热麦汁加入酒花量定为0.20kg）741.7679.71000.2%=0.218kg冷麦汁量100704.045679.7=103.58L 热麦汁量100741.1679.7=109.03L发酵液量100693.5679.7=102.03 L虑酒量为100686.6679.7=101.02 L湿糖化糟：设排出湿卖糟含水80%，则湿度糟量为：（1-0.05）52010.297=12.23 kg湿大米量为：（1-0.05）5204.413=0.98 kg湿糖化糟量为：12.23+0.98=13.21 kg3.年产5万吨10度淡色啤酒的物料计算每年生产300天，旺季180天，每天糖化6次，占生产任务的70%。10度淡色啤酒的密度为1011Kg/m3糖化一次成品啤酒量（810410310370%）/18061011=32055 L设每年旺季糖化次数为6次，则总糖化次数为1080次麦芽耗量4715.3070%=3300.71kg混合原料3205514.71100=4715.30 kg大米4715.3030%=1414.59酒花0.21832055100=69.88热麦汁109.0332055100=69.88 L冷麦汁109.0332055100=34949.57 L湿酒花糟 0.65432055100=4234.47 湿糖化糟13.2132055100=4234.47发酵液量102.0332055100=32705.72L滤过酒量101.0232055100=32381.96L表4-2啤酒厂车间物料衡算表物料名称单位对100Kg混合原料100L 10度淡色啤酒糖化一次定额量5万吨每年啤酒生产混合原料Kg10014.634715.307.36106大麦Kg7010.303300.715.15106大米Kg304.411414.592.21106酒花Kg1.4820.21869.881.090105热麦汁L741.1109.0334949.575.45107冷麦汁L704.0103.5833202.575.18107发酵液L693.5102.0332705.725.10107湿糖化糟89.7913.214234.476.61106湿酒花糟4.4450.654209.643.27105过滤酒L686.6101.0232381.965.05107成品啤酒L679.7100.00320555.00107实际年生产啤酒：5.001071.012106=50550吨(备注：10度淡色啤酒的密度为1011kg/m3)4.2 热量衡算本设计采用二次煮出糖化法糖化工艺流程为: 2煮沸过程蒸发耗热量Q6 （1）麦汁升温至沸点耗热量Q6米醪的比热容：C由经验公式C=0.01(100-W)C0+4.18W进行计算，式中W为含水百分率，C0为绝对比热容，取C0=1.55KJ/.KC麦芽=0.01（951.55+4.185）=1.68C大米=0.01（891.55+4.1811）=1.84由前面物料衡算知：100浑河原料可得741.1热麦汁，设过滤完毕麦汁温度为70，则进入煮沸锅的麦汁量为：G麦汁=4715.30741.1/100=34945.09此时麦汁比热容为：C麦汁=（3300.711.68+1414.591.84+4715.34.186.4）/4715.37.4=3.85 KJ/.KQ6=G麦汁C麦汁（100-70）=34945.093.8530=4036157.90KJ（2）煮沸过程蒸发耗热量Q6 煮沸强度10%，时间90min，则蒸发水分为：V134945.0910%90605241.76 kg由上可得Q6 IV12257.25241.7611831700.67kJ（3）.热损失Q6:Q615%(Q6+Q6)=15%（4036157.90+11831700.67）=2380178.80KJ(4).综上可得麦汁煮沸总耗热量Q6Q6+Q6+ Q6=18248037.37kJ 第五章 相关设备计算与选型5.1主体设备的设计选型糖化工段的重点设备：煮沸锅的单体设计煮沸工艺:麦汁的煮沸时间对啤酒的质量影响很大，在常压下煮沸，淡色啤酒(10%-12%)的煮沸时间一般在90-120分钟，浓色啤酒可适当延长一些。在加压0.11-0.12 MPa条件下煮沸，时间可缩短一半左右。合理的延长煮沸时间，对蛋白质的凝固、提高酒花利用率和还原物质的形成是有利的，对泡沫性能不利。过分的延长煮沸时间，不仅经济上不合理，麦汁质量也会下降。例如:麦汁色泽深、口味粗糙、苦味减轻、泡沫不佳等，对淡色啤酒来说影响更严重一些。因此合理的煮沸时间是很重要的。本次煮沸工艺是按照常用煮沸方法设定78O麦汁打入煮沸锅进行煮沸。在麦汁淹没内加热器加热区后往内加热器壳程中通入0.5 MPa 155的饱和蒸汽，麦汁由92加热到1040并维持一段时间。其整个煮沸过程如下:在煮沸锅内麦汁从780C升至1000C约22m in内;1000C预煮沸l0min左右;煮沸温度从1000C升至102-104 0C约10-15min内;在压力O.03MPa,温度102-1040C下煮沸35min左右;蒸汽在15min内卸压麦汁降至1000C;在100 后煮沸1Omin.现在的煮沸设备为煮沸锅，采用不锈钢制作。现在的中型啤酒企业多使用锅底加热，一般采用夹套加热，本次采用圆筒球底型煮沸锅。5.2 主体设备设计计算和附属设备选型 1. 容积和直径的确定（椭圆封底）已知每锅啤酒产量为32.055 m3， 煮沸锅充满系数0.65-0.75， V1=32.005/（1-0.125）（1+0.15）=31.86 m3 取充满系数为0.75,式中 0.125啤酒酿造总损失（对麦汁而言） 0.15麦汁煮沸时蒸发系数所以V总=V1、/0.75=31.86/0.75=42.48m3工艺设计要求桶提高H和直径D之比为1:2，如果表面积过小液柱过高，对液柱对流不利，影响蒸发量，也影响凝结性蛋白质的析出。D=1.15（V总）1/3 所以 D=1.15（42.48）1/3=4.01圆整D=4100 H=2050又V总=(D/1.15)3=45.32 V1/V总=31.86/45.32=0.70 符合0.65-0.75之间2.电动机功率计算（1）雷偌准数Re=2np/vD-搅拌叶直径，m，取D=2.8n-搅拌器转速，r/s,n=30r/min=0.5r/sp-缪液的密度，p=1049/m3v-液体粘度，v=0.002/msRe=2.82.80.51049/0.002=1911802.5(2)功率准数Np=A/Re+B(103+1.2Re0.66)/(103+3.2Re0.66)(H/D0)(0.35+B/D0)(sin)1.2B=0.2m ,D0=4.1,D=2.8mD/ D0=2.7/4.1=0.691 , B/ D0 =0.20/4.1=0.048查啤酒工业手册下册得：A=23，B=0.45，P=1.2H=2.58，=60所以Np=0.113 (Kw)搅拌需要功率N需=(Np/102g)n3D5=2.12(Kw)N=KK1N+NT/K=1.2,NT =0.5,K1=1.1,=0.5N=1.25.664=6.80(Kw)电动机参数表电功机型号额定功率（千瓦）额定电压（伏）功率因数重量（）转速（转/min）Y132S227.53800.88732900搅拌器选用平叶圆盘涡轮搅拌器3.排气管：排气管的截面积与锅底面积 /=(1/30-1/50) 取1/40 d-排气管直径 /=1/40 D-煮沸锅直径 D=0.648m取整d=700mm，取7206mm复核/=(700/4100)20.25 , 故最后取：Sn=6校核水压试验强度：T=Pt(Di+Se)/2Se0.9T Pt=1.25P=1.250.143=0.18(MPa),P=Pc=0.143（MPa）Se=Sn-C=6-2.75=3.25 , T =0.18(4100+3.25)/(23.25)=113.630.9T=0.90.8345=248.4(MPa) 113.630.25,最后确定C1=0.25，故该夹套采用8的16MnR钢板制成校核水压试验强度：Pt=1.250.33=0.42MPa T=0.42（4100+6）/（26）=143.71MPa 最后符合要求，所以水压试验强度足够强，夹套一般离锅底100，所以取100。（14）受内压不带折边锥形上封头计算由于锥壳大端半顶角等于45所以可以按照无折边锥形封头，按照上端开口直径Di=600。Pc=1.10.11=0.121MPa S=0.1214100/(217000.8-0.121)1/cos45=2.58,加上腐蚀2.5为5.08，为了方便制作可以取和筒壁一样厚6，满足压力要求。S=PcDi/2t-Pc1/cos45=0.121600/(21700.8-0.121)1/cos45=0.38 容器壁厚最小为3，加上腐蚀余量2，为了方便制作可以取和筒壁一样厚6，满足压力要求。（15）受外压的椭圆封头的厚度计算 封头内径Di=4100，封头内壁面高度h1=1/4D=1025,设计外压力Pc=0.33MPa(表压)，材质为紫铜，取负偏差C1=1，腐蚀余量C2=1.设名义厚度为Sn=25,Se=Sn-C=23,D0=Di+2Sn=4150,h0=1025+25=1050,D0/2H1=4150/1050/2=2.0,查化工设备设计基础得K1=0.99R0=K1D0=0.994150=4108.5 R0/Se=4995/24=208.125A=0.125/(R0/Sn)=0.000700 由图查的B=80,P=80/208.125=0.450.33故Se=23合适，可以采用25的紫铜板作封头，封头直边长为500.（16）管子的法兰参数表D-法兰外径，K-螺栓孔中心园直径，L-螺栓孔直径，n-螺栓孔数量，Th-螺纹代号排气管蒸汽进口管进料管不凝蒸汽出口管冷凝液出