啤酒工厂工艺设计

题目名称年产10万吨啤酒工厂设计学生学院生物系专业班级姓 名学 号一、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GB 49271991执行，卫生指标按GB 4789.14789.28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，EBC1.0 泡沫 形态：洁白细腻，持久挂杯 泡持性S180 色度 5.09.5 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） 120.3 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1根据以上设计内容，书写设计说明书。2完成图纸：全厂（或车间）工艺流程图(初步设计阶段)，车间设备布置图（平面图和立面图），全厂总平面布置图，重点单体设备装配图。四、课程设计进程安排序号设计各阶段内容地点起止日期1上午布置及讲解设计任务；下午查阅资料及有关文献教室12月29日2有关工艺设计计算宿舍12月30日至1月3日3答辩及装配图绘制宿舍1月3日至1月6日4撰写课程设计说明书宿舍1月7日至1月9日五、应收集的资料及主要参考文献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,2003.42 顾国贤.酿造酒工艺学.北京:中国轻工业出版社,1996.123 程殿林.啤酒生产技术.北京:化学工业出版社,20054 俞俊堂, 唐孝宣.生物工艺学.上海: 华东理工大学出版社,2003.15 余龙江.发酵工程原理与技术应用.北京:化学工业出版社,20066 徐清华.生物工程设备.北京:科学出版社,20047 吴思方.发酵工厂工艺设计概论.北京:中国轻工业出版社,2006.78 黎润钟.发酵工厂设备.北京:中国轻工业出版社,20069 梁世中.生物工程设备.北京:中国轻工业出版社,2006.910 陈洪章.生物过程工程与设备. 北京:化学工业出版社,2004题目名称年产30万吨啤酒厂的设计学生学院轻工化工学院专业班级姓 名学 号【糖化车间】一、300 000 t/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：（0.7570.5%+0.2580.04%）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：598.3/1.0841.04=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：185.175%=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：10000.2%=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300 000t/a 12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 1506+1504=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：300 000 00015001.012=197628L每次糖化的原料量为:185.1/1000197628=36581 (kg)(2)麦芽量：3658175=27436（kg）(3)大米量：36581-27436=9145（kg）(4)热麦汁量：574/10036581=209975（L）(5)冷麦汁量: 209975(1-3%)=203676（L）(6)酒花用量:2.13/1000197628=420.9(kg)(7)湿糖化糟量:179.2/1000197628=35415(kg)(8)湿酒花糟量：6.39/1000197628=1262.8(kg)(9)发酵液量：203676(1-1%）=201639（L）(10)过滤酒量：201639(1-1%)=199623（L）(11)成品啤酒量：199623（1-1%）=197627（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（80kL 12啤酒）300 000 t/a啤酒生产量混合原料Kg100185.13658157750103大麦Kg75138.82743643305103大米Kg2546.3914514445103酒花Kg1.22.13420.9664.5103热麦汁L5741063209975331656103冷麦汁L556.81031203676321672103湿糖化糟Kg96.78179.23541555911103湿酒花糟Kg3.456.391262.81993.8103发酵液L551.21020201639318240103过滤酒L545.71010199623343200103成品啤酒L540.21000197627312000103备注：12度淡色啤酒的密度为1012kg/m3，实际年产啤酒315744t。二、300 000 t/a啤酒厂糖化车间的热量衡算麦芽粉（25607kg）46.760min2.1 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。大米粉（9145kg）麦芽（1829kg）20 min 自来水18料水比1：4.5 料水比1：3.5 热水5070 12min t() 63 60min 7min 冷却90 20min 100 40min 70 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=256073.5 = 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)=4.18140222.5(50-18)=18.756106(KJ)第一次米醪煮沸耗热量Q2由糖化工艺流程图（图2）可知，Q2 = Q21Q22Q23 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Q21Q 21=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)C 0+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/(KgK)c麦芽=0.01（100-6）1.55+4.186=1.71KJ/(KgK)c大米=0.01（100-13）1.55+4.1812=1.89KJ/(KgK)c米醪=（m大米c大米+m麦芽c麦芽+mwcw）/m大米+m麦芽+ mW) =（91451.89+18291.71+505984.18）/（9145+1829+50598） =3.76 KJ/(KgK) （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*cW50/( m米醪c米醪) =（91451.89+18291.71）18+505984.1850/（3.7661572）=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Q 21=m米醪* c米醪（100-t0）中，得： Q21=3.7661572（100-47.1）=12.247106KJ）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=615725%40/60=2052.4（Kg） Q22= mv1I=2052.42257.2=4.633106(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）=19.412106（KJ） 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+ m250）/（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+ m250）/（m麦醪c麦醪） =（256071.7118+89624.54.1850）/（115231.53.63） = 46.673.2 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=（256071.71+89624.54.18）/115231.5 = 3.63KJ/(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） =（24433.23.76+46645.23.63）/（24433.2+46645.2）=3.67 kJ/（kgK）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 Q3Q3=m混合c混合（70-63）=4.542106（kJ） 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）=0.267289982.63.6730=8.525106（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%289982.65%10/60 =645.2(kg)Q42=hmV2=2257.2645.2=1.456106(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）=11.478106（KJ） 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=36581450/100=164615（kg）Q5=m洗cW(80-18)= 1646154.1862=42.661106(KJ) 麦汁煮沸过程耗热量Q6Q6 =Q61 +Q62 +Q636.1 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=(274361.71+91451.89+365814.186.4)/（365817.4） =3.852KJ/（Kg*K） Q61=m麦汁c麦汁（100-70）=24.265106，则蒸发水分为：MV3=2099750.11.5=31496（Kg）Q62= hmV3 = 2257.331496=71.093106（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）=109.662106（KJ） 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=206.511106（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)=100461kg式中，h为相应冷凝水的焓(561.47kJ/kg)；为蒸汽的热效率，取=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/(1.595%)=76.96106 kj/h相应的最大蒸汽耗量为：Dmax=Qmax/(h-i)= 35566.56kg/h8.3、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=1004611500=150.692106kg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=1004616=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3 300000t/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）502.335566.56602766150.6921065、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/（1.07121000）=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=50.79m，取d=0.80mV总=/4*D*H+h(D/2+h/3)60=/4*5*2.5+h2(5/2+h/3)解得：h=1.5m5.1.3、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=1.93106kcal/h0.25Mpa压力下蒸汽温度为126.9 =56.44 按经验K取1500kcal/mhF=22.78 m锅实际加热面积F=Dh=3.1451. 523.55m22.78m5.2、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=615720.05（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/（1.0651000）=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=0.55.5=2.75（m）汽升管直径d=*D=5.50.78m，取d=0.80mV总=/4*D*H+h(D/2+h/3)100=/4*5.5*2.75+h2(5.5/2+h/3)解得：h=1.80m5.2.3、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=3.24106kcal/h=53.56 根据经验,糖化锅K可取2000kcal/mh加热面积 F=30.2m锅底加热面积：F=Dh=3.145.51.8031.09m30.2m5.3、煮沸锅加热面积的计算加热面积F=Q/kt按热量衡算：Q=13.35106/1.5=8.90106（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/h C）5.3.1、2从加热面到糖化物料的给热系数的计算2=0.36()2/3（）1/8 ( )0.14麦汁的导热系数,在100时为0.5(kcal/mh)d搅拌器奖叶直径4.0mD夹套内直径5m n搅拌器转数60/60=1(转/秒) 麦汁浓度12的麦汁密度为1.084/m =1.08410/9.81=110.50(s/m4)g重力加速度9.81m/ s C热麦汁比热容, 12时为0.98 kca1/. =麦汁粘度 水在100时w=0.248/9810(.s/)测定得麦汁比粘度为1.5,麦汁=1.50.248/9810=4.35105(s/)=1.5 ()0.141 则：2 =0.36()2/3 ()1/8 1 =4841.72(kcal/h )5.3.2、夹套内蒸汽凝结的给热系数的计算蒸汽在传热锅底的凝结状态的膜状冷凝考虑1=0.068()1/2在平均温度100时,水的物理系数为:=958/m =(0.248/9810).s/ =0.578(kcal/m.h.) C=1 kcal/. 在3.5/cm绝对压力下:=513.1 kcal/ t=138.19,壁温为95 t=138.19-9543得1=0.068()1/2 =5260(kcal/m.h.)由于锅底是球形, 倾=直 =451=5260=4840(kcal/m.h.)5.3.3、加热面积计算已知S加热面材料厚度,不锈钢板12mm,加热材料导热系数330.k=2224.63(kcal/m.h.)实际热效率比理论降低20 既k=2224.63801779.70(kcal/m.h.)所需加热F=Q/K=13.72106 /（26.791779.70）=288 m 5.4、糖化过滤槽所需容积计算 按物料计算每次糖化物料总量:G=糊化醪量+糖化醪量-水损失量=（61572+115231.5）（1-10%）=159123.15（kg）糖化醪的密度为1065/m。 生产需要1.2的空余系数,故所需容积:V=159123.15/10651.2=179.29(m) 设槽层厚度为36cm,则对应每吨混合原料所需过滤面积为4.6m2,比负何为225Kg.m-2 /h有:179.29/(4.60.36)=108个单位过滤体积,故要求过滤机的生产能力为108225=24361kg/h =24.361t/h5.5、麦汁冷却器冷却面积计算采用一阶段冷却(冷却介质为深井水)麦汁温度968 冷水温度280 冷却时间1hQ1=CWM醪(t1-t2)/T=159123.150.98(96-8)/1=13722780.46(kcal/h) CW=0.98 kcal/，M醪=61572 t1=96，t2=8，t=2，t2=80t=10.20（ ） 现取用薄板冷却器冷却,其传热系数K值取2000kcal/mh，则F=Q/K=13722780.46/(200010.20)=672.7总的换热面积F=672.7（m2）5.6、酒花分离器的选择（1）型式：采用圆柱锥底（2）主要尺寸：直径4m，圆柱高1.5 m，锥底高0.5m 工作压力：1.5/cm搅拌器转速：60r/min (3)配用电动机：型号：JQ2 32-6，功率：3000瓦，转速：1000r/min附图：下午13：0017：00度。全体员工都必须自觉遵守工作时间，实行不定时工作制的员工不必打卡。3.1.2.2打卡次数：一日两次，即早上上班打卡一次，下午下班打卡一次。3.1.2.3打卡时间：打卡时间为上班到岗时间和下班离岗时间； 3.1.2.4因公外出不能打卡：因公外出不能打卡应填写外勤登记表,注明外出日期、事由、外勤起止时间。因公外出需事先申请，如因特殊情况不能事先申请，应在事毕到岗当日完成申请、审批手续，否则按旷工处理。因停电、卡钟（工卡）故障未打卡的员工，上班前、下班后要及时到部门考勤员处填写未打卡补签申请表，由直接主管签字证明当日的出勤状况，报部门经理、人力资源部批准后，月底由部门考勤员据此上报考勤。上述情况考勤由各部门或分公司和项目文员协助人力资源部进行管理。3.1.2.5手工考勤制度3.1.2.6手工考勤制申请：由于工作性质，员工无法正常打卡