生物设备设计

1、评定等级生物工程设备课程设计说明书 题 目：年产1万吨啤酒厂糖化车间工艺设计 学 院：太原科技大学化学与生物工程学院 系 别：生物工程系 班 级：生物工程1241班 学生姓名： 学生学号： 指导老师：贾士芳 李增波 2014年12月15-20日目录任务书- 1摘要- 3正文- 4【糖化车间】1、10000t/a啤酒厂糖化车间的物料衡算1.1 糖化车间工艺流程- 41.2 工艺技术指标及基本数据- 41.3 100kg原料生产12°淡色啤酒的物料衡算- 41.4 生产100L12°淡色啤酒的物料衡算- 51.5 生产10000t/a 12°淡色啤酒糖化车间的物料衡算

2、- 62、10000t/a 啤酒厂糖化车间的热量衡算2.1 工艺流程图- 62.2 热量衡算- 72.2.1 糖化用水耗热量Q1- 72.2.2 第一次米醪煮沸耗热量Q2- 72.2.3 第二次煮沸前混合醪升温至700C的耗热量Q3- 82.2.4 第二次煮沸混合醪的耗热量Q4- 92.2.5 洗槽水耗热量Q5- 92.2.6 麦汁煮沸过程耗热量Q6- 92.2.7 糖化一次总耗热量Q总- 102.2.8 耗气量衡算- 103、主要设备及选型计算3.1 糊化锅容积的计算及基本尺寸- 113.1.1 糊化锅容积的计算- 113.1.2 糊化锅基本尺寸计算- 113.1.3 加热面积- 113.2

3、 糖化锅容积的计算及基本尺寸- 113.2.1 糖化锅容积的计算- 113.2.2 糖化锅基本尺寸计算- 113.2.3 加热面积- 11任务书一、 课程设计的内容1. 设计任务是：年产1万吨啤酒糖化车间工艺设计。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）；主要设备（糖化锅和糊化锅）选型及计算。二、课程设计的要求与数据1. 生产规模：年产10000t/a 12°淡色啤酒，全年生产300天。2. 糖化次数：生产旺季4次/天；生产淡季

4、2次/天。3. 发酵周期：锥形发酵罐低温发酵24天。 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78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7.5发酵损失2.0原料利用率95.5过滤损失1.5麦芽水分7装瓶损失2.0大米水分13总损失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. 完成啤酒糖化车间工艺计算四、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1-40112月15号2有关工艺设计计算1-40112月16日至12月19日3撰写课程设计说

5、明书1-40112月20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, 2003.2 顾国贤. 酿造酒工艺学. 北京: 中国轻工业出版社, 1996.3 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, 2003.5 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, 2006.12摘要：本设计书是有关年产1万吨啤酒

6、厂糖化车间工艺设计，啤酒是以优质大麦芽为主要原料，啤酒花为香料，经过制麦芽、糖化，发酵等工艺工序制成的富含营养物质和二氧化碳的酿造酒。因其有酒花香和爽口的苦味，深受消费者欢迎，因此消费面广，消费量大，是世界上产量最大的酒种，同时它的酒精度低、营养丰富、有益于人的健康，因而有“液体面包”之美称，受到众人的喜爱。啤酒在整个酿造过程中，大体可以分为四大工序：麦芽制造、麦汁制备、啤酒发酵、啤酒包装与成品啤酒。其中麦汁制备是啤酒制备的重要环节，它包含了对原料的糊化、糖化、麦醪过滤和麦汁煮沸等处理工艺。设计从实际生产出发，确定出生产1万吨啤酒所需要的原料量，热量和糖化车间内的常用设备如糊化锅、糖化锅的主要

7、尺寸、选型及其他辅助设备。关键词：啤酒生产；物料衡算；糖化锅；糊化锅糖化车间1、10000t/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，废渣量（糖化槽和酒花槽）等。1.1 糖化车间工艺流程流程示意图如图1所式水、蒸汽麦汁煮沸锅过滤糖化粉碎糊化麦芽、大米到发酵空间薄板冷却器回旋沉淀槽酒花渣分离器热凝固物热凝固物酒花槽图1啤酒厂糖化车间工艺流程示1.2 工艺技术指标及基本数据根据我国啤酒厂生产现况，有关生产原料配比、工艺指标及生产数据如表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

8、出率78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7.5发酵损失2.0原料利用率95.5过滤损失1.5麦芽水分7装瓶损失2.0大米水分13总损失13根据表1的基础数据，首先进行100kg原料生产120淡色啤酒的物料计算，然后进行1000L120淡色啤酒的物料衡算，最后进行10000t/a啤酒厂糖化车间的物料平衡计算。1.3 100kg原料（75%麦芽，25%大米）生产120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：0.78%*(100-7)/100=72.54% 大米收率为：0.92*（100-13）/100=80.04% 混

9、合原料率收得率为：（0.75*72.54%+0.25*80.04%）*95.5%=71.07%由上述可得100kg混合原料可制得的120热麦汁量为：71,07/12*100=592.25（kg）查资料知120麦汁在200的相对密度为1.084.，而1000C热麦汁比200C时的麦汁体积增加1.04倍，故麦汁（1000C）体积为：592.25/1.084*1.04=568（L）（2）冷麦汁量为：568*（1-0.075）=525.4（L）（3）发酵液量为：525.4*（1-0.02）=514.9（L）（4）过滤酒量为：514.9*（1-0.015）=507.2（L）（5）成品啤酒量为：507.2

10、*（1-0.02）=497.1（L）1.4 生产1000L120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120淡色成品啤酒497.1L，故可得以下结果：（1） 生产1000L120淡色啤酒需耗混合原料量为：1000/497.1*100=201.2（kg）（2） 麦芽消耗量为：201.2*0.75=150.9（kg）（3） 大米耗用量为：201.2-150.9=50.3（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所爱。所以对浅色啤酒热麦汁中加入的酒花量诶0.2%即每1000L热麦汁添加2kg，故为：568/497.1*1000*0.2%=2.

11、29（kg)（5） 热麦汁量为：568/497.1=1000=1143（L）（6） 冷麦汁量为：525.4/497.1*1000=1057 (L）（7） 湿糖化槽量：设湿麦芽槽水分含量为80%，则湿麦芽槽量为：(1-0.07)*(100-78)/(100-80)*150.9=154.4 湿大米槽量为：(1-0.13)*(100-92)/(100-80)*50.3=17.50(kg) 故湿糖化槽量为：154.4+17.50=171.9（kg）（8） 酒花槽量设麦汁煮沸过程干酒花浸出率为40%，且酒花槽水分含量为80%，则酒花槽量为：（1-0.4）/(1-0.8)*2.29=6.87(kg)1.5

12、 生产10000t/a120淡色啤酒糖化车间的物料衡算设生产旺季每天糖化4次，而淡季则糖化2次，每年总糖化次数150*4+150*2=900（次），由此可算出每次投料量及其他项目的物料衡算。（1） 查120淡色啤酒密度为1.012kg/l，则每次糖化的啤酒量为：10000000/900/1.012=10979(L)每次糖化的原料量诶：201.2/1000*10979=2209(kg)（2） 麦芽量：2209*75%=1657（kg）（3） 大米量：2209-1657=552（kg）（4） 热麦汁量：568/100*2209=12547(L)（5） 冷麦汁量：12547*（1-7.5%）=116

13、06(L)（6） 酒花用量：2.29/1000*10979=25.1(kg)（7） 湿糖化槽量：171.9/1000*10979=1887(kg)（8） 湿酒花槽量：6.87/1000*10979=75.4(kg)（9） 发酵液量：1606*（1-2%）=11373.9(L)（10） 过滤酒量：11373.9*（1-1.5%）=11203(L)（11） 成品啤酒量：11203*（1-2%）=10978.94(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所示表2 物料衡算表物料名称单位对100kg混合原料1000L12度淡色啤酒糖化一次定额量（80kL120啤酒

14、）10000吨t/a啤酒生产量混合原料Kg100201.222091988×103大麦Kg75150.916571491×103大米Kg2550.355249.7×103酒花Kg2.292.2925.122.6×103热麦汁L568 11431254711292×103冷麦汁L525.4105711606 10445×103湿糖化糟Kg85.4171.918871698×103湿酒花糟Kg3.46.8775.4678.6×103发酵液L514.91035.8611373.910236.5×103过滤酒L5

15、07.21020.31120310082×103成品啤酒L497.1100010978.949881×103备注：12度淡色啤酒的密度为1012kg/m3,实际年产啤酒9999.572t。2、10000t/a啤酒厂糖化车间的热量衡算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180C麦芽粉（1546.6kg）46.70C 60min料水比1:4.5料水比1:4.5大米粉（552kg）麦芽（110.4kg）20min热水500Ct(0C)720C，12min630C冷却1000C,40min7mi

16、n700C900C，20min薄板冷却器过滤 1000C780C糖化结束冷麦汁麦芽煮沸锅90min回旋沉淀槽酒花图2 工艺流程图2.2 热量衡算 2.2.1 糖化用水耗热量Q1 根据工艺设计糊化锅的料水比为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极易产生糊锅现象。所以糊化锅加水量为： M1=(552+110.4)*4.5=2980.8（kg）式中，552为糖化一次大米粉量，110.4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=1546.6*3.5=5413.1(kg)式中，

17、1546.6为糖化锅投入的麦芽粉量，即1657-110.4=1546.6（kg）。而1657为糖化一次麦芽定额量。故糖化总用水量为： mw=m1+m2=2980.8+5413.1=8393.9(kg)自来水的平均温度取t1=180C，而糖化配料用水温度t2=500C,故耗热量为： Q1=cwmw(t2-t1)=4.18*8393.9*(50-18)=12.92*105(KJ).2.2.2 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+Q23Q21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。2.2.2.1 糊化

18、锅内米醪由初温t0加热至煮沸的消耗量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=0.01(100-w)C0+4.18w进行计算。式中w为含水百分比；c0为绝对谷物比热容，取c0=1.55KJ/(Kg.K)c麦芽=0.01(100-7)1.55+4.18*7=1.73KJ/(Kg.K)c大米=0.01(100-13)*1.55+4.18*13=1.89 KJ/(Kg.K)c米醪=（m大米c大米+m麦芽c麦芽+m1cw）/(m大米+m麦芽+m1) =(552*1.89+110.4*1.73+2980.8*4.18)/(552+110.4+2890

19、.8)=3.76KJ/(Kg.K)(2) 米醪的初温t0设原料的初温为180C，而热水为500C，则t0=(m大米c大米+m麦芽c麦芽)*18+m1cw*50/(m米醪c米醪) =(552*1.89+110.4*1.73)*18+2980.8*4.18*50/(3.76*3643.2)=47.10C(3) 把上述结果代入Q21=m米醪*c米醪（100-t0）中，得：Q21=3.76*3643.2*（100-47.1）=7.246*105KJ2.2.2.2 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=3643.2*5%*

20、40/60=121.44(Kg)Q22=mv1I=121.44*2257.2=2.741*105(KJ)式中，I为1000C饱和气压下水的气化潜热2257.2（KJ/Kg）2.2.2.3 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）2.2.2.4 由上述结果得： Q2=1.15（Q21+Q22）=1.15*(7.246*105+2.741*105)=1.149*106（KJ）2.2.3 第二次煮沸前混合醪升温至700C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630C，故混合前米醪先从1000C

21、冷却到中间温度t。(1)糖化锅中麦醪的初温t麦醪 已知麦芽初温为180C，用500C的热水配料，则麦醪温度为：t麦醪=（m麦醪m麦芽*18+m2*cw*50）/(m麦醪c麦醪)其中m麦醪=m麦芽+m2=1546.6+5413.1=6959.7（kg）t麦醪=（m麦芽c麦芽*18+m2cw*50）/(m麦醪c麦醪) =（1546.6*1.73*18+5413.1*4.18*50）/(6959.7*3.63)=46.690C(2)米醪的中间温度tM混合=M米醪+M麦醪 =3643.2+6959.7=10602.9kg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t=(m混

22、合c混合t混合-m麦醪c麦醪t发酵)/(m米醪c米醪)其中,麦醪的比热容 c米醪=(m麦芽c麦芽)+（m2*cw）/m米醪 =（1546.61.73+5413.14.18）/6959.7=3.63kJ/（kg.k）混合醪的比热容c混合=（m米醪c米醪+m米醪c麦醪）/（m麦醪+m麦醪）=3.67kJ/(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）=92.870C 因此中间温度比煮沸温度只低不到7.130C.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=10602.9*3.67*7=2.72(KJ)2.2.4

23、 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+Q43Q41为混合醪升温至沸腾所耗的热量，Q42为第二次煮沸过程蒸汽带走的热量，Q43为热损失。2.2.4.1 混合醪升温至沸腾所耗热量Q41（1）经过第一次煮沸后米醪量为：m米醪=m混合-mv1=10602.9-121.44=10481.46（kg）故第二次煮沸的混合醪量为：m混合=m，米醪+m米醪=10481.46+6959.7=17441.16（kg）（2）根据工艺，糖化结束的醪温为780C，抽取混合醪的温度为700C，则送到第二次煮沸的混合醪量为：m混合(78-7)100%=26.7%故Q41=26.7%m混合c混

24、合（100-70）=5.127（KJ）2.2.4.2 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：=26.7%m混合5%10/60 =38.8kgQ42=h=2257.238.8=0.876（KJ）式中，h为煮沸温度下的饱和蒸汽的焓（kJ/kg）2.2.4.3 热损失Q41根据经验有：Q43=15%(Q41+Q42)2.2.4.4 把上述结果代入（27）得Q4=1.15(Q41+Q42)=6.903(KJ)2.2.5 洗槽水耗热量Q5设洗槽水平均温度为800C，设100kg原料用水450kg，则用水量为m洗=2209*450/100=9940.5（kg）

25、Q5=m洗cw（80-18）=9940.5*4.18*62=2.576*106（KJ）2.2.6 麦汁煮沸过程耗热量Q6Q6=Q61+Q62+Q632.2.6.1 麦汁升温至煮沸过程耗热量Q61由表2啤酒厂酿造车间物料衡算表可知，1000kg混合原料可得到568kg的麦汁，并设过滤完毕麦汁温度诶700C，则进入煮沸锅的麦汁量为：m麦汁=（568/100）*2209=12547（kg）又c麦汁=3.852KJ/(Kg*K)Q61=m麦汁c麦汁（100-70）=1.45*106，则蒸发水分为：=12547*0.1*1.5=1882.05（kg）Q62=h=2257.3*1882.05=4.248*

26、106(kJ)2.2.6.2 热损失为Q63=15%(Q61+Q62)2.2.6.3 上述结果带入上式得出麦汁总耗热Q6=Q61+Q62+Q63=1.15(Q61+Q62)=6.553*106(KJ)2.2.7 糖化一次总耗热量Q总Q总=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6=(1.292+1.149+0.272+0.6903+2.576+6.553)*106=12.5*1062.2.8 耗气量衡算2.2.8.1 糖化一次耗用蒸汽用量D使用表压0.3MPa的饱和蒸汽，h=2735.3Kj/Kg,则：D=Q总/(h-i)*=12.5*106/(2725.3-561.47)*95%=6096kg式中，

27、i为相应冷凝水的焓（561.47Kj/Kg）；为蒸汽的热效率。取=95%。2.2.8.2 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%)=4.60*106KJ/h相应的最大蒸汽耗量为：Dmax=Qmax/（h-i）=2125.86kg/h2.2.8.3 蒸汽单耗据设计，每年糖化次数为900次，每糖化一次生产啤酒10000/900=11.1t，年耗蒸汽总量为：D总=6096*900=5.486*106kg每吨啤酒成品耗蒸汽（对糖化）：D1=6096/11.1=549.2kg/t每昼夜

28、耗蒸汽量（生产旺季算）为：Dd=6096*4=24384kh/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，则在如下“耗冷量计算”中将会简绍2.2.8.4 整理列表最后，把上述结果裂成热量消耗综合表，如表表3 50000t/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0.3549.22125.86243845.486*1063、主要设备选型及计算3.1 糊化锅容积的计算及基本尺寸3.1.1 糊化锅容积计算糊化锅投料量=552+110.4=662.4糊化缪量=662.4*（4.5+1）=3641查表得100热糊化缪的相对密度为1.0712Kg/L则，糊化锅的有效容积=3.4（m3）设糖化锅充满系数为0.8，则：糊化锅的总容积=4.25（m3）故糊化锅设备的容积应选5m3,所需要数量1个3.1.2 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D=1.15*V总=1.97m取D=2.0m，H=D/2=1.0m气升管直径d=0.32m,取d=0.4mV总=/