年产10万吨啤酒厂糖化车间煮沸锅的设计

生物工程工厂设计概论课程设计题目专业生物工程班级姓名学号目录TOC\o"1-3"\h\u27686目录 -2-8450第一章绪论 -4-15980第二章工艺计算 -5-208352.1物料平衡计算 -5-146682.1.1啤酒生产的物料衡算 -5-142942.1.2工艺技术指标及基础数据 -5-3930糖化物料计算 -6-280562.2热量衡算 -8-189252.2.1糖化用水耗热量Q1 -8-80452.2.2第一次米醪煮沸耗热量Q2 -9-123842.2.3第二次煮沸前混合醪升温到70℃的耗热量Q3 -10-57322.2.4第二次煮沸混合醪的耗热量Q4 -11-292372.2.5洗糟水耗热量Q5 -11-276072.2.6麦汁煮沸过程耗热量Q6 -11-295992.2.7糖化一次总耗热量Q总 -12-272472.2.8糖化一次耗用蒸汽量D -12-222612.2.9糖化过程每小时最大蒸汽量Qmax -12-276932.2.10蒸汽单耗 -13-294672.3耗水量的计算 -13-178582.3.1糖化用水 -13-97072.3.2洗糟用水量 -13-45512.3.3糖化室洗刷用水量 -13-110362.3.4沉淀槽冷却用水量 -14-657 -14-90272.3.6麦汁冷却器冷却用水 -14-224462.3.7麦汁冷却器冲刷用水 -14-50772.3.8酵母洗涤用水(无菌水) -14-154472.3.9发酵室洗刷用水 -14-123812.3.10贮酒室洗刷用水 -15-159562.3.11清酒罐洗刷用水 -15-323242.3.12过滤机用水 -15-187292.3.13洗瓶机用水 -15-122412.3.14装酒机用水 -15-121632.3.15杀菌机用水 -15-14425 -15-23875第三章重点设备的设计选型 -15-273133.1容积 -16-242123.2尺寸 -16-154503.3排气管：排气管的截面积与锅底面积 -16-33043.4麦汁进口管d -16-233103.5蒸气进口管 -17-309453.6冷凝管出口管计算 -17-285503.7排料管管径计算 -17-82973.8进水管管径计算 -18-327013.9筒体部分计算 -18-149733.9.1锅体材料选择 -18-133053.9.2锅体壁厚的计算 -18-282913.9.3锅底厚度 -19-75143.9.4夹套壁厚 -20-15138锅体重量计算 -20-209433.10电动机功率计算 -20-125253.11煮沸锅加热面积的计算 -22-4238第四章煮沸锅附属设备 -22-18984.1电动机 -22-316284.2减速器 -23-18424.3联轴器 -23-55184.4人孔 -23-第一章绪论啤酒是以麦芽为主要原料，添加酒花，经酵母发酵酿制而成的，是一种含二氧化碳、起泡、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，成为世界性的饮料酒。我国近代啤酒是从欧洲传入的，据考证在1900年俄罗斯技师在哈尔滨建立了第一家啤酒作坊。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。1915年在北京由中国人出资建立了双合盛啤酒厂。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，从1949年到1993年，我们用43年的时间，发展成为世界啤酒第二生产大国，这样的发展速度举世瞩目。中国啤酒行业向集团化、规模化，啤酒企业向现代化、信息化迈进；除产品制造外，品牌和资本越来越显现其重要性；外资对中国啤酒行业的影响已经向纵深发展，表现出积极的作用，使中国啤酒业加快和国际接轨的步伐。2012年至2015年，啤酒行业面临着较好的发展际遇：国民经济持续快速发展和城市化水平的提高，给行业发展创造了巨大的需求空间；西部大开发、振兴东北地区等老工业基地、促进中部崛起和建设社会主义新农村等重大发展战略，为啤酒行业创造了新的发展机遇；全球经济和区域经济一体化进程的加快，为中国啤酒行业在更大范围内配置资源、开拓市场创造了条件。未来啤酒市场的发展前景依然看好。国内油价下调提高行业盈利空间；2008年11月国家提出的四万亿拉动内需计划及扩大内需十条政策将对啤酒行业产生有利影响，等等利好因素成为拉动啤酒市场发展的强劲动力。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。第二章工艺计算2.1物料平衡计算2图2-1糖化车间工艺流程示意图2表2-1工艺技术指标及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2糖化物料计算1.100Kg混合原料中含浸出物的重量（E）麦芽：Gm=m×(1-Wm)×Em=70×(1-5%)×75%=kg大米：Gn=n×(1-Wn)×En=30×(1-11%)×95%=kg其中：m为100Kg混合原料中麦芽的质量;n为100Kg混合原料中大米的质量Wm为麦芽的含水量:Em为麦芽的污水浸出率;En为大米的污水浸出率则E=Gm+Gn=+=kg混合原料的收得率=×98.5%÷100=%其中：98.5%为原料的利用率100kg原料产12度热麦汁量为:×100÷12=kg12度麦汁在20℃时的相对密度为热麦汁体积=84=L冷麦汁量=5)=L发酵液量=15)=L滤过酒量=×(1-0.01)=L成品酒量=×(1-0.01)=L÷540.7）×0.2%×19kg12度淡色啤酒的物料计算100kg原料生产成品酒L生产100L10度啤酒需用混合原料为100×(100÷540.7)=kg麦芽耗用量=×70%=kg大米耗用量==kg酒花耗用量÷×100×kg热麦汁量=100×÷=L冷麦汁量=100×÷=L成品酒量=100L10万吨12度淡色啤酒的物料计算每年生产300天，旺季170天，每天糖化6次，占生产任务的70%。12度淡色啤酒的旺季产量：100000×70%÷170=411.76（吨/天）设每年旺季糖化次数为6次，则总糖化次数为1020次成品啤酒量=÷6=68.62（吨/天）麦芽耗量=×70%=kg×1000÷（1-1.5%）÷1.084=64266L湿酒花糟32133÷100×0.657=4200kg热麦汁量=32133÷×592.5=7022L冷麦汁量=32133×÷发酵液量=32133÷×554.5=65906L滤过酒量=32133÷×548.9=65240L成品酒量=计算方法同上，这里不再重述。表2-2啤酒厂车间物料衡算表物料名称单位对100Kg混合原料100L10°度淡色啤酒糖化一次定额量10万吨每年啤酒生产混合原料Kg1005943×106大麦Kg704160×106大米Kg30783×106酒花Kg×105热麦汁L35211×107冷麦汁L33452×107发酵液L32953×107过滤酒L32620×107成品啤酒L540732133×107×107/1.012=100790吨(备注：10度淡色啤酒的密度为1012kg/m3)2.2热量衡算糊化锅糊化锅大米：2640kg麦芽：528kg50℃、20min糖化锅麦芽粉：5632kg35℃、30min自来水，20℃回旋沉淀槽煮沸30min热水50℃70℃、20min煮沸锅T（℃）55℃、50min68℃、60min78℃、10min糖化结束过滤麦汁酒花麦糟薄板冷却器酒花槽热凝固物冷凝固物15min去发酵冷麦汁15min冷却15min15min15min图2-2二次煮出糖化法糖化工艺流程图2.2.1糖化用水耗热量Q1根据工艺，糊化锅加水量为:G1＝（1783+356.6）×式中：1336.8kg为糖化一次的大米粉量，267.36kg为糊化锅中加入的麦芽粉量(大米的20％)而糖化锅中的加水量为：G2×综上所述，糖化总用水量为：Gw＝G1＋G2自来水平均温度取t′＝18℃，而糖化配料用水温度t″＝50℃，比热容Cw故耗热量Q1＝GwCw(t″－t′××(50－18)＝3068468kJ2.2.2第一次米醪煮沸耗热量Q2t0加热至100℃，耗热量:Q2′＝G米醪.C米醪(100－t0)(1)计算米醪的比热容：C米醪由经验公式C谷物＝0.01[（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，去C0C麦芽×[(100－5)××C大米×[(100－11)××C米醪＝(G大米C大米＋G麦芽C麦芽＋G1Cw)/(G大米＋G麦芽＋G1)＝(1783×××4.18)÷（1783＋356.6＋9628.2）(2)米醪的初温t0设原料初温为18℃，而热水为50℃，则G米醪＝G大米＋G麦芽＋G1t0＝[(G大米C大米＋G麦芽C麦芽)×18＋G1Cw×50]/G米醪C米醪＝[(1783××1.68)×××50]÷11767×3.75＝47.2℃代入式Q2′＝G米醪C米醪（100－t0××（100－47.2）2″煮沸时间40min，蒸发量为每小时5％，则蒸发水份量V1＝G米醪×5％×40÷×5％×故，Q2″＝V1I×2257.2＝885409.3kJ式中，I为煮沸温度约100℃下水的汽化潜热（kJ/kg）2″′米醪升温和第一次煮沸过程的热损失为前两次耗热量的15％，即：Q2″′＝15％（Q2′＋Q2″）2＝1.15（Q2′＋Q2″×（2330024.4＋885409.3）2.2.3第二次煮沸前混合醪升温到70℃的耗热量Q3按糖化工艺，来自糊化锅的煮沸的醪与糖化锅中的麦醪混合后温度应为63℃，所以混合前米醪应先从100℃冷却到中间温度t0麦醪已知，麦芽粉初温为18℃，用50℃热水配料，则麦醪温度t麦醪＝（G麦芽C麦芽×18＋G2Cw×50）/G麦醪C麦醪其中，G麦醪麦醪＝（G麦芽C麦芽＋G2Cw）/（G麦芽＋G2××4.18）÷t麦醪××××50）÷171÷3.6＝44.95℃2.经第一次煮沸后米醪量为G′米醪＝G米醪－V1进入第二次煮沸的混合醪量G混合＝G米醪′＋G麦醪＝9384.336＋14229.7＝23614.066kg3.混合醪比热容C混合＝（G麦醪C麦醪＋G米醪′C米醪）/G混合＝（3804××3.79）÷根据热量衡算，且忽略热损失，米醪与麦醪合并前后的焓不变，则米醪中间温度为：t＝（G混合C混合t混合-G麦醪C麦醪t麦醪）／G米醪′C米醪××××44.95）÷×℃因为此温度只比煮沸温度低10度多，考虑到米醪由糊化锅到糖化锅的输送过程的热损失，可不必加中间冷却器。综上可得:Q3＝G混合C混合××7＝744028kJ2.2.4第二次煮沸混合醪的耗热量Q4据工艺糖化结束醪温度78℃，抽取混合醪的温度70℃，沸的混合醪量G′(G混合－G′)（78－70）C混合＝G′C混合（100－78）∴G′/G混合＝26.7%沸醪耗热量为:Q4′＝26.7%G混合C混合（100－70）＝26.7%×××30＝851381kJ4″煮沸时间为10min，蒸发强度为5%，则蒸发水分量为：V2＝26.7%G混合×5%×10÷则：Q4″＝IV2×64.26＝145059kJ式中，I为煮沸温度下饱和蒸汽的焓（kJ/kg）4″′据经验：Q4″′＝15%(Q4′+Q4″)4.综上可得：Q4＝1.15(Q4′+Q4″×(851381＋145059)＝149466kJ2.2.5洗糟水耗热量Q5设洗糟水平均温度为80℃，每100kg原料用水450kg，则用水量：G洗＝5943×450÷Q5＝G洗Cw××2.2.6麦汁煮沸过程耗热量Q66′由前物料衡算知：100kg混合原料可得741.2kg热麦汁，设过滤完毕麦汁温度70℃。则进入煮沸锅的麦汁量为：G麦汁＝5943×÷100＝36704kg此时麦汁比热容为:C麦汁＝（4160×1.682+1783×1.84+5943××4.18）÷（59436+1783+5943×7.4）Q6′＝G麦汁C麦汁（100-70）＝36704××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：V3＝36704×10%×90÷60＝5505.6kg由上可得Q6″＝IV3×5505.6＝12427240kJ6″′: Q6″′＝15%(Q6′+Q6″)4.综上可得麦汁煮沸总耗热Q6″′＝15%(Q6′+Q6″)×(3600662.4+12427240)＝2404185.36kJ2.2.7糖化一次总耗热量Q总Q总＝3068468+36977482.2.8糖化一次耗用蒸汽量D使用表压为0.2MPa的饱和蒸汽I＝2196.78kJ/kgD＝Q总/(Ｉ-ｉ)η＝14896kgI为相应冷凝水的焓503.67kJ/kg（《化工工艺设计手册》上2-297）η为蒸汽的热效率，取η＝95%2.2.9糖化过程每小时最大蒸汽量Qmax在糖化过程各步骤中，麦汁煮沸耗热量Q6最大，且知煮沸时间为90min，热效率95%，故Qmax＝Q6/(90/60)×相应的最大蒸汽耗热量为:Dmax＝Qmax／(Ｉ-ｉ)=5962kg/h2.2.10蒸汽单耗每年耗蒸汽总量为:DT＝14896×1020/70%＝21705600kg每吨啤酒成品耗蒸汽（对糖化）:Ds＝14896÷32133÷÷每天耗蒸汽量（按生产旺季计算）:Dd＝14896×6＝89376kg/d综上可得，10万吨/a啤酒厂糖化车间总热量衡算表：名称规格MPa每吨产品消耗定额kg每小时最大用量kg/h每天耗量kg/d年耗kg/a蒸汽59628937621705600表3—3全厂糖化车间热量衡算2.3耗水量的计算2.3.1糖化用水100kg混合原料糖化大约需用水量1:3.5，糊化1:4.5。×350÷×糖化用水时间设为0.5小时。2.3.2洗糟用水量100kg混合原料约用洗糟水450kg，则需水量为：5943×450÷用水时间为1.5小时。则÷1.5＝17829kg/h2.3.3糖化室洗刷用水量一般糖化室及设备每糖化一次洗刷用水约20用水时间约2h故：洗刷最大用水量为20÷2＝10t/h2.3.4沉淀槽冷却用水量G＝Q/C(t2－t1)(冷却时间为0.5小时)热麦汁放出热量Q＝GpCp(t1′－t2′)×1.04＝34291.5㎏/h℃热麦汁温度t1′＝100℃t2′＝55℃冷麦汁温度t1＝18℃t2＝45℃冷却水比热C＝1××÷1×2每次洗刷用水2吨.冲洗时间设为0.25h，则每天最大用水用水量为2÷0.25=8t/h2.3.6麦汁冷却器冷却用水麦汁冷却时间为1小时麦汁温度：94℃6℃冷冻水温度：2℃85℃耗用冷冻水量为:M1＝100460.83㎏/h2.3.7麦汁冷却器冲刷用水冲刷一次,用水2t用水时间为0.25h,则每次最大用水量为:2÷0.25＝8吨/h2.3.8酵母洗涤用水(无菌水)2.3.9发酵室洗刷用水每天洗刷二个发酵室,每个用水1t洗刷地面共用1吨.每天用水2×1＋1＝3吨设时间0.75h最大用水量:3÷0.75＝4t/h2.3.10贮酒室洗刷用水每天冲刷贮酒桶一个，用水为1吨，管路及地面冲刷用水为0.5t，冲刷时间为0.5小时。最大用水量为:(1＋0.5)÷0.5＝3t/h2.3.11清酒罐洗刷用水每天用4桶,冲洗一次.共用水4t,时间40分钟，则最大用水量4×60/40＝6t/h2.3.12过滤机用水过滤机两台,每台冲刷一次,用水1.5t(包括顶酒用水)使用时间0.75h,则最大用水量:2×÷0.75＝4t/h2.3.13洗瓶机用水按设备规范表，洗瓶机最大生产能力为1500瓶/时，冲洗每个瓶需水0.75L。则用水量为:1500×0.75＝4500L/h每班生产7小时计,总耗水量:4500×7＝31500L2.3.14装酒机用水÷0.25＝5t/h2.3.15杀菌机用水杀菌机每瓶耗水量1L用水量为:1500×1＝1500L/h1500×7＝10500L/班2包括冲洗地板,管道冲刷.洗滤布.每班需用水5吨,用水时间1h则：每小时用水量:5÷1＝5t/h。第三章重点设备的设计选型煮沸工艺: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0.11-0.12MPa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78℃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0.5MPa155℃的饱和蒸汽，麦汁由92℃加热到104℃并维持一段时间。其整个煮沸过程如下:在煮沸锅内麦汁从78℃升至100℃约22min内;100℃预煮沸l0min左右;煮沸温度从100℃升至102-104℃约10-15min内;在压力O.03MPa,温度102-104℃下煮沸35min左右;蒸汽在15min内卸压麦汁降至100℃;在100℃后煮沸IOmin.采用圆筒球底内加热式煮沸锅3.1容积进入煮沸锅的麦汁量=LV有效=m3取充满系数为0.7,所以V锅=m33.2尺寸V有效÷1000×900×3V总×3R=0.8D,h1=1/2Dh2又V有效＝＝圆整取D＝4600mmR=3.624m,h1=2.3m,h23.3排气管：排气管的截面积与锅底面积/=(1/30-1/50)取1/40d--排气管直径/=1/40D--煮沸锅直径D=取整d=730mm，取11010mm复核/=<1/40复合要求。3.4麦汁进口管d麦汁，设30分钟内装完一次糖化量，则：=35.21/(30d==0.213m=213mm圆整后取213mm，查化工原理上册知2196mm3.5蒸气进口管在糖化过程各步骤中，麦汁煮沸耗热量最大，且知煮沸时间为1.5小时，热效率95%，故蒸汽进口管能满足最大进气量，就满足该设备的需要。由之前的计算可知=12934798.5KJ=5962Kg/h——每小时最大蒸汽耗量，KJ/h。——最大蒸汽耗量，Kg/h。设有两个蒸气进口管查《发酵工厂工艺设计概论》得：在饱和蒸汽0.3Mpa（表压）下，取则圆整到d=152mm；符合要求查表知取符合要求。3.6冷凝管出口管计算在0.3Mpa下，圆整后去40mmd=40mm查《化工原理》上册知应选mm。3.7排料管管径计算设在20分钟内排尽麦汁，且流速为0.6m/s，所以圆整后去259mm，查表知进水管管径计算本设计将进水管安于进料管上，选择与进料管相同的管径即可即Φ273×12mm。3.9筒体部分计算3.9.1锅体材料选择选用型号为Q235-A.3.9.2锅体壁厚的计算1）壁厚计算：其中：Pc——计算压力,MPa；Di——煮沸锅内径，mm；[σ]t——煮沸锅壳体所用材料在设计温度下的许用应力，MPa；Φ——焊接接头系数；S——煮沸锅壳体的计算厚度，mm。前面已经算出锅内径DI＝4600mm，工作压力P=P0+ρgh=0.135(MPa)Pc×0.135=0.149(MPa)选用不锈钢16MnR，查《化工设备设计基础》附录表9—1可得[σ]t=170MPaφ=0.8（采用带垫板的单面焊对接接头，局部无损检测）C2=1(mm)S×6800/(2×170×0.8－0.149)=3.7(mm)则设计厚度(mm)查《化工设备设计基础》可知：C1=0.3(mm),则名义厚度=4.7＋0.3=5.0(mm)圆整后取厚度为6mm复验Sn×6%=6×故最后取：Sn=6mm复核水压实验其中：[σ]t——圆筒壁在试验压力下的计算应力，MPa；——试验压力，MPa；——圆筒有效壁厚，mm；——圆筒内径，mm；——圆筒焊接接头系数；——圆筒材料在试验温度下的屈服点，MPa；又×=0.186MPa（其中t＜200℃，，p=﹚(mm)=345MPa（化工设备机械基础附表9-1）φ[δ]s×××(6800+4.7)／2×=107.8<248.4水压实验强度足够，符合要求3.9.3锅底厚度由于采用外夹套加热，故根据本设计具体要求采用外压容器的方法来计算锅底厚度。采用椭圆形锅底。锅底选用0Cr18Ni9不锈钢为材料。外夹套通入0.33Mpa蒸汽而工作压力=0.149Mpa假设名义厚度为=20mm,则有效壁厚=20-2=18(mm)(mm)(mm)查《化工设备机械基础》表5-3得：(mm)所以:查《化工设备机械基础》中图5-11得B=52，则计算许用压力：比较pc与[p],[p]>,故Se=18mm合适，可以采用Sn=20mm厚的不锈钢板制造锅底。夹套壁厚选用16MnR，δb=510Mpa，δs=345Mpa，φ=1，C2=1mmP×P×安全系数：nb=3,ns[δ]t=δb/nb=510/3=170Mpa许用应力[δ]t=170Mpa，夹层与筒体间距取100mmD夹i=4600+200=4800(mm)壁厚计算S=Pc×D夹i／(2[δ]tφ－Pc)×4800／(2×170×1–0.33)=4。6(mm)查得Sn=S+C=4.6+0.6+1=6.2(mm)圆整后取厚度7mm则有效壁厚Se=Sn－C=7––1=5.4(mm)水压力实验强度PTP[δ]／[δ]t×δT=PT(Di+Se)／2Se×××2）φ[δ]s×1×23