年产10万吨啤酒厂糖化车间煮沸锅的设计.doc

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1、 生物工程工厂设计概论课程设计题 目 年产10万吨啤酒厂糖化车间煮沸锅设计专 业 生物工程 班 级 姓 名 学 号 目 录目 录- 2 -第一章 绪 论- 4 -第二章 工艺计算- 5 -2.1 物料平衡计算- 5 -2.1.1啤酒生产的物料衡算- 5 -2.1.2工艺技术指标及基础数据- 5 -糖化物料计算- 6 -2.2 热量衡算- 8 -2.2.1 糖化用水耗热量Q1- 8 -2.2.2 第一次米醪煮沸耗热量Q2- 9 -2.2.3 第二次煮沸前混合醪升温到70的耗热量Q3- 10 -2.2.4 第二次煮沸混合醪的耗热量Q4- 11 -2.2.5 洗糟水耗热量Q5- 11 -2.2.6

2、麦汁煮沸过程耗热量Q6- 11 -2.2.7 糖化一次总耗热量Q总- 12 -2.2.8 糖化一次耗用蒸汽量D- 12 -2.2.9 糖化过程每小时最大蒸汽量Qmax- 12 -2.2.10 蒸汽单耗- 13 -2.3 耗水量的计算- 13 -2.3.1 糖化用水- 13 -2.3.2 洗糟用水量- 13 -2.3.3 糖化室洗刷用水量- 13 -2.3.4 沉淀槽冷却用水量- 14 - 14 -2.3.6 麦汁冷却器冷却用水- 14 -2.3.7 麦汁冷却器冲刷用水- 14 -2.3.8 酵母洗涤用水(无菌水)- 14 -2.3.9 发酵室洗刷用水- 14 -2.3.10 贮酒室洗刷用水-

3、15 -2.3.11 清酒罐洗刷用水- 15 -2.3.12 过滤机用水- 15 -2.3.13 洗瓶机用水- 15 -2.3.14 装酒机用水- 15 -2.3.15 杀菌机用水- 15 - 15 -第三章 重点设备的设计选型- 15 -3.1 容积- 16 -3.2 尺寸- 16 -3.3 排气管：排气管的截面积与锅底面积- 16 -3.4 麦汁进口管 d- 16 -3.5 蒸气进口管- 17 -3.6 冷凝管出口管计算- 17 -3.7 排料管管径计算- 17 -3.8 进水管管径计算- 18 -3.9 筒体部分计算- 18 -3.9.1 锅体材料选择- 18 -3.9.2 锅体壁厚的计

4、算- 18 -3.9.3 锅底厚度- 19 -3.9.4 夹套壁厚- 20 - 锅体重量计算- 20 -3.10 电动机功率计算- 20 -3.11 煮沸锅加热面积的计算- 22 -第四章 煮沸锅附属设备- 22 -4. 1 电动机- 22 -4. 2 减速器- 23 -4. 3 联轴器- 23 -4. 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

5、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

6、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

7、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

8、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:10012=kg 12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)=L540.7）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(100540.7)=kg 麦芽耗用量=

9、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：10000070%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%=kg1000（1-1.5%）1.084=64266L 湿酒花糟 321331000.657=4200kg 热麦汁量=32133592.5=7022L 冷麦汁量=32133 发酵液量=32133

10、554.5=65906L 滤过酒量=32133548.9=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100L 10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Kg1005943106大麦Kg704160106大米Kg30783106酒花Kg105热麦汁L35211107冷麦汁L33452107发酵液L32953107过滤酒L32620107成品啤酒L540732133107107/1.012=100790吨(备注：10度淡色啤酒的密度为1012kg/m3)2.2 热量衡算糊化锅大米：2640kg麦芽：528kg50

11、、20min糖化锅麦芽粉：5632kg35、30min自来水，20回旋沉淀槽煮沸 30min热水 5070、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15min15min 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：GwG1G2 自来水平均温度取t1

12、8，而糖化配料用水温度t50， 比热容 Cw故耗热量Q1GwCw(tt(5018)3068468kJ2.2.2 第一次米醪煮沸耗热量Q2t0加热至100，耗热量:Q2G米醪.C米醪(100t0) (1)计算米醪的比热容：C米醪 由经验公式 C谷物0.01（100W）C04.18w 进行计算，式中w为含水百分率，C0为绝对谷物比热容，去C0 C麦芽(1005) C大米(10011) C米醪(G大米C大米G麦芽C麦芽G1Cw)/(G大米G麦芽G1) (17834.18) （1783356.69628.2） (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G1 t0(G大

13、米C大米G麦芽C麦芽)18G1Cw50/G米醪C米醪 (17831.68)5011767 3.7547.2 (3) 代入式 Q2G米醪C米醪（100t0（10047.2）2 煮沸时间40min，蒸发量为每小时5，则蒸发水份量 V1G米醪5405 故，Q2V1I2257.2885409.3 kJ 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：Q215（Q2Q2）21.15（Q2Q2（2330024.4885409.3）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

14、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18G2Cw50）/G麦醪C麦醪 其中，G麦醪麦醪（G麦芽C麦芽G2Cw）/（G麦芽G24.18） t麦醪50）1713.644.95 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9384.33614229.723614.066 kg3.混合醪比热容 C混合（G麦醪C麦醪G米醪C米醪）/G混合 （38043.79） 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

15、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:Q3G混合C混合7744028 kJ2.2.4 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)（7870）C混合GC混合（10078）G/G混合26.7%沸醪耗热量为: Q426.7%G混合C混合（10070） 26.7%30 851381kJ4 煮沸时间为10min，蒸发强度为5%，则蒸发水分量为：V226.7%G混合5%10 则： Q 4IV264.26145059kJ 式中，I为煮

16、沸温度下饱和蒸汽的焓（kJ/kg）4 据经验：Q415%(Q4+Q4)4.综上可得：Q41.15(Q4+Q4(851381145059)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5943450Q5G洗Cw2.2.6 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594310036704kg此时麦汁比热容为: C麦汁（41601.682+17831.84+59434.18）（59436+1783+59437.4）Q6G麦汁C麦汁（10

17、0-70）367042煮沸过程蒸发耗热量Q6 煮沸强度10%，时间90min，则蒸发水分为：V33670410%90605505.6 kg 由上可得Q6 IV35505.612427240 kJ6:Q615%(Q6+Q6)4.综上可得麦汁煮沸总耗热 Q615%(Q6+Q6) (3600662.4+12427240)2404185.36 kJ2.2.7 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I2196.78kJ/kg DQ总/(-)14896 kgI为相应冷凝水的焓503.67kJ/kg（化工工艺设计手册上2-29

18、7）为蒸汽的热效率，取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QmaxQ6/(90/60)相应的最大蒸汽耗热量为:DmaxQmax(-)=5962 kg/h2.2.10 蒸汽单耗每年耗蒸汽总量为 :DT148961020/70%21705600kg每吨啤酒成品耗蒸汽（对糖化）:Ds1489632133每天耗蒸汽量（按生产旺季计算）:Dd14896689376kg/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

19、汽59628937621705600表33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：5943450用水时间为1.5小时。则1.517829kg/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20210t/h2.3.4 沉淀槽冷却用水量GQ/C(t2t1) (冷却时间为0.5小时)热麦汁放出热量 QGpCp(t1t2)1.0434291.5/h热麦汁温度

20、 t1100 t255冷麦汁温度 t118 t245冷却水比热 C112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 20.25 =8 t/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： 946 冷冻水温度：285耗用冷冻水量为 :M1100460.83/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 :20.25 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2113 吨设时间0.75h 最大用水量 : 30.754t/h2.3.

21、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:(10.5) 0.53t/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 460/406t/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: 20.754 t/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 :15000.754500L/h每班生产7小时计,总耗水量 :4500731500L2.3.1

22、4 装酒机用水 0.255 t/h2.3.15 杀菌机用水杀菌机每瓶耗水量1L用水量为:150011500L/h 1500710500L/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 :515t/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0.11-0.12 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

23、，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0.5 MPa 155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22m in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

24、球底内加热式煮沸锅3.1 容积 进入煮沸锅的麦汁量=L V有效=m3 取充满系数为0.7, 所以V锅=m33.2 尺寸 V有效10009003 V总3 R=0.8D, h1=1/2D h2 又V有效 圆整取 D4600mm R=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1/40 d-排气管直径 /=1/40 D-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/(30 d= =0.213m=213mm 圆整后取213mm，

25、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40mm d=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0.6

26、m/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27312mm。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； t煮沸锅壳体所用材料在设计温度下的许用应力，MPa； 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DI4600mm，工作压力P= P0+gh=0.135(MPa)Pc0.135=0.149(MPa)选用不锈钢16MnR，查化工设备设计基础附录表91可得t=170MPa =0.8（

27、采用带垫板的单面焊对接接头，局部无损检测） C2=1(mm) S6800/(21700.80.149)=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=4.70.3=5.0(mm) 圆整后取厚度为6mm复验Sn6%=6故最后取：Sn=6mm复核水压实验其中：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t200，p=(mm)=345MPa（化工设备机械基础附表9-1）s(6800+ 4.7)2=107.8,故Se=18m

28、m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，b =510Mpa，s = 345Mpa，= 1，C2 = 1 mmPP安全系数：nb =3 , nst =b / nb = 510/ 3 = 170Mpa许用应力t = 170Mpa ，夹层与筒体间距取100mmD夹i =4600+ 200 =4800(mm)壁厚计算S=PcD夹i(2tPc)4800(21701 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= SnC=71=5.4(mm) 水压力实验强度 PT Pt T =PT(Di+Se)

29、2Se2）s1235 = 211.5(MPa) Ts 水压实验强度足够，符合要求3.9.5 锅体重量计算圆柱形锅体的体积：V1 =DiH =3.143.61.80.006=0.122 m3锅底的体积： =0.102 m3锥形顶盖的体积：V3=0.5D+0.363.14=16.50.006=0.099 G=(V1+V2+V3)=(0.122+0.102+0.099)7800=2519.4()3.10 电动机功率计算（1）雷诺准数：式中：D1搅拌桨叶直径，m，D11=2.5（m） n 麦汁的密度取=1058kg/m3 液体粘度，取所以：2 =1653125（2）功率准数式中：B1 D煮沸锅直径m

30、D1所以： D1查啤酒工业手册下册可知：A=36 B=1式中：=1.99m，=60所以：（3）搅拌需要功 =0.12/（1029.81）105835 =19.2（kW）（4）电动机功率和搅拌器的选择和相关尺寸N电=K（K1N需NT）/总式中：K=1.2，NT=0.5，K1=1.1，总N电19.20.5）/0.5搅拌器有蜗轮式、推进式、桨式、锚式和框式搅拌器，而这里需要的是慢速的搅拌器，固采用的有平叶式桨式搅拌器，这里选用平叶式圆盘蜗轮搅拌器。搅拌器叶径Di=2.5（m）叶宽B=1=0.5（m）底距C= D0/3=6.8/3=2.3（m）盘径12.5=1.875（m）叶弧长LDi2.5=0.62

31、5（m）叶距=D0=4.5（m）弯叶板厚=15mm3.11 煮沸锅加热面积的计算 煮沸锅的内加热器和管壳式换热器相似，可以采用管壳式换热器的设计方法计算所需换热面积。传热计算中的两个基本方程式求。 第四章 煮沸锅附属设备 4. 1 电动机为了使用安全，设计时宜取大一些的电机，取90kW的电动机，查化工工艺设计手册下P5-220表34-5可得：表5-1 电动机的参数表电动机型号额定功率（千瓦）额定电压（伏）功率因数重量（kg）转速（转/min）Y-280M-49038010015004. 2 减速器选用卧式涡轮减速器 PYH-150 表4-2 减速器选型中心距传动比螺纹头数涡轮齿数轴向模数18037188慢数轴最大扭矩M进轴转数以连续工作所记效率计算效率总重（kg）502000转/分778%1824. 3 联轴器查得电动机采用滚珠及柱轴承牌号 311 表4-3 联轴器选型型号轴承尺寸工作能力系数极限转速许用静电电荷重量dDbRak31155120293651105624. 4 人孔选用公称压力PN=0.3MPa的水平吊盖带劲对焊法兰人孔（HG21524-95），人孔公称直径选定为DN=600mm表4-3 人孔参数表DND1 HH1A bb1S螺栓数 螺栓600mm560mm233mm140mm325mm12mm10mm6mm16个M1645