啤酒厂糖化罐设计10t生物工程论文Word格式.docx
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5.4搅拌器7
5.5人孔和视镜7
5.6接口管8
5.7轴封8
5.8除沫装置9
5.9支座选择9
6冷却装置设计10
6.1冷却方式10
6.2热量的相关计算10
8参考文献
1.前言
啤酒是全世界分布最广,也是历史最悠久的酒精性饮料,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,发酵过程中,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。
其中麦汁制造即糖化是啤酒生产的重要环节,它包含了对原料的糊化、液化、糖化、麦醪过滤和麦汁煮沸等处理工艺。
糖化是利用麦芽自身的酶(或外加酶制剂代替麦芽)将麦芽及辅助原料中淀粉和蛋白质等不溶性大分子物质分解为可溶性的糖类、糊精、氨基酸、多肽等低分子物质,为酵母菌的繁殖和发酵提供必需的营养物质。
糖化方法有多种。
煮出糖化法是指麦芽醪利用酶的生化作用和热力的物理作用,使有效成分分解和溶解,通过部分麦芽醪的热煮沸、并醪,使醪液逐步梯级升温至糖化完毕。
部分麦芽被几次煮沸即为几次煮出法。
根据煮沸的次数可分为一次、二次、三次煮出法。
本设计采用一次煮出法。
麦芽糖化过程用到的主要生产设备有糊化锅、糖化锅、过滤槽和煮沸锅。
糊化锅作用将糊化和液化淀粉,其糊化后的醪液进入到糖化锅;
糖化锅是用于水解淀粉及蛋白质,并对糊化醪液进行糖化的设备,其得到为糖化醪进入过滤槽,经过滤槽出的醪液进入煮沸锅,煮沸锅内进行麦汁煮沸,添加酒花,使麦汁达到一定浓度。
其中,糖化设备一般采用标准式糖化锅,是蛋白质分解和淀粉糖化的场所,广泛采用不锈钢制作,也有碳钢或铜板制造的。
这里采用不锈钢板制作。
锅底周围设置一两圈通蒸汽的蛇管或者装设蒸汽夹套以保持糖化醪糖化所需的温度,锅内设有搅拌器以保持糖化醪液的浓度和温度均匀,使酶充分地发挥作用。
糖化锅中,装有涡轮式、螺旋桨式或平桨式搅拌器。
由轴中心至搅拌器边缘的长度应为糖化锅直径的15%~18%。
2.课程设计任务
设计啤酒厂装100t糖化醪的糖化罐。
3.设计方案的拟定
根据生产设计的要求,由100t糖化醪,即糊化醪液和糖化醪液的混合后醪液为100t,计算出所需原料的质量。
由生产实习知,生产中用到的原料为70%的麦芽量和30%的大米量。
求所用麦芽的质量和大米的质量。
再进行物料衡算和热量衡算计算,最后求出糖化锅的的结构尺寸等。
5.物料衡算
生产中,糊化锅的原料为大米和部分麦芽粉,其中麦芽粉的质量占大米的20%。
其经糊化,糊化醪输送到糖化锅。
本设计采用一次煮出糖化法工艺流程为:
自来水,18℃
糊化锅糖化锅
大米粉麦芽粉
料水比1﹕4.5料水比1﹕3.5
麦芽粉46.7℃,30min
20min10min70℃,10mint℃
65℃,20min
20min冷却5min
10min
92℃,30min100℃10min68℃,20min
糖化结束75℃100℃
5.1生产100t糖化醪所需的大米用料及麦芽用料的计算
假设大米用料为xkg,麦芽用料为ykg。
则糊化锅中的麦芽料量为20%x。
糊化锅中的根据工艺生产知,糊化锅中醪液经第一次煮沸时,蒸发的水分量每小时为原醪液量的5%。
煮沸10min。
由上工艺流程图知,糊化醪液量为(x+20%x)*(1+4.5),沸腾时的醪液量为[(x+20%)*(1+4.5)-(x+20%)*(1+4.5)*5%*10/60]
糖化锅中麦芽汁量为y*(1+3.5)则糊化醪液和糖化醪液的混合后醪液为
由物料守衡,知
[(x+20%x)*(1+4.5)-(x+20%x)*(1+4.5)*5%*10/60]+(y-20%x)*(1+3.5)=100t
求得,x=6193kgy=14450kg
糊化锅中所加的麦芽料为20%x=1238.6kg
5.2糖化用水量的计算
根据工艺,糊化锅加水量为:
G1=(6193+1238.6)×
4.5=33442.2kg
式中,6193为糖化一次的大米粉量,1238.6kg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=(14550-1238.6)×
3.5=46239.9kg
式中,13311.4kg为糖化一次糖化锅投入的麦芽量,即14550-1238.6=13311.4kg
综上所述,糖化总用水量为:
Gw=G1+G2=33442.2+46239.9=79682.1kg
6.热量衡算
6.1糖化用水耗热量Q1
由生产工艺条件,知自来水平均温度取t′=18℃,而糖化配料用水温度t″=50℃
比热容Cw=4.18kJ/kg.K[1]
故耗热量
Q1=GwCw(t″-t′)=79682.1×
4.18×
(50-18)=10658277.7kJ
6.2.第一次米醪煮沸耗热量Q2
1.糊化锅内米醪由初温t0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C0=1.55kJ/kg.K[2]
C麦芽=0.01[(100-6)1.55+4.18×
6]=1.71kJ/kg.K
C大米=0.01[(100-12)1.55+4.18×
12]=1.87kJ/kg.K
C米醪=(G大米C大米+G麦芽C麦芽+G1Cw)/(G大米+G麦芽+G1)
=(6193×
1.87+1238.6×
1.71+33442.2×
4.18)/(6193+1238.6+33442.2)
=3.76kJ/kg.K
(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=6193+1238.6+33442.2=40873.8kg
t0=[(G大米C大米+G麦芽C麦芽)×
18+G1Cw×
50]/G米醪C米醪
4.18)/40873.8×
3.76
=47.08℃
(3)代入式Q2′=G米醪C米醪(100-t0)
=40873.8×
3.76×
(100-47.08)
=8133036.02kJ
2.煮沸过程蒸汽带出的热量Q2″,此时的热损失为锅壁传热损失。
煮沸时间10min,蒸发量为每小时5%,则蒸发水份量
V1=G米醪×
5%×
10/60=40873.8×
10/60
=340.62kg
故,
Q2″=V1I=340.62×
2257.2=768836.18kJ
式中,I=2257.2kJ/kg为煮沸温度约100℃下水的汽化潜热。
[1]
3.热损失Q2″′
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″)
4.综上可得
Q2=1.15(Q2′+Q2″)=1.15(8133036.02+768836.18)
=9441410.53kJ
6.3糖化锅中混合醪升温到68℃耗热量Q3
按糖化工艺,来自糊化锅中的煮沸醪与糖化锅中的麦醪混合后温度为65℃,所以混合前米醪应先从100℃冷却到中间温度t。
1.糖化锅中麦醪的初温t
已知,麦芽粉初温为18℃,用50℃热水作配料,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=13311.4+46239.9=59551.3kg
C麦醪=(G麦芽C麦芽+G2Cw)/(G麦芽+G2)
=(13311.4×
1.71+46239.9×
4.18)/(13311.4+46239.9)
=3.63kJ/kg.K
t麦醪=(13311.4×
1.71×
18+46239.9×
50)/(59551.3×
3.63)
=46.7℃
2.经第一次煮沸后米醪量为
G′米醪=G米醪-V1=40873.8-340.62=40533.18kg
进入第二次煮沸的混合醪量
G混合=G米醪′+G麦醪=40533.18+59551.3=100084.48kg
混合醪比热容
C混合=(G麦醪C麦醪+G米醪′C米醪)/G混合
=(59551.3×
3.63+40533.18×
3.76)/100084.48
=3.68kJ/kg.K
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
=(100084.48×
3.68×
65—59551.3×
3.63×
46.7)
/40533.18×
=90.8℃
因为此温度只比煮沸温度低9℃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(68-65)=100084.48×
3=1104932.66kJ
7.糖化锅的结构设计
7.1糖化锅的计算
7.1.1糖化锅的容积V1糖化锅是圆柱形器身略向中央倾斜的平底容器,其容积
可按圆柱体近似计算V总=[2]
式中,V总——糖化锅容积,m³
;
D——糖化锅直径,m;
H——糖化锅圆柱部分高度,m。
糊化锅糊化醪量根据前面物料计算可得:
18713.59kgg
第一次煮沸后糊化醪量G米醪′=40533.18kg
第一次煮沸后糖化锅中醪液量为:
G混合=G米醪′+G麦醪=40533.18+59551.3=100084.48kg
糖化醪中干物质量%=
=19.01%
查《发酵工厂工艺设计概论》P310得糖化醪相对密度为1.076g/cm³
[3]
则糖化锅有效容积==92.94m3
取糖化锅充满系数为0.7,则
糖化锅的总容积V总=92.94/0.7=132.77m3
本设计采用平底糖化锅,上封头采用120°
锥形封头。
取糖化锅径高比为2﹕1,有利于液体的循环及加热效率的提高。
则
D==6.97m
圆整取D=7000mm
校核:
D=7000mm时,V设计总===134.63m3>
V总
满足设计要求。
糖化锅圆柱部分高度为H=D=3500mm,其中H取人孔以下500mm。
7.1.2封头的设计
封头的结构形式有椭圆形、蝶形、锥形等,最广泛采用的是椭圆形封头。
当介质的黏度较大时,为利于出料一般采用锥形。
这里上封头采用120°
故计算上锥形封头距锅身h==
7.1.3糖化锅升气管的直径d的计算
由《生物过程工程与设备》知,糖化锅的截面积与锅体截面积的关系为
~[4]
若取则d==1.28m
圆整d=1.3m
校核=0.0345>
且大于显然不满足。
若取则d==0.989m
圆整取d=1.0m
校核
故升气管直径d=1000mm
7.2搅拌器设计
7.2.1搅拌器尺寸计算
为保持糖化醪液的浓度与温度均匀,使酶充分发挥作用,糖化锅中,装有涡轮式、螺旋桨式或平桨式搅拌器。
考虑到在相同的搅拌功率下,平桨式叶片粉碎气泡的能力大于其他两种,在这里采用二叶旋桨式搅拌器,产生轴向推力可促使醪液循环和混合良好。
搅拌器的材料为不锈钢。
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