啤酒厂糖化工段初步工艺设计.docx
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啤酒厂糖化工段初步工艺设计
生物工程课程设计
——啤酒厂糖化工段初步工艺设计
班级0902
学号39
姓名牛倩
成绩
目录
(一)设计任务书……………………………………2
(二)工艺计算………………………………………3
(三)计算结果………………………………………12
(四)问题分析与讨论………………………………12
(五)附图……………………………………………尾页
(一)设计任务书
一.设计任务:
对(20000+1000X)吨/年(︱Y-5︱+9)°啤酒厂糖化工段进行初步工艺设计
X=39+40=79,Y=9
对99000吨/年13°啤酒厂糖化工段进行初步工艺设计
二.技术指标
啤酒生产技术指标
项目
名称
百分比(%)
项目
名称
百分比(%)
定额指标
原料利用率
98.5
原料配比
麦芽
70
麦芽水分
5
大米
30
大米水分
10
啤酒损失率(对热麦汁)
冷却损失
4.0
无水麦芽浸出率
75
发酵损失
1.0
无水大米浸出率
95
过滤损失
0.5
麦芽清净和磨碎损失
0.1
装瓶损失
2.0
总损失
7.5
三.要求
1.依据给出的技术指标,选择适当的糖化工艺并进行糖化工段的物料衡算和热量衡算。
2.将计算结果分别汇总成物料衡算一览表和能量衡算一览表。
3.根据计算结果CAD绘制糖化工段能量平衡图,并打印A3图纸一张。
(二)工艺计算
一、99000t/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、技术指标
表1.啤酒生产技术指标
项目
名称
百分比(%)
项目
名称
百分比(%)
定额指标
原料利用率
98.5
原料配比
麦芽
70
麦芽水分
5
大米
30
大米水分
10
啤酒损失率(对热麦汁)
冷却损失
4.0
无水麦芽浸出率
75
发酵损失
1.0
无水大米浸出率
95
过滤损失
0.5
麦芽清净和磨碎损失
0.1
装瓶损失
2.0
总损失
7.5
根据表1的基础数据,首先进行100kg原料生产13°淡色啤酒的物料计算,然后进行100L13°淡色啤酒的物料衡算,最后进行99000t/a啤酒厂糖化车间的物料平衡计算。
3、100kg原料(70%麦芽,30%大米)生产13°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×(100-5)/100=71.25%
大米收率为:
0.95×(100-10)/100=85.5%
混合原料收得率为:
(0.70×71.25%+0.30×85.5%)×98.5%=74.39%
由上述数据可计算出100kg混合料原料可制得的13°热麦汁量为:
×100=572.2(kg)
查资料知13°麦汁在20℃时的相对密度为1.084,而100℃热麦汁相对密
为1.024,100℃热麦汁比20℃时的麦汁体积增加1.04倍,故热麦汁(100℃)体积为:
572.2/1.084×1.04=549(L)
(2)冷麦汁量为:
549×(1-0.04)=527.04(L)
(3)发酵液量为:
527.04×(1-0.01)=521.77(L)
(4)过滤酒量为:
521.77×(1-0.005)=519.16(L)
(5)成品啤酒量为:
519.16×(1-0.02)=508.78(L)
(6)颗粒酒花使用量:
选用质量较好,含α-酸较高的颗粒酒花,一般在热麦汁中加1.5-2kg/t颗粒酒花,选择加酒花2kg/t,即100L热麦汁加2kg的颗粒酒花:
0.2/100×549=1.098(kg)
(7)湿糖化槽量:
糖化槽含水80%,则
湿麦槽量:
100×70%×(1-5%)(1-75%)/(1-80%)=83.125(kg)
大米槽量:
100×30%×(1-10%)(1-95%)/(1-80%)=6.75(kg)
糖化槽量=83.125+6.75=89.875(kg)
(8)湿酒花槽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%,则湿酒花槽量:
1.098×(100-40)/(100-80)=3.29(kg)
4、生产100L13°淡色啤酒的物料衡算
根据上述衡算可知,100kg混合原料生产13°成品啤酒508.78L,故
(1)生产100L13°啤酒所需混合原料量:
100/508.78×100=19.65(kg)
(2)麦芽用量:
19.65×70%=13.76(kg)
(3)大米用量:
19.65×30%=5.90(kg)
(4)酒花用量:
100×549/508.78×0.2%=0.216(kg)
(5)热麦汁量:
100×549/508.78=107.9(L)
(6)冷麦汁量:
100×527.04/508.78=103.59(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:
[(1-0.05)×(100-75)]/(100-80)×13.76=16.34(kg)
湿大米糟量为:
[(1-0.1)×(100-95)]/(100-80)×5.90=1.33(kg)
故湿糖化糟量为:
16.34+1.33=17.67(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%,
湿酒花糟量为:
(1-0.4)/(1-0.8)×0.216=0.648(kg)
(9)发酵液量:
100×521.77/508.78=102.55(L)
(10)过滤酒量:
100×519.16/508.78=102.04(L)
(11)成品啤酒量:
100×508.78/508.78=100(L)
5、生产99000t/a13°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150×6+150×4=1500(次),由此可算出每次投料量及其他项目的物料衡算。
(1)查13°淡色啤酒密度为1.012kg/L,则每次糖化的啤酒量为:
99000000÷1500÷1.012=65217(L)
每次糖化的原料量为:
19.65/100×65217=12815(kg)
(2)麦芽量:
12815×70%=8970.5(kg)
(3)大米量:
12815-8970.5=3844.5(kg)
(4)热麦汁量:
549/100×12815=70354(L)
(5)冷麦汁量:
70354×(1-4%)=67540(L)
(6)湿糖化糟量:
18.6/100×65217=12130(kg)
(7)湿酒花糟量:
0.675/100×65217=440.2(kg)
酒花用量:
0.225/100×65217=146.74(kg)
(8)发酵液量:
67540×(1-1%)=66864.6(L)
(9)过滤酒量:
66864.6×(1-0.5%)=66530(L)
(10)成品啤酒量:
66530×(1-2%)=65199(L)
(1)由以上设计中可得出100kg原料可得成品啤酒508.78L,13°啤酒的密度为ρ=1012kg/m3,508.78L啤酒的质量M=508.78×1.012=514.89kg,
由此可得出
年产9.9万吨的啤酒所需要的量为:
99000000×100/514.89=1.92×107(kg)
(2)麦芽投料:
1.92×107×0.70=1.34×107(kg)
(3)大米投料:
1.92×107×0.30=5.8×106(kg)
(4)每次热麦汁收得率:
×1.92×107=11.0×107(kg)
热麦汁量:
11×107/1.024=10.74×107(L)
(5)冷麦汁量:
10.74×107×(1-0.04)=10.31×107(L)
(6)湿麦糟量:
[(1-0.05)×(100-75)/(100-80)]×1.34×107=1.60×107(kg)
湿米糟量:
[(1-0.10)×(100-95)/(100-80)]×5.8×106=1.31×106(kg)
总湿糖化槽量:
1.60×107+1.31×106=1.731×107(kg)
(7)酒花量为热麦汁的0.2%:
11.0×107×0.2%=2.2×105(kg)
湿酒花槽量:
(100-40)/(100-80)×2.2×105=6.6×105(kg)
(8)发酵液量:
10.31×107×(1-0.01)=10.21×107(L)
(9)过滤酒量:
10.21×107×(1-0.005)=10.16×107(L)
(10)成品酒量:
10.16×107×(1-0.020)=9.96×106(L)
二、99000t/a啤酒厂糖化车间的热量衡算
化车间的热量衡算,工艺流程示意图如图2所示。
大米粉(3203.75kg)
麦芽(640.75kg)47.2℃,20min
麦芽粉
(25607kg)
46.7℃
60min
自来水,18℃
料水比1:
4.5料水比1:
3.5
热水,50℃
12min
70℃t(℃)63℃60min
7min冷却
90℃20min100℃40min70℃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
⑴糖化用水耗热量Q1
根据工艺,糊化锅加水量为:
G1=(3203.75+640.75)×4.5=17300.25(kg)
式中3203.75为糖化一次大米粉量,640.75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:
G2=8970.5×3.5=31396.75(kg)
式中,8970.5为糖化锅投入的麦芽粉量,即9611.25-640.75=8970.5(kg)。
而9611.25为糖化一次麦芽定额量。
故糖化总用水量为:
Gw=G1+G2=17300.25+31396.75=48697(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=cwGW(t2-t1)=4.18×48697×(50-18)=6.514×106(kJ)
⑵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+Q23
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Q21
Q21=G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为含水百分率;c0为绝对谷物比热容,取c0=1.55kJ/(kg·K)
c麦芽=0.01[(100-5)×1.55+4.18×5]=1.68kJ/(kg·K)
c大米=0.01[(100-10)×1.55+4.18×10]=1.81kJ/(kg·K)
c米醪=(G大米c大米+G麦芽c麦芽+Gwcw)/G大米+G麦芽+GW)
=(3203.75×1.81+640.75×1.68+17300.25×4.18)/(3203.75+640.75+17300.25)=3.75kJ/(kg·K)
(2)米醪的初温t0设原料的初温为18℃,而热水为50℃,则
t0=[(G大米c大米+G麦芽c麦芽)×18+GWcW×50]/(G米醪c米醪)
=[(3203.75×1.81+640.75×1.68)×18+17300.25×4.18×50]/(21144.75×3.75)=47.2℃
其中G米醪=G大米+G麦芽+G1=3203.75+640.75+17300.25=21144.75(kg)
(3)把上述结果代入Q21=G米醪*c米醪(100-t0)中,得:
Q21=21144.75×3.75×(100-47.2)=4.1867×106(kJ)
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:
V1=G米醪×5%×40/60=21144.75×5%×40/60=704.8(kg)
Q22=V1I=704.8×2257.2=1.59×106(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)=15%(4.1867×106+1.59×106)=866505(kJ)
2.4由上述结果得:
Q2=1.15(Q21+Q22)=1.15(4.1867×106+1.59×106)=6.643×106(kJ)
⑶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=(G麦芽G麦芽×18+G2
×50)/(G麦醪c麦醪)
其中G麦醪=G麦芽+G2=640.75+31396.75=32037.5(kg)
麦醪的比热容c麦醪=[(G麦芽c麦芽)+G2cW)]/G麦醪
=(640.75×1.68+31396.75×4.18)/32037.5=4.13kJ/(kg.K)
t麦醪=(G麦芽c麦芽×18+G2
×50)/(G麦醪c麦醪)
=(640.75×1.68×18+31396.75×4.18×50)/(32037.5×4.13)
=49.74℃
3.2米醪的中间温度t
G混合=G米醪+G麦醪=21144.75+32037.5=53182.25(kg)
G/米醪=G米醪-V1=21144.75-704.8=20439.95(kg)
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:
混合醪的比热容c混合=(G米醪c米醪+G麦醪c麦醪)/(G米醪+G麦醪)
=(21144.75×3.75+32037.5×4.13)/(21144.75+32037.5)=3.98kJ/(kg·K)
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)
=(53182.25×3.98×63-32037.5×4.13×49.74)/(20439.95×3.75)=88.11℃
由上述结果得Q3
Q3=G混合c混合(70-63)=53182.25×3.98×(70-63)=1.48×106(kJ)
⑷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:
G/米醪=G米醪-V1=21144.75-704.8=20439.95(kg)
故进入第二次煮沸的混合醪量为:
G混合=G/米醪+G麦醪=20439.95+32037.5=52477.45(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:
[G混合(78-70)]/[G混合(100-70)]×100%=26.7%
故Q41=26.7%G混合c混合(100-70)=0.267×52477.45×4.13×30=1.736×106(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:
GV2=26.7%G混合×5%×10/60=26.7%×52477.45×5%×10/60=117(kg)
Q42=IGV2=2257.2×117=0.264×106(kJ)
式中,I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得Q4=1.15(Q41+Q42)=2.3×106(kJ)
⑸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
G洗=12815×450/100=57667.5(kg)
Q5=G洗cW(80-18)=57667.5×4.18×62=14.945×106(kJ)
⑹麦汁煮沸过程耗热量Q6
Q6=Q61+Q62+Q63
6.1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:
G麦汁=(549/100)×12815=70354(kg)
又c麦汁=(9611.25×1.68+3203.75×1.81+12815×4.18×6.4)/(12815×7.4)=3.847kJ/(kg*K)
Q61=G麦汁c麦汁(100-70)=8.120×106(kJ),
则蒸发水分为:
GV3=70354×0.1×1.5=10553.1(kg)
Q62=IGV3=2257.2×10553.1=23.820×106(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)=36.73×106(kJ)
⑺糖化一次总耗热量Q总
Q总=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6
=(6.514+6.643+1.48+2.3+14.945+36.73)×106=68.612×106(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,I=2725.3kJ/kg,则:
D=Q总/[(I-i)×η]=33377(kg)
式中,i为相应冷凝水的焓(561.47kJ/kg);η为蒸汽的热效率,取η=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95%,故:
Qmax=Q6/(1.5×95%)=36.73×106/(1.5×95%)=25.78×106(kJ/h)
相应的最大蒸汽耗量为:
Dmax=Qmax/(I-i)=25.78×106/(2725.3-561.47)=11914(kg/h)
8.3、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99000/1500=66(t),
年耗蒸汽总量为:
D总=33377×1500=50.06×106(kg)
每吨啤酒成品耗蒸汽(对糖化):
D1=33377/66=506(kg/t)
每昼夜耗蒸汽量(生产旺季算)为:
Dd=33377×6=200262(kg/d)
(三)计算结果
表2.99000t/年啤酒厂糖化车间总物料衡算表
物料名称
单位
对100kg混合原料
100L13°淡色啤酒
糖化一次定额量
99000t/a啤酒生产量
混合原料
Kg
100
19.65
12815
1.92×107
大麦
Kg
70
13.76
8970.5
1.34×107
大米
Kg
30
5.90
3844.5
5.8×106
酒花
Kg
1.2
0.216
146.74
2.2×105
热麦汁
L
549
107.9
70354
10.74×107
冷麦汁
L
527.04
103.59
67540
10.31×107
湿糖化糟
Kg
89.875
17.67
12130
1.731×107
湿酒花糟
Kg
3.29
0.648
440.2
6.6×105
发酵液
L
521.77
102.55
66864.6
10.21×107
过滤酒
L
519.16
102.04
66530
10.16×107
成品啤酒
L
508.78
100
65199
9.96×106
备注:
13°淡色啤酒的密度为1012kg/m3
表3.99000t/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)
506
11914
200262
50.06×106
(四)问题分析与讨论
啤酒厂糖化工段的麦汁煮沸需消耗大量的热能,如果不合理利用会造成能源的浪费,所以要对煮沸过程中产生的二次蒸汽的热能回收并进行再利用。
热能回收有如下方法:
(1)带蒸汽冷凝器的热能回收系统
煮沸过程产生的二次蒸汽通过冷凝器与80℃的热水进行热交换,回收二次蒸汽的潜热,使80℃的热水升温到98℃,并用98℃的热水加热下批过滤后的麦汁,使之温升到90℃左右。
该系统设备简单,容易操作,投资少见效快,特别适合我国的国情,不论是新建厂还是原有的老厂都可采用此系统。
(2)二次蒸汽压缩的热能回收系统
煮沸过程产生的二次蒸汽通过压缩机进行压缩,使低压无法利用的二次蒸汽转化为可利用的高压蒸汽。
此系统麦汁煮沸开始时使用生蒸汽,然后使用压缩后的二次蒸汽。
该系统设备较为复杂,适合于大啤酒厂中有3~4个糖化间的工厂。
因为蒸汽压缩机的开车和停车都有一定的技术难度,对于我们国家的啤酒厂来讲,采用此项技术目前尚有一定的难度。
煮沸二次蒸汽的热能回收装置,其节能效果是相当显著的。
带热能回收的低压煮沸比常压煮沸节能56%;比低压煮沸节能43%;比带热回收的常压煮沸节能23%。
新建的糖化车间宜采用带热能回收的低压煮沸装置。
对于大多数目前常压煮沸的啤酒厂来说,可以通过技术改造,增加一套热能回收装置可以起到明显的节能效益。
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