年产0吨12度淡色啤酒厂糖化锅设计.docx

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年产0吨12度淡色啤酒厂糖化锅设计

《生物工程设备》课程设计说明书

（题目）20000t/a啤酒糖化锅的设计

年产20000吨12度淡色啤酒厂糖化锅设计

摘要

啤酒是以麦芽糖为主原料，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。

啤酒糖化锅的用途是把已降温至60-62摄氏度的糊化醪与糖化醪或曲乳液混合，在温度为60度下维持30-50min，保持流动性，使淀粉在酶的作用下变成可发酵性糖。

本次设计项目是对年产20000吨啤酒工厂糖化锅，以及其工艺流程进行设计研究且。

12度淡色啤酒是由70%的大麦芽和30%的大米酿制而成的，每日的糖化醪量为80M3。

其设计的主要内容包括糖化锅的选型（如选用圆柱形锅身，球形加热底，37M3及填充系数为70%），对糖化锅的体积及基本尺寸、糖化锅的加热面积进行计算，糖化锅搅拌器的设计、接管的设计以及锅体结构的设计。

且中附有一张设备流程图，并详细编写数据说明书。

关键字:

啤酒，糖化锅，设计，流程，说

4附录

4.1根据所设计的尺寸和结构绘制糖化锅化工设备图--------------------------------------------------------------11-

1前言

1.1设计目的意义

1985年我国是以白酒为主要酒类饮料,但由于白酒利用粮食作为原料,会大量消耗粮食,而且随着人们对健康逐渐加以重视,必然减少饮用这类烈酒,而转向饮用啤酒,使啤酒市场的发展迅速掘起,发展得相当迅速。

鉴于竞争之激烈,啤酒的质量是奠定它在消费者心目中的基础,故此,啤酒的质量必须保持稳定并需作出不断的改进。

1.2技术背景

糖化锅的设计包括工艺设计（传热和搅拌）和强度设计（强度和刚度）二部分，强度设计一般《钢制压力容器》GB150-1998或《钢铁焊接常压容器》JB735-1997进行设计。

传热和搅拌在满足糖化工艺要求前提下，尽可能降低能耗，对于糖化设备的大型化更具有重要意义。

现代糖化锅设计倾向于较低的蒸汽压力，这样可避免大温差带来的筒体内壁面结垢。

结垢既影响糖化质量，又造成传热阻力增大而引起能耗增加。

因此开发大型的现代化糖化设备，必须同时考虑传热和搅拌系统的设计。

1.2.1糖化设备的组合方式和设备的特点、作用

1.二器组合：

常见于小型啤酒厂。

由一只糖化过滤槽和一只糊化煮沸锅构成一套单式糖化系统,每天可糖化2次左右。

该套组合的特点是:

一锅二用,投资少,设备利用率高,生产效率较低。

2.四器组合

常见于中型啤酒厂。

由糊化锅、糖化锅、过滤槽和煮沸锅4只专用设备构成一套复式糖化系统,每天可糖化4次左右。

该套组合的特点是设备分工明确,利用率极不均衡。

3.五器组合

常见于中型啤酒厂的技术改造中。

在四器组合的基础上,增加一只暂贮罐,用于暂贮过滤后的麦汁,以此缩短等待煮沸锅的时间,提高整个系统的生产效率,使每天的糖化能力增加到6次。

4.六器组合

常见于大型啤酒厂。

随着发酵工艺技术的不断发展,对糖化工艺的要求也越来越高。

在单批产量一定的前提下,须实现尽可能多的日糖化批次,才能满足发酵工艺技术要求。

因此,在四器组合的基础上,再添一只过滤槽和一只煮沸锅就构成了一套六器组合的双元糖化系统,每天可糖化8次左右,该套组合的特点是糊化锅与糖化锅的利用率已达到极限。

5.新四器组合

这是笔者在实践中对某厂原二器组合糖化系统进行技术改造中尝试过的一种全新的组合方式。

在原有糖化过滤槽和糊化煮沸锅（改造后分别作过滤槽和糊化锅）的基础上,新增2只性能结构完全相同的糖化煮沸锅（使用中分别交替作糖化锅和煮沸锅）共同构成一套四器组合的双元糖化系统,每天可糖化5次以上。

该套组合的特点是设备的平均利用率较高。

2基本工艺条件

2.1生产规模：

年产量为20000T的生产属于中小规模，在生产旺季每一天的糖化次数按5次进行，在生产淡季每一天的糖化次数按2次进行。

2.2物料参数

2.2.1麦芽糖化力与辅料比

麦芽糖化力与辅料比

麦芽糖化力（wk）

辅料比（%）

>=200

35--38

.>=250

38--42

>=250库值>=40%

42--45

通常情况下每公斤混合原料应含有1500—200wk糖化力。

中等发酵糖化力>=1500wk。

高发酵糖化力>=2000wk。

2.2.2麦汁中a—AN量与啤酒中双乙酰含量关系

麦汁中a—AN量与啤酒中双乙酰含量关系

a-AN（mg/L）

143.5

150.1

157

161.8

166

173

176

183.3

182

VDK（mg/L）

0.39

0.31

0.25

0.24

0.24

0.15

0.13

0.12

0.11

麦汁中a—AN含量，每度麦汁平均氨含量控制在15mg/L，从而可以判定：

13度P麦汁氨基氮含量>=195mg/L

12度P麦汁氨基氮含量>=180mg/L

11度P麦汁氨基氮含量>=165mg/L

10度P麦汁氨基氮含量>=150mg/L

为了安全起见，生产中可以增加5%-10%氨基氨。

以保证酵母正常发酵。

2.2.3混合后的麦芽质量限定要求：

麦芽汁质量限定值

特征值

最佳范围

极限范围

库尔巴哈值（%）

38--40

30--33

哈同值（%）

>=35

>=32

总氨（干）%

9--12

8--14

a—AN（mg/L）

>=140

>=100

糖化力（wk）

>=200

>=150

2.2.4溶解过度麦芽与溶解不良麦芽混配比取3:

2

2.2.5溶解良好的麦芽与溶解不良好麦芽混配比取3:

1

2.2.6糖化料水比的确定：

糖化料水比决定了糖化醪浓度，从而影响到酶活性，麦汁收得率及其麦汁组成成分。

就淡色啤酒而言，料水比控制在1:

4—5，第一麦汁度不超过16%为宜。

3设备设计计算及说明

3.1糖化锅总体积的确定

根据所给条件得，所选的糖化锅为圆柱形锅身，球形加热底，且V=37M3

3.2糖化锅基本尺寸的计算

采用圆柱形锅身，直径D是柱高H的2倍，锅底为半球形，锅底高位D/4,则：

得D=4.43m，H=2.21m，h=1.10，取D=4430mm，H=2210mm，h=1105mm。

升气管

H＝

D＝2210mm糖化锅升气管的直径为d，根据工艺要求

～

取升气管面积为料液面积的1/40,设升气管直径为d，则

，得d=0.700m，取整d=700mm

校核：

V有效＝πD2H/4=34.05M3<37M3

3.3.糖化锅加热面积的计算

3.3.1垂直壁上蒸汽冷凝的传热系数的计算

3.3.2蒸汽夹套加热面至糊化料液的传热系数的计算

3.3.3总传热系数K值的确定

3.3.4对数平均温度差的计算

TF—主发酵时的发酵温度，℃；T1、T2—分别为冷却水进出口温度，℃

ΔTm=7.2℃

3.3.5加热面积的计算

Q=1.85×10^12F=68121964.15

3.4搅拌器的设计

搅拌器设计采用近似折叶桨式搅拌器

根据设计要求

D—搅拌器直径D0—糖化锅直径B—搅拌桨叶宽度

则D＝0.7D0＝3101mmB＝0.04D0＝172mm

3.4.1雷诺准数的计算

Re＝

＝

D—搅拌器搅拌叶直径γ—醪液容重n—搅拌器转速μ—液体绝对粘度

ρ—醪液密度取μ＝2厘泊＝0.002kg/m.s

本设计搅拌器转速取n＝30r/min＝0.5r/s

查《啤酒工业手册》下P423γ＝1068kg/m3

则Re＝2575294

3.4.2功率准数的计算

Np＝

式中A、B′、p均可查《啤酒工业手册》下图得到

其中θ—搅拌叶与旋转平面所成的角度本设计为60°

H为锅内液面高度

H＝（21.31*4）/（3.14*4.43^2）＝1.4

查图得A＝21.5B′＝0.41p＝1则将数据代入公式得

Np＝0.095

3.4.3搅拌器功率

N需＝

＝1.7KW

电机功

N电＝

＝8.13KW

中K＝1.2～1.4取1.2K1＝1.1～1.3取1.3η总＝0.4

若取K＝1.4则N电＝9.49KW

所以本设计采用10KW电机

3.4.4电机相关选型

查《材料与零部件》中P856

选用JO2系列小型鼠笼型电动机

电机

型号

额定数据

功率

因数

功率

%

启动

电流

额定

电流

启动

转矩

额定

起矩

最大

转矩

额定

转矩

重量

kg

JO2-

71-6

容量

KW

额定

电压V

电流

A

转速

r/min

10

380

34.8

970

0.84

88.5

6.5

1.4

1.8

236

电机选用轴承：

查《材料与零部件》中P854

机座号非轴伸端1000r/min

71311

轴承选型：

《材料与零部件》中P389

轴承型号dDbrd1D1akr重量kg

31155120293651105621.37

减速器选用卧式蜗轮减速器查《材料与零部件》下P612

查表4-24-100选用PЧH—180型减速器重量182kg

联轴器查《材料与零部件》中P567

选用联轴器型号为∶SB1101/24-65-4

3.5接管设计

3.5.1糖化锅排醪管

查《化工原理》上可知，水及低粘度液体的流速范围为1.5—3.0m/s，则取醪液流速为2m/s，工艺设计放醪时间10min，糖化醪有效体积为34.05M3

则πD2/4*2m/s*600s=34.05

D=0.19m=190mms=4.5mmL=150mm

3.5.2糖化醪出口罐

至糊化锅的醪液量为：

V=80M3。

取醪液密度为1068Kg/M3醪液流速为u=2.0m/s工艺设计出醪的时间为90min。

πD2/4*2m/s*5400s=80M3

D=0.0971取整D=97mm，s=4.5mmL=150mm

3.6锅体结构设计

3.6.1.设备材料的选择

糖化锅锅身采用不锈钢材料1Cr18Ni9Ti锅底采用紫铜板锅低夹套采用不锈钢1Cr18Ni9Ti

3.6.2工作压力

锅内最高工作压力P最高＝P0＋ρghh—锅内液面高度

P最高工作＝1.01×105＋1068×9.81×1.4

＝1.16×105

3.6.3锅身壁厚的计算

锅身采用不锈钢材料1Cr18Ni9Ti查《化工设备机械基础》P299附表5

σb＝520MPσs＝206MP查《化工设备机械基础》P91得钢材的安全系数ｎb≥3.0ｎs≥1.5

则[σ]t＝σb/ｎb＝173MP

＝σs/ｎs＝137MP

取二者中较小者所以[δ]t＝137MP

查《化工设备机械基础》P92焊接接头系数φ＝0.8则

Se=PcD/[（2[σ]t）φ-P]=2.21mm

则Sn＝Se＋C1＋C2＝2.46mmC1＝0.25C2＝0

查《化工设备机械基础》P95圆整取Sn＝12mm

水压实验

σT＝

＝1.25*0.121*1*（3870+2.46）/2*2.21＝132.51MP

0.9φσs＝0.9×0.8×206＝148.32MP＞132.51MP

满足设计强度要求

锥形封头采用与锅身同一规格设计。

3.6.4锅底壁厚的计算

查《化工设备机械基础》P8紫铜的导热系数λ＝384.95

弹性模量E＝1.12×105

夹套中通入的蒸汽压力为0.3MP而锅内最高工作压力为0.121MP所以计算锅底厚度采用外压容器壁厚计算方法计算

设锅底厚度为20mm

夹套蒸汽P＝0.3MPPc＝1.1P＝0.33MP

锅底外半径：

R0＝

Di＋Se＝3780/2＋20＝1910mm

A＝

＝0.125/（1910/20）＝0.00131

B＝2/3×1.12×105×0.00131＝97.8MP

[P]＝97.8/（3.78/0.02）＝0.517MP＞P＝0.3MP且十分接近P

所以取Se＝20mm

则Sn＝Se＋C＝20mmC＝0

3.6.5加热夹套设计

夹套采用的是和锅身一样的不锈钢材料1Cr18Ni9Ti

S＝

＝[4430*0.3/（4*137*0.8-0.3）]+0.25

＝2.84

取C1＝0.25

Sn＝S＋C=2.87+1=3.87mm

在材料加工是取夹套厚度为10mm

3.6.6支座设计

3.6.6.1锅体重量的计算

锅体重量分为：

升汽筒，锥形封头，锅身，锅底，夹套的重量的总和。

升汽筒重量的计算：

升汽筒式一个不锈钢圆筒。

选用厚度8mm长度：

13.70m直径为：

700mm

V＝3.14×[（0.708/2）2－（0.7/2）2]×13.7＝0.12m3

查《化工设备设计基础》P291材料密度为：

7900kg/m3

m1＝0.12×7900＝948kg

锥形封头重量的计算：

锥形封头是采用的120°锥形。

高为：

1.27m直径为：

4.43m厚度取与锅身一样的12mm近似算作圆锥的体积。

则

V＝

×3.14[（4.442/2）2－（4.43/2）2]×1.27＝0.03m3

m2＝0.03×7900＝238.5kg

锅身重量的计算

锅身是圆筒形厚：

12mm高：

1.89m直径：

4.43m

V＝3.14×[（4.442/2）2－（4.43/2）2]×1.89＝0.135m3

m3＝0.135×7900＝1065.0kg

锅底重量的计算

锅底采用略带锥形的平底，采用紫铜作材料。

厚度：

20m直径：

4.43m近似看作平底计算。

查《化工设备机械基础》P8得紫铜的密度为：

8900kg/m3

V＝3.14×（4.43/2）2×0.02＝0.308m3

m4＝0.308×8900＝2741.2kg

夹套重量的计算

夹套也使采用略带锥形的平底，采用不锈钢做材料。

厚度：

12mm直径：

4.48m

近似看作平底计算。

V＝3.14×（4.48/2）2×0.012＝0.189m3

m5＝0.189×7900＝1493.1kg

锅体总重量计算

M＝948＋238.5＋1065＋2741.2＋1493.1＝6486kg

糖化一次的糖化醪量为：

60*1068=64080kg

则糖化一次糖化锅的总重量为：

M总＝6486＋64080＝70566kg

3.6.6.2支座的选取：

查《化工设备设计基础》

选用B型耳式支座

糖化锅示意图

注：

锅身直径D=4.43m,高H=2.21m,排气管直径d=0.700m,锅底高=1.105m

搅拌直径D=3.101m,宽度B=0.172，锅壁厚度d=0.020m

参考文献

[1]管敦仪.啤酒工业手册[M].中国轻工业出版社，1998.

[2]梁士中.生物工程设备[M].中国轻工业出版社，2011.1.

[3]吴思方.发酵工厂工艺设计概论[M].中国轻工业出版社，1995.7.

[4]顾国贤.酿造酒工艺学[M].中国轻工业出版社，1996.12.

[5]中国石化集团上海工程有限公司编.化工工艺设计手册（上）[M].化学工业出版2002.8.

[6]杨祖荣.化工原理.化工工艺出版社

[7]《化工设备设计全书》

[8]《机械工程手册》（第二版）

[9]《材料与零部件》

D=4.43mH=2.21m77

D=3.101m2.21m2.21m1.105m1.105m

不蒸冷

凝气凝

气入水

出口出

口口

不蒸冷

凝气凝

气入水

出口出

口口