课程设计年产五万吨啤酒工厂设计.docx
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课程设计年产五万吨啤酒工厂设计
课程设计说明书
项目名称：
年产五万吨啤酒工厂设计
———发酵车间的工艺设计
设计人：
李若铭
同组成员：
谭文梁威
李明草
班级组别：
070912
指导老师：
王莉
设计时间：
2011.2.
摘要：
随着经济的发展，人们生活水平的不断提高，啤酒作为一种时尚的饮料深受消费者的欢迎，其市场需求已经越来越大。
本论文综合运用了大学期间所学的学科，针对啤酒的发酵工艺进行了设计。
本文主要从啤酒的发酵工艺设计论述，物料衡算，热量衡算，水平衡的计算，设备的设计与选型等几个方面来进行论述。
关键词：
啤酒发酵工艺设计
年产五万吨啤酒工厂设计
———发酵车间的工艺设计
绪论
现代科学研究表明，啤酒含有十七种氨基酸，多种维生素及碳水化合物矿物盐等物质。
每升啤酒的热量可达430卡，相当于六七枚鸡蛋。
被世界营养协会组织认为营养食品。
素有“液体面包”之称。
啤酒中含有的各种成分既有较高的营养价值，又有良好的要用效果，啤酒中酒精含量较低，非但对胃和肝脏没有损害，而且可以平缓促进人体血液循环，维生素B1，B6亦能维持心脏活动，而烟酸也能扩张血管，故它们对心血管系统有益，可加速新陈代谢。
啤酒中的矿物盐，对人体组织细胞的代谢起着调节作用。
有利于人体必需水分的摄取吸收，啤酒所含酒花素、胃液和胆汁分泌、健胃益脾，又可治疗肺和淋巴结核，还能促进伤口愈合和烧伤者痊愈。
神经衰弱者采用“啤酒疗法”即饭后半小时和睡前各饮啤酒半瓶（约320mL）,30日为一疗程，效果显著。
贫血者常饮啤酒能促进红细胞的生长，增强造血功能。
特别是冬季饮用温啤酒，会使人周身发热，中、老年人最为适宜。
中国加入世贸组织后，由此带来的市场形势的变化，将使中国啤酒业逐步走向公平、公正、合理的发展方向发展。
更为重要的是，中国啤酒市场呈现了飞速发展的态势。
已经超过了美国，成为世界最大的啤酒消费市场。
第一章设计目的任务及标准
1.1设计任务的意义
本文主要介绍年产50000吨啤酒厂发酵车间工艺设计的一种思路，对啤酒的生产工艺流程进行研究，其中包括10度啤酒的配方和工艺流程及其论证，物料平衡和设备的计算及其选型，本设计采用先进的工艺流程对生产工艺、物料和能量的节约型和对重点工段的设备选型做了重点介绍。
同时，考虑系统的灵活性、经济性，及安全、环保要求，并降低交叉污染的几率等。
根据啤酒生产的特点对其结构布局进行合理设计，使得生产车间尽量紧凑、物料及能源输送距离尽量缩短，从而有效的节约资源、降低生产成本。
本文针对啤酒发酵特点进行物料衡算，对你啤酒厂发酵车间进行了热量衡算，使得生产的各环节能够有效结合，便于提高能源的利用率。
1．2设计要求和基本内容
1）厂址选择的原则a.可靠地水源：
水质，水量b.便利的交通：
原材料，成品c.尽可能靠近已有的热、电源、劳动力市场和啤酒销售区域，以充分取得企业协作的条件d.厂址地质耐力宜在20吨/平方米以上，可节约基础工程投资e.啤酒厂的综合利用以及废料的处理及堆放场地
2）厂址选择结果综合各种因素，初步选择商丘近郊作为啤酒厂的厂址。
这样，原料购买运输不成问题，产品又能及时的销往各中心城市，交通较为方便，是较为理想的选择。
1．3设计指导思想
1．3.1在设备方面，采用先进技术及机械化、自动化生产控制，提高劳动生产率，认真吸取和借鉴国内外各种产品生产的成熟新工艺,新设备，新技术。
1．3.2在经济上，要做到合理利用资源，降低能耗，减少污染，保护环境，减少浪费。
1．3.3设计出来的啤酒厂要求投资小、技术高、运行稳定、管理方便、环境好。
最重要的一点是生产成本低。
在工艺方面，力求合理性和先进性；
1．4设计依据：
1.4.1酿造酒工艺学课程设计指导书。
1.4.2酿造酒工艺学课程设计任务书。
1.4.3《发酵工艺原理》、《发酵工厂工艺设计概论》、及生物工程专业基础班理论课本等参考资料
1．5可行性报告：
1．5.1项目内容
本研究是对啤酒生产的发酵车间进行仪器布置，物料衡算，经济核算等方面的内容。
1．5.2项目提出的背景及建设必要性[1]
自中国几十年的改革开放，人民的消费水平不断提升，其中啤酒的消费也大增。
自2002年中国取代美国夺得啤酒消费第一的宝座，也就预示着啤酒产业的大规模生产有其巨大的经济效益。
同时2007年至2010年，啤酒行业面临着较好的发展机遇：
北京奥运会、上海世博会等各种国际交流接踵而来，国民经济持续快速发展和城市生活水平的提高，人民消费能力进一步的提升，西部大开发、振兴东北老工业基地、促进中部崛起和建设社会主义新农村等重大发展战略，都给行业发展创造了巨大的需求空间，为啤酒行业创造了新的发展机遇。
此外，全球经济和区域经济一体化进程的加快，还将为我国啤酒行业在全球更大范围内的资源配置、开拓市场创造了新的利润增长空间。
啤酒产量增长迅速。
1．5.3设计范围
1.确定工艺流程及生产操作条件
2.工艺及其主要设备（物料衡算、设备计算，总经济核算）
3.绘制生产工艺流程图
第二章工艺流程设计
2.1车间布置
1.厂房的整体布置和轮廓设计本次设计针对大罐发酵工艺的啤酒厂，所以选用露天发酵，即发酵罐均布置露天，除发酵罐和清酒罐，其他附属设备均置于厂房中。
2.厂房的立面布置因为厂房内最高的麦汁杀菌罐差不多也有7.2m高，为了空间足够，又柱顶标高为3000mm的倍数，所以选取单层厂房的高为9m，另外发酵罐虽为露天，修筑5.00m高的围墙将其围住。
3.厂房的平面布置厂房的平面布置形式，需按生产车间的组成和工艺要求以及建筑本身的可能性和合理性综合考虑，发酵工厂厂房外形多样，采用长方形设计。
单层厂房平面柱网的选择柱子的纵向横向定位轴线和相交，在平面上排列所构成的网络称为柱网，柱网是用来表示厂房跨度和柱距的。
厂房外发酵罐的围墙长宽都大于18m，所以跨度和柱距都为6000mm。
4.另外在厂房附近打口井，以供车间用水
2.2设备布置选取
1.发酵设备发酵罐数量较多，车间布置形式沿车间长度方向呈四条直线对称整齐排列，发酵罐间距离1.5m，离墙距离也为1.5m，锥底离地面距离大概1.5m。
2.泵是发酵工厂使用较多。
按普通流体输送设备，泵也集中分布在一条直线上，泵头部集中于一侧。
泵与泵的间距视泵的大小而定，一般不宜于小于0.7m，双排泵之间的间距不宜小于2m。
泵还应布置在高出地面30mm的基础上。
3.过滤机硅藻土过滤机一般布置在室内，以便过滤、清洗、出料等操作交替进行。
设备布置所占用的面积，一般在过滤机周围要留出一个过滤机宽度的地方，便于小车通行和工作人员操作。
4.其他罐总的来说，罐与罐之间的距离在1.5m以上，罐与墙距离至少为1.5m,符合要求。
5.门、楼梯门选用1800mm的双开门一个，休息室和控制室为1200mm。
因为厂房为单层，只需一个到发酵罐二楼的楼梯即可
2．3主要工艺参数
年生产天数：
340天
原料利用率：
98%
麦芽、大米配比：
70%、30%
啤酒总损失率：
12%
其中：
冷却损失率7%
发酵损失率2%
过滤包装损失率3%
酵母添加量：
0.5-0.8%
锥形罐装料系数：
85%
发酵温度：
9℃
主要发酵时间：
3-5d
发酵周期：
25d
包装灌装班次2班（每班8h）
2.4发酵工艺流程示意图
2.550000t/a啤酒厂发酵车间的物料衡算和耗冷量衡算
啤酒发酵工艺有上面发酵和下面发酵两大类，而后者有传统的发酵槽发酵和锥形罐发酵等之分。
不同的发酵工艺，其耗冷量也随之改变。
下面以目前我国应用最普遍的锥形罐发酵工艺进行50000t/a啤酒厂发酵车间的耗冷量计算。
2.5.1工艺技术指标及基础数据
根据表1的基础数据，首先进行100kg原料生产10°淡色啤酒的物料计算，然后进行100L10°淡色啤酒的物料衡算，最后进行50000t/a啤酒厂糖化车间的物料平衡计算。
表1啤酒生产基础数据
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
78
原料配比
麦芽
70
大米
30
无水大米
浸出率
90
啤酒损失率（对热麦汁）
冷却损失
7
发酵损失
2
原料利用率
98
过滤损失
1
麦芽水分
6
装瓶损失
2
大米水分
12
总损失
12
2.5.2100kg原料（70%麦芽，30%大米）生产10°淡色啤酒的物料衡算
（1）热麦计算根据表1可得到原料收率分别为：
麦芽收率为：
78%×（100-6）%=73.32%
大米收率为：
90%×（100-12）%=79.2%
混合原料收得率为：
（0.70×73.32%+0.30×79.2%）98%=73.58%
由上述可得100kg混合料原料可制得的10°热麦汁量为：
（73.58%×100）÷10%=735.8（kg）
又知10°麦汁在20℃时的相对密度为1.084，而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：
735.8÷（1.084×1000）×1000×1.04=705.93（L）
（2）冷麦汁量为：
705.93×（1-0.07）=656.52（L）
（3）发酵液量为：
656.52×（1-0.02）=643.39（L）
（4）过滤酒量为：
643.39×（1-0.01）=636.95（L）
（5）成品啤酒量为：
636.95×（1-0.02）=624.22（L）
2.5.3生产100L10°淡色啤酒的物料衡算
根据上述衡算结果知，100kg混合原料可生产10°淡色成品啤酒624.22L，故可得以下结果：
（1）生产100L10°淡色啤酒需耗混合原料量为：
（100/624.22）×100=16.02（kg）
（2）麦芽耗用量为：
16.02×70%=11.21（kg）
（3）大米耗用量为：
16.02-11.21=4.81（kg）
（4）酒花耗用量：
对浅色啤酒，热麦汁中加入的酒花量为0.2%，故为：
（100/624.22）×735.8×0.2%=0.24（kg）
（5）热麦汁量为：
（16.02/100）×705.93=113.09（L）
（6）冷麦汁量为：
（16.02/100）×656.52=105.18（L）
（7）湿糖化糟量设热电厂出的湿麦芽糟水分含量为80%，则湿麦芽糟量为：
[（1-0.06）（100-78）/（100-80）]×11.21=11.59（kg）
而湿大米糟量为：
[（1-0.12）（100-90）/（100-80）]×4.81=2.12（kg）
故湿糖化糟量为：
11.59+2.12=13.71（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%，则酒花糟量为：
[（100-40）/（100-80）]×0.24=0.72（kg）
年产10°淡色啤酒50000t;旺季每天糖化13次，淡季为7次，每年共糖化3000次;主发酵时间10天；
4锅麦汁装1个锥形罐；由此可计算出每次投料量及其他项目的物料平衡。
把述的有关啤酒厂酿造车间的三项物料衡算计算结果，整理成物料衡算表，如表2所示。
表2啤酒厂酿造车间物料衡算表
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
50000t/a啤酒生产
混合原料
Kg
100
16.02
2638.34
7.91×106
大麦
Kg
70
11.21
1846.84
5.54×106
大米
Kg
30
4.81
791.5
2.375×106
酒花
Kg
1.50
0.24
39.53
11.87×104
热麦汁
L
705.93
113.09
18628.71
55.88×106
冷麦汁
L
656.52
105.18
17324.7
51.98×106
湿糖化糟
Kg
72.35
11.59
1909.24
5.73×106
湿酒花糟
Kg
4.50
0.72
118.60
3．55×105
发酵液
L
643.39
103.07
16978.35
50.93×106
过滤酒
L
636.95
102.04
16808.4
50.43×106
成品啤酒
L
624.22
100.00
16469.04
49.4×106
备注：
10度淡色啤酒的密度为1012kg/m3
10°Bx麦汁比热容c1=4.0KJ/（kgK）；
冷媒用15%酒精溶液，其比热容可视为c2=4.18KJ/（kgK）；
麦芽糖化厌氧发酵热q=613.6kJ/kg；
麦汁发酵度60%。
2.5.4麦汁冷却耗冷量Q1
根据发酵车间耗冷性质，可分成工艺耗冷量和非工艺耗冷量两类，、
即：
（1）
近几年来普遍使用一段式串联逆流式麦汁冷却方法。
使用的冷却介质为2℃的冷冻水，出口的温度为85℃。
糖化车间送来的热麦汁温度为94℃，冷却至发酵起始温度6℃。
根据表2啤酒生产物衡算表，可知每糖化一次热麦汁20053L，而相应的麦汁密度为1048kg/m3,故麦汁量为：
G=1048×18.62871=19522.89（kg）
又知100Bx麦汁比热容C1=4.0KJ/（Kg·k）,工艺要求在1h小时内完成冷却过程，则所耗冷量为：
Q1=[GC（t1-t2）]/τ
（2）
=[19522.89×4.0（94-6）]/1
=6872056.61（KJ/h）
式中t1和t2——分别表示麦汁冷却前后温度（℃）
τ——冷却操作过程时间（h）
根据设计结果，每个锥形发酵罐装4锅麦汁，则麦汁冷却每罐耗冷量为：
Qf=4Q1=4×6872056.61=27488226.42（kJ）（3）
相应地冷冻介质（2℃的冷冻水）耗量为：
Mf=Q1/[Cm（t4-t3）]=6872056.61/[4.18（85-2）]=19807.62（kg/h）（4）
式中，t3和t4——分别表示冷冻水的初温和终温（℃）
Cm——水的比热容[KJ/（kg·K）]
2.5.5发酵耗冷量Q2
（1）发酵期间发酵放热Q21，假定麦汁固形均为麦芽糖，而麦芽糖的厌氧发酵房热量为613.6kJ/kg。
设发酵度为60%，则1L麦汁放热量为：
q0=613.6×10%×60%=36.82（kJ）
根据物料衡算，每锅麦汁的冷麦汁量为17324.7L,则每锥形缺罐发酵放热量为：
Q01=36.82×17324.7×4=2551581.82（kJ）
由于工艺规定主发酵时间为6天，每天糖化13锅麦汁（旺季），并考虑到发酵放热不平衡，取系数1.5,忽略主发酵的升温，则发酵高温时期耗冷量为：
Q21=（Q01×1.5×7）/（24×6×4）
=（2551581.82×1.5×7）/（24×6×4）]
=46513.21（kJ/h）
（2）发酵后期发酵液降温耗Q22主发酵后期，发酵后期，发酵液温度从6℃缓降到-1℃。
每天单罐降温耗冷量为：
Q02=4GC1[6-（-1）]=4×19522.89×4.0×7=2186563.68（KJ）（5）
工艺要求此过程在2天内完成，则耗冷量为（麦汁每天装1.5个锥形罐）：
Q22=（1.5Q02）/（24×2）=（1.5×2186563.68）/（24×2）=68330.12（KJ/h）（6）
（3）发酵总耗冷量Q2
Q2=Q21+Q22=46513.21+68330.12=114843.33（kJ/h）（7）
（4）每罐用冷媒耗冷量Q0
Q0=Q01+Q02=2551581.82+2186563.68=4738145.5kg/h（8）
（5）发酵用冷媒耗（循环量）M2发酵全过程冷却用稀酒精液作冷却介质，进出口温度为-8℃和0℃，故耗冷媒量为：
M2=Q2/（Cm×8）=114843.33/（4.18×8）=3434.31kg/h（9）
2.5.6酵母洗涤用冷无菌水冷却的耗冷量Q3
在锥形罐啤酒发酵过程，主发酵结束时要排放部分酵母，经洗涤活化后重复用于新麦汁的发酵，一般可重复使用5—7次。
设湿酵母添加量为麦汁量的1.0%，且使用1℃的无菌水洗涤，洗涤无菌水量为酵母量的3倍。
冷却前无菌水温30℃。
用-8℃的酒精液作冷地介质。
由中述条件，可得无菌水用量为：
Gw′=19522.89×6×1.0%×3=3514.12（kg/d）
式中19522.89——糖化一次的冷麦汁量（kg）
每班无菌水量：
Gw=Gw′/3=3514.12/3=1171.37（kg/每班）（10）
假无菌水冷却操作在2h小时内完成，则无菌水冷却耗量为：
Q3=[GwGm（tw-tw′）]/r=[1171.37×4.18×（30-1）]/2=70996.94（kg/h）（11）
所耗冷冻介质量为：
M3=Q3[cw（t2-t1）]/r=70996.94（4.18×8）=2374137.73（kg/h）（12）
式中，t1和t2——冷冻酒精液热交换前后的温度，分别为-8℃和0℃。
每罐用于酵母洗涤的耗冷量：
Q3=[GwGm（tw-tw′）]/1.5=[1171.37×4.18×（30-1）]/1.5（13）
=94662.31（kJ）
式中1.5——每班装罐1.5罐
2.5.7酵母培养耗冷量Q4
根据工艺设计，每月需进行一次酵母纯培养，培养时间为12d，即288h。
根据工厂实践，年产50000t啤酒培养冷量为60700（Kj/h），则
对应的年冷耗量为：
Q4’=Q4×288×10=1.20×108（KJ）（14）
相应的高峰冷冻介质循环量为：
M4=Q4/[cw（t1-t2）]=60700/（4.18×8）
=1815.20（kg/h）
2.5.8发酵车间工艺耗冷量Qt
综上计算，可算出发酵车间的工艺耗冷量为：
Qt=Q1＋Q2＋Q3＋Q4=6872056.61＋114843.33＋70996.94＋60770（15）
=7118656.88（Kj/h）
2.5.9非工艺耗冷量Qnt
除了上述的发酵过程工艺耗冷量外，发酵罐外壁、运转机械、维护结构及管道等均会耗用或散失冷量，构成所谓的非工艺耗冷量，现分别介绍。
2.5.10露天锥形罐冷量散失Q5
锥形罐啤酒发酵工厂几乎都把发酵罐置天露天，由于太阳辐射，对流传热和热传导等造成冷量散失。
通常，这部分的冷量由经验数据坟取。
根据经验，年产5万吨啤酒厂露天锥形罐的冷量在22500-50000kJ/t啤酒之间，若在南方亚热地区设厂，可取高值。
故旺季生天耗冷量为：
（16）
式中，Gb——旺季成品啤酒日产量（t）
若白天日晒高峰耗冷为平均每小时耗冷量的2倍，则高峰耗冷量为：
（17）
冷媒（-8℃稀酒精）用量：
（18）
2.5.11清酒罐、过滤机及管道等散失冷量Q6
因涉及的设备、管路很多，若按前面介绍的公式计算，十分繁杂，故啤酒厂设计时往往根据实验经验选取。
通常，取
，所以：
Q6=12％Qt=12％×7118656.88=854238.83（KJ/h）（19）
冷媒（-8℃稀酒精）用量：
M6=Q6/[cw（t2-t1）]=854238.83/（4.18×8）=25545.42（KJ/h）（20）
2.5.1250000t/a啤酒厂发酵车间冷量衡算表
将上述计算结果，整理后可得50000t/a啤酒厂发酵车间冷量衡算表，如表3：
表3啤酒厂发酵车间冷量衡算表
耗冷分类
耗冷项目
每小时耗冷量（kJ/h）
冷媒用量
（kJ/h）
每罐耗冷
（kJ）
年耗冷量
（kJ）
工
艺
耗
冷
量
麦汁冷却Q1
6872056.61
19807.62（M1）
27488226.42
1.20×108
发酵耗冷Q2
114843.33
3434.31（M2）
4738145.5
9.42×108
无菌水冷却Q3
70996.94
2374137.73（M3）
94662.31
1.73×108
酵母培养Q4
60700
1815.20（M4）
284320.55
12.5×108
工艺总耗冷Qt
7118656.88
—————
32605354.8
24.85×108
非工艺
耗冷量
锥形罐冷损Q5
1054200
31525.12（M5）
1600000
8.72×108
管道等冷损Q6
854238.83
25545.42（M6）
4200042.36
26.8×108
非工艺总耗冷Qnt
1021963.63
—————
5800042.36
21.33×108
合计
总耗冷Q
10049059.3
—————
38405397.2
8.17×109
单耗
163400kJ/t啤酒
2.6主要工艺设备选型计算
（1）发酵罐容积计算
根据啤酒生产工艺，二次煮出糖化法为间歇生产，因锥形罐容量较大，糖化冷麦汁需分批在24小时内装满罐。
年生产天数340天，旺季每天糖化13次，而淡季每天糖化8次，考虑到生产的灵活性，选取每天4批糖化冷麦汁量为发酵罐的有效容积：
V有效=48520.208X4=194.08m3
发酵罐的填充系数为Φ=0.85，则全容积为：
V全=V有效/Φ=228m3
发酵罐采用椭圆封头、圆形筒体和圆锥形底，则：
V全=（π∕6）D2ha+（π∕4）D2ha+（π∕4）D2H+（1∕3）（π∕4）D2h1
取筒体H=2D，封头高ha=（1∕4）D，封头折边高hb=50mm，圆锥形底角60°圆锥形底高：
h1=（D∕2）tan30°=0.866D，代入上式得
V全=1.929D3=228
为方便计算，封头折边可忽略不计，则有V全=1.929D3=228
解得D=4.45m，筒体H=2D=9m，封头高ha=（1∕4）D=1.1m
（2）发酵罐个数确定
设发酵周期为25天，每天加料1罐（糖化4次），发酵罐个数为：
N=[tXn]∕a]+3=47个，（其中3个备用）
t：
发酵周期n：
每天糖化次数a：
每个发酵罐可容纳的麦汁批次数
2.7主要设备一览表[3]
序号
设备编号
名称
设备选型
数量
备注
1
2001——2006
锥形发酵罐
Φ4000X8000
47台
2
2007
取样器
15台
3
2008
集中取样器
1台
4
2009
烛式过滤机
1台
5
2010
急速冷却机
2台
6
2011
硅藻土过滤机
2台
7
2012
膜式过滤机
2台
8
2013
高浓度稀释机
2台
9
2014
清酒罐
5台
10
2015
储酒罐
50台
第三章经济核算
3.1设备核算
锥形发酵罐:
47台×110000=5170000元
取样器:
45台×130=5850元
集中取样器：
10台×380=3800元
烛式过滤机：
10台×1900=19000元
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