啤酒厂糖化罐设计（10t）.doc

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1、发酵工程课程设计 题目： 啤酒厂糖化罐设计（10t）院系： 化学工程与技术学院组别： 第一组班级： 生物工程0801姓名： 马红霞学号： 200822153034指导老师： 杨忠华目录1前言22课程设计任务33设计方案的拟定34几何尺寸的确定34.1 机械搅拌通风式生物反应器的总体结构34.2 几何尺寸的确定45罐体主要部件尺寸的计算及型号选择65.1罐体65.2罐体壁厚65.3封头壁厚计算65.4搅拌器75.5人孔和视镜75.6接口管85.7轴封85.8除沫装置95.9支座选择96冷却装置设计106.1冷却方式106.2热量的相关计算107搅拌器轴功率的计算147.1不通气条件下轴功率的计算

2、147.2 通气搅拌功率的计算157.3电机及变速装置的选用158参考文献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

3、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

4、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，

5、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 糖化锅热水50 大米粉 麦芽粉 料水比14.5 料水比 13.5 麦芽粉 46.7,30min 20min 10min 70， 10min t 65,20min 20min 冷却 5min 10min92, 30min 100 10min 68，20min 10min 糖化结束 75 1005.1 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x kg,麦芽用料为y kg。则糊

6、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=6193kg y=14450kg糊化锅中所加的麦芽料为20%x=1238.6kg5.

7、2 糖化用水量的计算根据工艺，糊化锅加水量为:G1（6193+1238.6）4.533442.2kg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)3.546239.9kg式中,13311.4kg为糖化一次糖化锅投入的麦芽量，即 14550-1238.613311.4kg综上所述，糖化总用水量为：GwG1G233442.246239.9= 79682.1kg6. 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t18，而糖化配料用水温度t50 比热容 Cw 4.18kJ/kg

8、.K 1故耗热量Q1GwCw(tt)79682.14.18(5018)10658277.7kJ6.2第一次米醪煮沸耗热量Q21.糊化锅内米醪由初温t0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C01.55 kJ/kg.K2C麦芽0.01(1006)1.554.1861.71 kJ/kg.KC大米0.01(10012)1.554.18121.87 kJ/kg.KC米醪(G大米C大米G麦芽C麦芽G1Cw)/(G大米G麦芽G1) (61931.87123

9、8.61.7133442.24.18)/（61931238.633442.2）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G161931238.633442.2 40873.8kgt0(G大米C大米G麦芽C麦芽)18G1Cw50/G米醪C米醪 (61931.871238.61.7133442.24.18)/ 40873.83.76 47.08 (3)代入式Q2G米醪C米醪（100t0） 40873.83.76（10047.08） 8133036.02kJ2.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

10、时5，则蒸发水份量V1G米醪510 /6040873.8510/60340.62kg故， Q2V1I340.622257.2768836.18 kJ式中，I=2257.2 kJ/kg为煮沸温度约100下水的汽化潜热。13.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：Q215（Q2Q2）4.综上可得Q21.15（Q2Q2）1.15（8133036.02768836.18）9441410.53kJ6.3 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

11、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18G2Cw50）/G麦醪C麦醪其中，G麦醪13311.446239.959551.3kgC麦醪（G麦芽C麦芽G2Cw）/（G麦芽G2）（13311.41.7146239.94.18）/（13311.446239.9）3.63 kJ/kg.K t麦醪（13311.41.711846239.94.1850）/(59551.33.63)46.7 2. 经第一次煮沸后米醪量为G米醪G米醪V140873.8340.6240533.18kg进入第二次煮沸的混合醪量 G混合G米醪G麦醪40533.1859551.3100084.48k

12、g混合醪比热容C混合=（G麦醪C麦醪G米醪C米醪）/G混合 （59551.33.6340533.183.76）/100084.483.68 kJ/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（100084.483.686559551.33.6346.7）40533.183.7690.8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:Q3G混合C混合（6865）100084.483.6831104932.66kJ7. 糖化锅的结构设计7.1 糖化锅

13、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，m ； 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40533.1859551.3100084.48kg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92.94/0.7132.77

14、m3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21 ，有利于液体的循环及加热效率的提高。则D6.97m圆整取 D7000mm校核: D7000mm时，V设计总=134.63 m3 V总 满足设计要求。糖化锅圆柱部分高度为HD3500mm，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锥形封头。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

15、 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=1000mm7.2 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。则根据设计要求 搅拌器直径 D糖化锅直径B搅拌桨叶宽度 则 0.7D4900mm 圆整取 4900mm B0.04D280mm 圆整取 280mm7.2.2 搅拌器轴功率的计算及选

16、型1. 雷诺准数 Re搅拌器搅拌叶直径 醪液容重n搅拌器转速 液体绝对粘度醪液密度 取2厘泊0.002kg/m.s1对于桨式搅拌器一般粘度大时取小值，速度范围为20-40 r/min4，本设计搅拌器转速取n30r/min0.5r/s。查啤酒工业手册下51068kg/m3则Re64106702. 功率准数Np式中搅拌浆叶长度（m）n桨叶转数（r/s）流体密度（kg/m3）流体粘度（Ns/m2）（Pas）D糖化锅直径（m）B搅拌浆叶宽度（m）搅拌叶与旋转平面所成的角度，一般为45或60，本设计为60-锅内液面高度（m）2.4m搅拌桨叶宽度B280mm啤酒工业手册下5,按永田公式：A=28.1=0.

17、45=1.1+4-2.5-7=0.73则Np= =0.12343. 搅拌器需要功率N需 =46.53KW电机功率 N电其中，传动机构总效率，取0.4-0.5取0.4K电机功率储备系数 1.2-1.4K1搅拌阻力系数 1.1-1.3取1.3克服转动机构和轴封阻力所需的功率，一般取搅拌器运转所需功率N需的10%，即=10%N需=4.65KW若取K1.2 则 N电195.42kw若取K=1.4 则 N电227.99kw所以 本设计采用250KW电机4. 相关选型查由文献6，可选用电机为型号YR355M-4，功率为250KW，转速为1481r/min7.3糖化锅排醪管（至滤过槽）查 化工原理上1P20

18、 表11 水及低粘度液体（11051106Pa）流速范围为1.53.0m/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92.94m3 则0.314m圆整取 320mm s4.5mm L150mm-排醪管道直径 ；s-管道壁厚；L-管道长度校核 : u满足设计要求。7.4 糊化醪进口管糊化锅的醪液量为： 取醪液密度为1068kg/m3醪液流速为u2.0m/sV0.284圆整取280mm s4mm L150mm校核：u满足设计要求7.5下粉筒查啤酒工业手册下5成品麦芽粉比热容C=2.560 m3/t 一次糖化锅进麦芽粉量为13311.4kg，则V总=进料时间10min,麦

19、芽粉流速为u=1m/s0.269m圆整取 270mm s4mm L150mm校核0.99m/s满足设计要求。7.6 糖化锅进水管糖化锅一次加水量为G246239.9kg，加水时间 20min设自来水流速u=1.5m/s。V46.33m3圆整取 180mm s4mm L150mm校核 1.51m/s满足设计要求。7.7 加热蒸汽进管糖化锅最大耗用蒸汽量为：在5min升温阶段耗热量最大。1104932.66即=其中，I-使用表压为0.2MPa饱和蒸汽I=2196.78KJ/kgi-相应冷凝水的焓，503.67KJ/kg。查化工工艺设计手册上 7P2298 0.2MP蒸汽密度1.23kg/m3由文献

20、3P173 表81 取蒸汽流速u35m/sV0.179m圆整取 200mm s6mm L150mm校核 28.1m/s满足设计要求7.8 冷凝水接管假设蒸汽全部冷凝，取水流速u1.5m/s 查文献1P331 20水的密度为：水998kg/m3 则V水0.33 m30.0072m圆整取 10mm s3mm L80mm校核1.16m/s满足要求。7.9 不凝蒸汽出口取蒸汽量的5%为不凝蒸汽 取蒸汽通入时间1小时 则D蒸汽326.305%16.32kgV13.27m30.012圆整取 12mm s3mm L80mm校核32.5m/s满足要求。7.10 锅内冷凝水出口糖化锅中糖化醪的蒸发强度取2% 时

21、间取加热时间5min 。蒸发水量为 166.8kgV0.167m30.0062m圆整取 6mm s3mm L80mm校核 1.64m/s满足设计要求。7.11 人孔开设在筒体或封头上的人孔，通常用来安装、检修设备内部零件及清洗设备。由文献6上 P474 选用500mm人孔 螺栓 重量Dg D D1 H H1 b 数量 直径长度 不锈钢 碳钢 总重500 600 560 222 140 12 16 M1650 11.16 16.84 28标准图号 JB0400467.12 视镜本设计选用标准图号为 JB593641视镜。查文献6上P494图251标记 标准图号 重量视镜Pg6Dg50 JB593

22、641 8. 糖化锅锅体设计及强度计算8.1 锅体结构设计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 锅内最高工作压力 P最高P0g 锅内液面高度P最高工作1.0110510689.812.48.2锅身壁厚的计算及强度校核 锅身采用不锈钢材料 1Cr18Ni9Ti 查文献8P299附表5b520MPa s206MPa 查文献8P91 得钢材的安全系数 b3.0 s1.5则 tb/b173MPa s/s137MPa取二者中较小者 所以t137MPa查化工设备机械基础P92 焊接接头系数0.8 则式中，罐体直径（mm） 耐受压强（取0.

23、139MPa） 焊缝系数，双面焊取0.8，无焊缝取1.0设计温度下的许用应力（kgf/cm2） 腐蚀裕度，当10mm时，=3mm查文献8 P95 圆整取10mm水压实验T124.23MPa0.9s0.90.8206148.32MP124.23MPa满足设计强度要求锥形封头采用与锅身同一规格设计。8.3 锅底厚度的计算校核查文献8P8 紫铜的导热系数384.95弹性模量E1.12105夹套中通入的蒸汽压力为0.2MPa 而锅内最高工作压力为0.126MP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25mm夹套蒸汽P0.2MPa Pc1.1P0.22MPa锅底外半径：R0D253525

24、mmA0.00089B2/31.121050.0008966.2MPaP 0.236MPP0.2MPa所以，=25mm8.4 夹套设计 夹套采用的是和锅身一样的不锈钢材料 1Cr18Ni9Ti3.76 取C0.25圆整取夹套厚度为10mm8.5 支座设计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。(1)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：1000mmV3.14（1.008/2）2（1.0/2）213.70.17m3查文献8P291 材料密度为：7900kg/m3m10.1779001364.8kg(2)锥形封

25、头重量的计算：锥形封头是采用的120锥形。高为：2.02m 直径为：7.0m 厚度取与锅身一样的10mm 近似算作圆锥的体积。 则V3.14(7.010/2)2(7.0/2)22.020.074m3m20.0747900584.6kg(3)锅身重量的计算锅身是圆筒形 厚： 10mm 高： 3.5m 直径： 7.0mV3.14（7.010/2）2（7.0/2）23.50.84m3m30.8479006636kg(4)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：25mm 直径：7.0m 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/m3V3.14（7.0/

26、2）20.0250.96m3m40.9689008544kg(5)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： 10mm 直径： 7.0m近似看作平底计算。V3.14（7.0/2）20.0100.38m3m50.3879003002kg锅体总重量计算M1364.8584.666368544300220131.4kg糖化一次的糖化醪量为：100084.48 kg则 糖化一次糖化锅的总重量为：M总20131.4100084.48120215.88kg2.支座的选取：查化工设备设计基础 P363选用B型耳式支座8.6. 锅底加热面积计算与校核糖化锅耗用最大蒸汽量为锅内醪液从65

27、上升到68的5min时间内，需要耗用热量为Q1104932.661213259191.92KJ/h所以加热面积也以此为基准进行计算夹套内通入蒸汽为0.2MP 查文献1上 P339得0.2MPa蒸汽温度为120.21. 平均温度tm tm53.6 2.K值的计算K(1)的计算假设壁温为99.8 则tcp0.5(120.299.8)110在110下水的物理常数为 951.0kg/m3 26.4110-6kg.s/m2 0.59 513.1Kcal/h5055kcal/m3.h.锅底有一定的倾斜角根据实验取0.8的损失系数 则实际的6318.75 kcal/m3.h.(2) 0.68kcal/m.h

28、. dm D7.0m n0.5r/s 106.5kg.s2/m4 g9.81m/s2 C0.98kcal/kg. 因为26.4110-6 1.5所以39.6210-6 1.06则 4090.60 kcal/m3.h.校核壁温 97.68假设的壁温为99.8 十分接近实际的壁温 所以计算的值可以采用所以K6092.9KJ/m2.h.13259191.92F40.6则 锅底的加热夹套的直径为D7.2m9. 总结10. 参考文献1谭天恩等.化工原理.上册.第三版.北京：化学工业出版社，2006.82 梁世中.生物工程设备M.北京：中国轻工业出版社,2005.2,188-1943 吴思方.发酵工厂工艺设计概论M.北京：中国轻工业出版社，2005.84 陈洪章.生物过程工程与设备.北京：化学工业出版社，2003.125 管敦仪.啤酒工业手册.上、中、下M.北京：中国轻工业出版社，1998版社，1988.8,51-3476 化工设备设计手册编写组.材料与零部件.上、中、下、M.上海：上海人民出版社,1973.107 上海医药设计院.化工工艺设计手册.上、下册M.上海：化学工业出版社，1986