发酵车间物料衡算与布置设计

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发酵车间物料衡算与布置设计
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摘要
随着生活水平的提高，人们对啤酒的需求越来越大。

在国际上，啤酒工业的发展趋势是大型化和自动化，工艺上于缩短生产周期，提高整体生产的经济效益。

在啤酒工艺基本成熟的情况下，啤酒生产装备的影响要比其工艺的影响大。

因此，啤酒行业的竞争，最直接的表现是啤酒企业对装备的快速更新和技术提升。

对新建啤酒工厂来说，发酵方法以及所选用的设备室非常关键的。

因此，本设计的重点在于以最新研究为基础进行新型设备的选择和设计。

发酵所用到的设备室锥形罐，采用三段式冷却，一罐法进行发酵。

第一章总论
第一节设计依据和范围
第二节设计原则
第三节生产规模和产品方案
第四节生产工艺流程
第二章发酵车间物料衡算
第一节工艺流程及相关工艺参数
第二节物料衡算
第三章设备设计与选型
第一节设备设计和选型的原则
第二节主要工艺设备的设计和选型
第三节主要设备一览表
第四章发酵车间布置设计
第一节发酵车间布置设计的原则
第二节建筑概述
第三节发酵车间布置设计说明
参考文献
第一章总论
第一节设计依据和范围
一本设计的依据是：
1) 批准的项目申请报告
2）可行性研究报告以及设计计划任务书。

3) 项目工程师或项目总负责人下达的设计工作提纲和总工程师作出的技术决定。

二设计范围
重点进行发酵车间的设计，主要包括：发酵车间的物料衡算和耗冷量计算、发酵罐和贮酒罐的选型及其他通用设备如各种泵的选型。

设计原则
一.设计工作要为要现代化建设这个中心，为这个中心服务。

二.设计工作必须认真进行调查研究。

要学会收集设计必需的技术基础资料，加强技术经济的分析工作，深入调查，与同类型厂先进技术经济指标做比较，要善于从实际出发去分析研究问题。

设计的技术经济指标以达到或超过国内同类型工厂生产实际平均水平为宜。

三.要解放思想，积极采用新技术，力求设计在技术上具有现实性和先进性，在经济上具有合理性。

并根据设备和控制系统在资金和共货可能情况下，尽可能提高劳动生产率，逐步实现机械化，自动化。

四.设计必须结合实际，因地制宜，体现设计的通用性和独特性想结合的原则，不能千厂一貌。

工厂生产规模，产品品种的确定，要适应国民经济的需要，要考虑资金来源，建厂地点，时间，三废综合利用等条件，并适当留有发展余地。

五.发酵工厂设计还应考虑采用微生物发酵的工厂的独特要求，既要注意到周围环境的清洁卫生，又要注意到工厂内车间之间对卫生，无菌，防火等条件的相互影响。

另外，食品类发酵工厂，还应贯彻国家食品卫生法有关规定，充分体现卫生，优美，流畅，并能让参观者放心的原则。

六.合计工作必须加强计划性，个阶段工作要有明确的进度。

本课题是设计年产20万吨的啤酒厂发酵车间，其重点是发酵车间的工艺及其关键设备的设计与选型。

本课题主要遵循以下原则：设计仔细，面面到位，考虑全面，尽量降低成本
第三节生产规模和产品方案
年产量：200000t/a的啤酒生产
每年生产天数：300天
产品规格：12°淡色啤酒
生产工艺流程
第二章发酵车间物料衡算
第一节工艺流程及相关工艺参数
（1）工艺流程
糖化缪→冷却→ 主发酵罐→烛式离心机→ 贮酒罐→过滤
↑
二级种子
↑
通少量空气
（2）相关工艺参数
表1-1
课本67页表4-6
根据上表的基础数据，首先进行100kg原料生产12°淡色啤酒的物料计算，然后进行1000L 12°淡色啤酒的物料衡算最后进行200000t/a12°淡色啤酒糖化车间物料衡算。

1）100kg原料（75%的麦芽，25%的大米）生产12°淡色啤酒的物料衡算
麦芽收率：0.75×（100-6）/100=70.5%
大米收率：0.92×（100-13）÷100=80.04%
混合原料收得率：（0.75×70.5%+0.25×80.04%）×98.5%=71.79%
设每天糖化6次，每年工作300天，则每年共糖化1800次。

由此可算出每次投料量及其他项目的物料平衡。

整理得如下表：
备注：12°淡色啤酒的密度为1012kg/m3, ，实际年生产啤酒。

表1－3
发酵工艺参数的确定
物料衡算
生产100L12°淡色啤酒进入发酵罐的冷却麦汁量，由表1－2可知
V1＝103.1L
二级种液量
V2＝V1*10%=10.31L
生产100L12°淡色啤酒发酵液量
V3=102L
酵母量（以商品干酵母计）
生产100升啤酒可得2公斤湿酵母液，其中一半作商品干酵母用
湿酵母泥含水分85％
酵母含固形物＝1*（100-85）/100＝0.15公斤
则含水分7％的商品干酵母量为0.15*100/（100-7）＝0.16公斤
二氧化碳的量
12度的冷麦汁103.1L浸出物量为
12％*103.1＝12.37升
麦汁的发酵度为60％，则可发酵的浸出物量为
12.37*60％＝7.42升
麦芽糖发酵的化学反应式为
C12H22O11+H2O →2C6H12O6
2C6H12O6→4C2H5OH+ 4CO2+564卡
设麦汁中浸出物均为麦芽糖组成，则二氧化碳生成量为：
7.42*（4*44）/342＝3.82升
设12度啤酒含二氧化碳0.4％，酒中含二氧化碳量为
103.1*0.4/100＝0.41升
则放出的二氧化碳量为 3.82-0.41＝3.41升
第三节耗冷量计算
（一）流程示意图
94℃热麦汁→冷麦汁（6℃）→锥形罐发酵→过冷至-1℃→贮酒→过滤→清酒罐
（二）工艺技术指标及基础数据
年产12°淡色啤酒200100t;
每天糖化6次，每年共糖化1300次;
主发酵时间6天;
4锅麦汁装1个锥形发酵罐;
12°Bx麦汁比热容c1=4.0kJ/(Kg*K) ;
冷媒用1液氨
麦芽糖厌氧发酵热q=613.6kJ/Kg;
麦汁发酵度60%;
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：Q=Qt+Qnt
（三）工艺耗冷量Qt
1、麦汁冷却耗冷量
近几年来普遍使用的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，出口温度为85℃。

糖化车间送来的热麦汁温度为94℃，冷至发酵起始温度6℃。

根据表4-7啤酒生产物料衡算表，可知每糖化一次的热麦汁85040L，而相应的麦汁密度为1048Kg/m3，故麦汁量为：
G=1048*85.040=89122（Kg)
又知12°Bx麦汁的比热容为4.0kJ/(Kg*K)，工艺要求在1h内完成冷却过程，则所耗冷量为：
Q1=Gc(t1-t2)/r
=89121920*4.0*(94-6)/1
=31.37×107 (KJ/h)
式中 t1和t2——分别为麦汁冷却前后温度（℃）
r——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：Q f=4Q1=4×31.37×106
=125.48×106（KJ）
2、发酵耗冷量Q2
（1）发酵期间发酵放热Q2‘
假定麦汁固形物均为麦芽糖，而麦芽糖的厌氧发酵放热量为613.6KJ/Kg.设发酵度为60%，则1L麦汁放热量为：
q0=613.6*12%*60%*1=44.18（KJ）
根据物料蘅算，每锅麦汁的冷麦汁量为82480L，则每锥形罐发酵放热量为：
Q0’=44.18*82480*4=14.567×106（KJ）
由于工艺规定主发酵时间为6天，每天糖化6锅麦汁，并考虑到发酵放热的不平衡，取系数1.5，忽略主发酵期的麦汁温升，则发酵高温期耗冷量为：
Q0’*1.5*6 14.567×106*1.5*24
Q2‘= —————— = ———————— =227672(KJ/h)
24*6*4 24*6*4
(2)发酵后期发酵液降温耗冷Q2‘’
主发酵后期，发酵液温度从6℃缓慢降至-1℃，每天单罐降温耗冷量为：Q0‘’=4Gc1[6-(-1)]=4*89122*4.0*7=9981664 (KJ)
工艺要求此过冷过程在2天内完成，则耗冷量为（麦汁每天装1.5个锥形罐）：
Q2‘’=1.5* Q0‘’/（24*2）=311927(KJ/h)
（3）发酵总耗冷量Q2
Q2= Q2‘+Q2‘’=227672+311927=539599(KJ/h)
（4）每罐发酵耗冷量Q0
Q0= Q0’+Q0‘’=14.567×106+9981664=24.558×106 (KJ)
3．酵母洗涤用冷无菌水冷却的耗冷量Q3
设酵母添加量为麦汁量的 1.0％，且使用1℃的无菌水洗涤，洗涤无菌水的水量为酵母量的 3倍，冷却前无菌水水温为30℃，用-8℃的酒精液作冷却介质。

由上述，可得无菌水用量为：
MW’=82480*6*1.0%*3
=14846(Kg/d)
每班无菌水用量：mW＝mW’/3＝14846/3＝4948.8（Kg/班）
假定无菌水冷却操作在2h内完成，则无菌水冷却耗冷量为：
Q3＝GWcm(tw-tw’)/r=4948.8*4.18*(30-1)/2
=299947(KJ/h)
每罐用于酵母洗涤的耗冷量为：
Q3＝ GWcm（(tw-tw’)/1.5＝4948.8*4.18*（30-1）/1.5
＝399929(KJ)
式中1.5----------------每班装罐1.5罐
4、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12天，即288h.,根据工厂实践，年产200000t啤酒酵母培养耗冷量为：
Q4＝130000(KJ/h)
对应的年耗冷量为：
Q4‘＝Q4*288*10＝374.4×106 (KJ)
5、发酵车间工艺耗冷量Qt
综上计算，可求算出发酵车间的工艺耗冷量为：
Qt＝Q1+Q2+Q3 +Q4
=31.37×106+539599+299947+130000
=32.34×106 (KJ/h)
(四)非工艺耗冷量Qm
1、露天锥形罐冷量散失Q5
根据经验，取冷量散失为30000KJ/t，故旺季每天耗冷量为
Q5‘＝Gb*30000=494.9×1.012×30000
=15.0×106 (KJ/d)
式中 Gb——旺季成品啤酒日产量（t）
若每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：
Q5＝2*Q5‘/24＝1.25×106（KJ/h)
2、清酒罐÷过滤机及管道等散失冷量Q6
取经验值Q6＝12％Qt ，所以：
Q6＝12％Qt＝12％*32.34×106＝3.882×106（KJ/h)
（五）200000t/a啤酒厂发酵车间冷量衡算表
第三章设备设计与选型
第一节设备设计和选型的原则
近年来，啤酒发酵设备向大型、室外、联合的方向发展。

大型化的目的主要有两方面：大型化使啤酒的质量均一化；由于啤酒采用一罐法进行发酵，生产的罐数减少，降低了主要设备的投资。

第二节主要工艺设备的设计和选型
(一）发酵罐设备的计算
１、发酵罐选型
选用公称容积为500m3的发酵罐
罐内径6m,圆拄高18m,封头高1.8m,封头容积41m3，全容积535m3
2、生产能力的计算
现每天产12度淡色啤酒667吨，发酵周期为18天
则每天需热麦汁体积为700.52m3，冷麦汁体积为679.4 m3 。

每吨12度淡色啤酒需冷麦汁1019L，即1.019m3
取ф=90%，则每天需要发酵罐的总容积为V0
V0=V麦/ф=679.4÷90%=754.89（m3)
3、发酵罐个数的确定
由上选型可知，发酵罐公称容积为500m3，总容积为535m3
则发酵罐个数
V0Z 754.89×18
N1=———— =——————— =29（个）
V总ф×24 535×90%×24
取公称容积500m3的发酵罐29个
535×90%×1.61
实际产量验算：—————————×300=228228(t/a)
1.019
228228－200000
富裕量：——————=14.11%，能满足产量要求
200000
4、冷却面积的计算
对于前发酵
对于啤酒发酵，每1m3发酵液，每小时传给冷却器的最大热量为4.18×2000KJ/h
采用竖式列管换热器，取经验值K=4.18×500KJ/（m3.h.℃）
发酵液：6℃→6℃
冷媒：-8℃→0℃
△t1－△t2 14-6
平均温差△tm=——————=—————=9.4℃
l n(△t1÷△t2) l n(14÷6)
对公称容量500m3的发酵罐，每天装1.61罐，每罐实际装液量为679.4÷1.61=422（m3)
Q 4.18×2000×422
换热面积F= ————=———————— =179.57(m3)
K△tm 4.18×500×9.4
对于进入后发酵降温
发酵液：6℃→1℃
冷媒：-8℃→0℃
△t1－△t2 14-1
平均温差△tm=——————=—————=4.9℃
l n(△t1÷△t2) l n（14÷1）
Q 4.18×2000×422
换热面积F= ————=———————— =344.49(m3) K△tm 4.18×500×4.9
对于后发酵
发酵液：1℃→-1℃
冷媒：-8℃→-2℃
△t1－△t2 9-1
平均温差△tm=——————=—————=3.64℃
l n(△t1÷△t2) l n（9÷1）
Q 4.18×2000×422
换热面积F= ————=———————— =464(m3)
K△tm 4.18×500×3.64
总上，换热面积F=464(m3)才能满足生产要求
5、冷却管布置计算
（1）求最高热负荷下的耗水量W
而Q总=4.18×2000×422=3.53×106（kJ/h)
Q总 3.53×106
W=——————=——————=105500(Kg/h)=29.31(Kg/s) c2(t2－t1) 4.18(0+8)
取冷却水在管中流速为1m/s ，则冷却管总截面积S总为
S总=W/ν=2.93×10-2÷1=2.93×10-2（(m2)
进冷媒总管直径d 总2=S总/0.785，所以d 总=0.193(m) (2)冷却管组数和管径
设冷却管总表面积为S总，管径d0,组数为n,则
S总=n×0.785d02
现根据本罐情况，取n=8，则管径
d02=S总/（n×0.785),所以d0=0.0683(m)
查金属材料表取φ76×4无缝钢管
现取竖蛇管圈端部U型弯管曲径为250mm，则两直管距离为500mm，两端弯管总长度为l0：
l0=πD=3.14×500=1570（mm)
（3）冷却管总长度L计算
由前知，冷却管总面积F=464m3，每米长冷却面积为
F0=3.14×0.07×1=0.22m2，则
L=F÷F0=464÷0.22=2109（m)
冷却管占有体积V=0.785×0.0742×2109=9.07(m3)
（4）每组管长L0和管组高度：
L0=L÷n=2109÷8=263.6(m)
另需连接管8m：L实=L+8=2117m
可排竖蛇管的高度，设为静液面高度，下部可伸入封头250mm
设发酵罐内附件占有体积2m3，则总占有体积为
V总=V液+V管+V附件=422+9.07+2=433.07（m3)
则筒体部分液深为：（V总-V封）÷S截=（433.07－41）÷
（0.785×62）=13.87m
竖蛇管总高H管=13.87+0.25=14.12（m)
又两端弯管总长l0=1570mm ，两端弯管总高500mm
则直管部分高度：h=H管－500=14120-500=13620mm
则一圈管长l=2h+l0=2×13620＋1570=28810mm
（5）每组管子圈数n0
n0=L0÷l=263.6÷28.81=10圈
（6）设备材料的选择
选用不锈钢制作
（7）发酵罐壁厚S的计算
C=C1＋C2＋C3
式中C——壁厚附加量，cm
C1——钢板负偏差，其范围为0.13—1.3，现取0.8mm
C2——腐蚀裕量，为双面腐蚀，取2mm
C3 ——加工减薄量，取0
得C=0.8+2+0=2.8mm=0.28cm
PD
S=———————＋C
2[σ]ф－P
式中 P——设计压力，取最高工作压力的1.05倍，现取0.4MPa D——发酵罐内径，为6 m
[σ] ——不锈钢的许用应力，为127MPa
ф——焊缝系数，范围在0.5—1之间，现取0.7
代入上式
0.4×600
S= ———————＋0.28
2×127×0.7－0.4
=1.7cm
选用17mm厚不锈钢板制作
（8）支座选择
因为设备的容量大，总质量也比较大，因此用裙式支座。

（二）种子罐设备的计算
1、种子罐容积的确定
按接种量10%计算，则种子罐容积V种为
V种=V总×10%=535×10%=54m3
2、种子罐个数的确定
种子罐与发酵罐对应上料，发酵罐每天上1.61罐，种子罐培养需24h，辅助操作8—10h，生产周期约32—34h，需4个种子罐。

3、主要尺寸的确定
H：D=2：1，则种子罐总容积
V’总=2×п÷24×D3＋0.785D2×2D=54m3
解得D=3.1m
则H=2D=6.2m
查相应表得封头高H’封=0.8m
罐体总高H’罐=7.8m，封头容积3.0m3
4、冷却面积的计算
采用蛇管冷却，酵母培养温度为10度。

据此为依据，按照发酵罐冷却面积的算法计算。

5、设备材料选择
仍采用不锈钢制作。

查表得，壁厚为3mm.
6、支座选型
采用支撑式支座
（四）泵的选型
只需要选用离心泵即可满足生产。

压缩空气用往复泵。

主要设备一览表
200000t/a的啤酒厂发酵车间设备一览表
第四章发酵车间布置设计
第一节发酵车间布置设计的原则
1、车间布置应符合生产工艺的要求
2、车间布置应符合生产操作的要求
3、车间布置应符合设备安装、检修的要求
4、车间布置应符合厂房建筑的要求
5、车间布置应符合节约建设投资的要求
6、车间布置应符合安全、卫生和防腐蚀的要求
7、车间布置应符合生产发展的要求
第二节建筑概述
本设计为啤酒厂发酵车间设计。

发酵车间是整个工艺过程的重要环节，是利用经过糖化车间处理后的麦汁来进行发酵，因此要靠近糖化车间以节省在管道上的投资。

此外，因为是主要的生产车间，所以在进行厂房的总平面设计时应该把发酵车间布置在生产区；而且许多设备需要电力、压缩空气、冷却水等等，因此也要靠近辅助车间（配电室、空气压缩机室等）；还有许多仪表及参数要监控，所以要设有控制室；发酵的啤酒还要及时进行过滤才可以灌装，所以尽可能靠近过滤车间。

第三节发酵车间布置设计说明
因为啤酒发酵用到的锥形罐容积、重量比较大所以采用露天布置，以裙座方式进行支撑。

经过计算生产20万吨的啤酒需要28个锥形罐，四个种子罐。

因为发酵罐数量较多，采用直线对称整齐排列布置，所以采取每7个罐排成一行，共四行，种子罐每两个排成一行。

车间设计为单层厂房，层高设为5.1m，平面布置为长方形，跨度采用
12m，柱距采用12m。

厂房的建筑结构采用钢筋混凝土排架结构。

每两个发酵罐间距为1.5m，与墙之间的距离也是1.5m，发酵罐锥底出口离地面的高度为1.5m。

发酵车间内设备布置与主要生产流程顺序相一致，具体布置见设备布置图。

其他见图纸。

参考文献
[1]吴思方主编，《发酵工厂工艺设计概论》，中国轻工业出版社
[2] 沈自法唐孝宣, , 华东理工大学出版社
[3] 高孔荣 , ,中国轻工业出版社
[4] 科罗博夫等程耀芳李安申,上海教育出版社
[5] 梁世中，生物工程设备，中国轻工业出版社
[6] 周广田，现代啤酒工艺技术，化学工业出版社。