6万吨11°淡色啤酒发酵罐的设计

前 言

本设计为顺应近几年来啤酒工业飞速发展的需求，在啤酒工艺成熟的基础上，同时体现了啤酒酿造的新工艺，为企业的开源节流提供了新的依据。

设计题目为年产6万吨11度淡色啤酒厂发酵罐设计，此啤酒的酿造方法采用70%的麦芽，30%的大米，经过糊化，糖化，煮沸，过滤，冷却，发酵而成。发酵设备采用圆筒体锥底发酵罐，发酵周期是17天。本设计内容主要包括物料衡算，热量衡算，冷耗衡算和设备选型的计算及重点设备选型及计算。糖化方法采用双醪浸出糖化法，发酵方法采用下面发酵法。本设计的图纸主要为发酵罐装配图。本文对啤酒生产线工艺设计中的关键部分—原料的糊化、糖化、煮沸、麦汁过滤、啤酒过滤及其设备选型进行了粗略研究。对发酵过程及其设备选型进行了较为详细的探讨。

关键词：啤酒工艺；设备选型；技术经济；发酵；糖化；发酵罐.

1

目录

第一章 绪 论????????????????? 6 1.1 设计选题的目的????????????? 6 1.2 设计工作的意义????????????? 6 1.3 课题研究内容及方法???????????? 6 1.3.1 设计依据?????????? ?????? 6 1.3.2 设计范围???????????????? 6 1.3.3 指导思想?????????? ??????.6 1.4 工艺选择?????????????????? 6 1.5 设备的选择????????????????? 7 第二章 啤酒工艺选择与论证???????????? 8 2.1 啤酒原料????????????????? 8 2.1.1 酿造用水??????????????? 8 2.1.2 麦芽??????????????????. 8 2.1.3 酒花?????????????????? 8 2.1.4 辅料????????????????? 8 2.1.5 酵母????????????????8 2.2 麦汁制备?????????????????. 8 2.2.1 麦芽及辅料的粉碎理论?????????.. 8 2.2.2 麦芽的粉碎??????????????? 9 2.2.3 辅料的粉碎??????????????? 9 2.2.4 糖化工艺的选择与论证 ???? ?????9

2

2.3 麦汁过滤??????????????????? 10 2.3.1 麦汁过滤的基本要求及技术指标? ?????? 10 2.3.2 麦汁过滤方法及影响因素???? ?????? 10 2.4 麦汁煮沸??????????????????? 10 2.4.1 麦汁煮沸设备选择及优缺点??? ??????. 10 2.4.2 麦汁煮沸工艺???????????????? 10 2.5 麦汁后处理?????????????????? 10 2.5.1 热凝固物及冷凝固物的分离?????????? 11 2.5.2 麦汁的冷却??????????? ??????2.5.3 麦汁的充氧?????????????????. 11 2.6 啤酒发酵的工艺论证?????????????? 11 2.6.1 啤酒酵母???????????? ??????2.6.2 啤酒发酵工艺技术控制?????? ??????2.6.3啤酒发酵工艺????????????????? 13 2.6.4 啤酒发酵方法的选择????????????? 16 2.6.5 酵母的添加与回收?????????????? 17 2.6.6 发酵设备的降温控制????????????? 17 2.7 酵母的添加与回收???????????????? 18 2.8 发酵设备的降温控制??????????????? 18 2.9 啤酒过滤??????????????????? 18 2.9.1 啤酒过滤理论???????????????. 18 2.9.2 啤酒过滤方式的选择与论证????????? 19

3

11 11 12

2.10 啤酒的包装????????????????? 19 第三章 物料衡算??????????????????.? 20 3.1物料衡算的意义??????????????? 20

3.2物料衡算基础数据?????????????? 20 3.3 100㎏原料生产11°P啤酒的物料衡算?????. 20 3.4 生产100L 11°P啤酒的物料衡算??????? 21 3.5 年产6万吨11°P淡色啤酒糖化车间物料衡算?.? 23 第四章 耗冷量的计算????????????????. 26

4.1发酵车间工艺流程??????????????? 26 4.2工艺技术指标及基础数据???????????? 26 4.3 麦汁冷却耗冷量Q1?????????????? 26 4.4 发酵耗冷量Q2???????????????? 26 4.4.1 发酵期间发酵放热Q2???????????. 26 4.4.2 发酵后期发酵液降温耗冷Q2″??????? 27 4.4.3 发酵总耗冷量Q2??????????..? 27 4.4.4 每酵用冷媒耗量Q0??????????..? 27 4.4.5 发酵用冷媒耗量（循环量）M2 ???????? 27 4.5 非工艺耗冷量?????????????????. 27 第五章 发酵罐的设计与选型????????????? 29 5.1 发酵罐体积的确定?????????????? 29

5.2 发酵罐数量的确定??????????????29 5.3 发酵罐材料的选择???????????????. 29

4

5.3.1发酵罐圆柱体部分壁厚确定??????????? 29

5.3.2 标准椭圆封头壁厚算???????????? 30 5.3.3 罐底锥形封头的设计型?????????? 31

5.3.4 进料管及排酒管的直径与型????????? 31

5.3.5 冷媒进出管???????????????? 31 5.3.6 发酵罐夹套的选取?????????????? 32 5.3.7 CO2排出管及CIP清洗管??????????? 33

5.3.8 其他选型????????????????? 34

总结……………………………………………………. 36 参考文献……………………………………………… 37

5

又知11°P麦汁在20℃时的密度为1.0442kg/L，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：

（673.73÷1.0442）×1.04=671.02(L)

(2)冷麦汁量

671.02×(1-0.05)=637.47(L)

(3)发酵液量

637.47×(1-0.015)=627.91(L)

(4)过滤酒量

629.91×(1-0.01)=621.63(L)

(5)成品啤酒量

621.63×(1-0.01)=615.41 (L)

3.4生产100L 11°P啤酒的物料衡算

根据上述衡算结果知，100kg混合原料可生产11°P淡色啤酒约609.99L，故可得下述结果：

(1)生产100L11°P经典啤酒需耗混合原料量

（100/615.41）×100=16.25(kg)

(2)麦芽耗用量

16.25×70%=11.38(kg)

(3)大米耗用量

16.25×30%=4.87(kg)

(4)酒花耗用

100L热麦汁中加入的酒花量为0.2千克，故酒花耗用量为：

（671.02/615.41）×100×0.2%=0.22(kg)

同理，100kg原料耗酒花：

615.41/100×0.22=1.35kg

(5)热麦汁量

（671.02 /615.41）×100=109.04(L)

(6)冷麦汁量

（637.47/615.41）×100=103.58(L)

(7)发酵液量：

（627.91/615.41）×100=102.03(L)

(8)滤过酒量：

（621.63/615.41）×100=101.01(L)

(9)成品酒量：

（615.41/615.41）×100=100(L)

(10)湿糖化糟量：

设排出的湿麦糟含水分80%，

21

湿麦芽糟量为：

[(1-0.05)(100-75)/(100-80)] ×11.38=13.51

湿大米糟量为：

[(1-0.11)(100-95)/(100-80)] ×4.87=1.08

故湿糖化糟量为：

13.51+1.08=14.59

同理，100kg原料产生湿糖化糟：

615.41/100×14.59=89.79kg

(11)湿酒花糟量：

设酒花在麦汁中的浸出率为40%，酒花糟含水分以80%计，则酒花糟量为：

0.22?(100?40)?100?0.66kg

(100?80)?100同理，100kg原料产生湿酒花糟：

615.41/100×0.66=4.06kg

(12)酵母量（以商品干酵母计）

生产100L啤酒可得2kg湿酵母泥，其中一半作生产接种用，一半作商品酵母用，即为1kg。湿酵母泥含水分85%

酵母含固形物量:

1?100?85?0.15kg100

则含水分7%的商品干酵母量为：

(13)二氧化碳量

因11°P冷麦汁密度为1.0442kg/L，则103.58L冷麦汁质量为：

103.58×1.0442=108.16kg

所以，11°P冷麦汁108.16kg中浸出物量为：

11%×108.16=11.9kg

设麦汁的真正发酵度为80%，则可发酵的浸出物量为：

11.9×80%=9.52kg

麦芽糖发酵的化学反应式为：

C12H22O11+H2O 2C6H12O6 2C6H2O6 4C2H5OH+4CO2+560kJ

设麦芽汁中的浸出物均为麦芽糖构成，则CO2生成量为： 4?449.52??4.90kg

342式中 44—CO2分子量

342—麦芽糖（C12H22O11）分子量

22

0.15?100?0.16kg100?7

设11°P啤酒含二氧化碳为0.35%，酒中含CO2量为：

103.58×0.35﹪=0.36kg

则释放出的CO2量为：

4.9-0.36=4.54kg

而1m3CO2在20℃常压下重1.832kg 故释放出的CO2的体积为：

4.54?2.48m3 1.8323.5年产6万吨11°P淡色啤酒糖化车间物料衡算

生产旺季以170天计，占总产量的70%，则旺季日产量为：

60000×70%÷170=247(吨/天)

设生产旺季每天糖化4次，旺季总糖化次数为680次（淡季根据需要酌情调整糖化次数），可算得每次糖化可产成品啤酒量（灌装后）为：

247÷4=61.75（吨/天） 由此可算出每次投料量和其他项目的物料平衡。 (1) 成品啤酒量（灌装前）：

61.75×1000÷（1-1%）÷1.0115=61664（L）

(2) 麦芽用量：

61664÷615.41×70=7014 （kg）

(3) 大米用量：

61664÷615.41×30=3006 (kg)

(4) 混合原料用量：

7014 +3006 =10020 (kg)

(5) 热麦汁量：

61664÷615.41×671.02=67236（L）

(6) 冷麦汁量：

61664÷615.41×637.41=63874（L）

(7) 湿糖化糟量：

61664÷615.41×89.79=8997（kg）

(8) 湿酒花糟量：

61664÷615.41×4.06=406.81（kg）

(9) 发酵液量：

61664÷615.41×627.91=62916 （L）

(10) 过滤酒量：

61664÷615.41×621.63=62287（L）

(11) 酒花量：

23

61664÷615.41×1.35=135.27（kg）

由于生产旺季占到全年产量的70%，由此可算得全年产量：

（61664×4×170）/70%=59.90×106 （L）

年实际产量为：

59.90×106×1011.5=6.06（万吨）

以单次糖化生产做基准，可算得各个项目全年状况如下： (1)全年混合原料需要量：

10020×4×170÷70%=9.73×106 （kg）

(2)全年麦芽耗量：

7014×4×170÷70%=6.81×106（kg）

(3)全年大米耗量：

3006×4×170÷70%=2.92×106（kg）

(4)全年酒花耗量：

135.27×4×170÷70%=1.31×105（kg）

(5)热麦汁量：

67236×4×170÷70%=65.31×106（L）

(6)冷麦汁量：

63874×4×170÷70%=62.05×106（L）

(4)全年湿糖化糟量：

8997×4×170÷70%=8.74×106（kg）

(8)全年湿酒花糟量：

406.81×4×170÷70%=3.95×105（kg）

(9)全年发酵液量：

62916×4×170÷70%=61.12×106（L）

(10)全年过滤酒量：

62287×4×170÷70%=60.51×106（L）

(11)全年成品啤酒量:

61664×4×170÷70%=59.90×106（L）

把前述的有关啤酒物料衡算计算结果整理见下表3-2：

物料名称 单位

对100㎏ 混合原料

对100L

糖化一次定额

11°P啤酒

6万吨/年 啤酒生产

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混合原料 麦芽 大米 酒花 热麦汁 冷麦汁 湿糖化糟 湿酒花糟 发酵液 过滤酒 成品啤酒 ㎏ ㎏ ㎏ ㎏ L L ㎏ ㎏ L L L 100 70 30 1.35 671.02 637.47 89.79 4.06 627.91 621.63 615.41 16.25 11.38 4.87 0.22 109.04 103.58 14.59 0.66 102.03 101.01 100

310020 7014 3006 135.27 67236 63874 8997 406.81 62916 62287 61664 9.13×106 6.81×106 2.92×106 0.131×106 65.31×106 62.05×106 8.74×106 0.395×106 61.12×106 60.51×106 59.90×106

备注：11°P啤酒的密度为1011.5kg/m ，实际年生产啤酒:：6.06万吨。

25

Dg(mm) 4000 H1 1000 h 50 F(㎡) 14.9 m3 9.02 mm 8 5.3.3 罐底锥形封头的设计选型

选用不锈钢【б】t=134的0Cr18Ni9制作，锥壳半顶角35°>30°，须采用带边过渡段的折边结构.

① 过渡段厚度：б =KPcDi/(2【б】tΦ-0.5Pc)+C

因为 a=35°，r/Di =0.15, 查《化工设备机械基础》 表4-17，K=0.7161 б =0.7161×0.341×4000/（2×137-0.5×0.341）+2.6=6.17 mm ② 与过渡段相接处的锥壳厚度： б =fPcDi/(【б】tΦ-0.5Pc)+C

查《化工设备机械基础》表4-18，得f=0.5773

б= 0.5773×0.341×4000/（137-0.5×0.341）+2.6 =8.36 mm 圆整后取 9 mm

5.3.4 进料管及排酒管的直径与选型

本设计选用直型接管及进料管为同一管道，与派酵母也为同一管道。 该发酵罐实装醪液161.28m3

由工厂实际经验知，一般装满一发酵罐麦汁需要6h，则进醪速度： Vs=V/τ=161.28/（6×4000） =0.0074 m3/s 查《化工原理》（上）表1-1，高粘度流体的速度在0.5—1m/s，取发酵醪流速u=0.8m/s。

则管径D=4Vs/πu=4?0.0074（=109 mm /3.14?0.8）则管径取125mm 在《材料与零部件》（上）P154查得Φ133×4的无缝钢管内径为：di=125 校核： u=4Vs/πdi2

=4×0.0074/(3.14×0.1252)

=0.603m/s,

（在0.5—1m/s范围内，所以可采用此管。）

由于发酵结束后，成熟酒液的黏度仍较大，取收酒流速u=1 m/s 则排酒管的管径D=4Vs/πu =4?0.0074（/3.14?1)= 97 mm

则 管径取100mm

查《化工设备机械基础》表2-6 ，查的Φ108×4的无缝钢管内经为di=100 mm

校核：u=4Vs/πdi2=4×0.0074/ (3.14×0.12)=0.94 ，满足

要求。

表5-2 管法兰连接尺寸 （mm） 公称直径N0.6MPa DN D K L Th n 125 240 200 18 M16 8 100 210 170 18 M16 4 5.3.5 冷媒进出管

31

由前面的冷量衡算可知，发酵过程冷媒流量为23534kg/h,设酒精密度 为971kg/m3。为三段冷却，三个冷媒进口管。

所以管内流量为：

Vs=23534/(971×3600) =0.0067 m3/s

查《化工原理》酒精属于低黏度流体，流速范围在0.5—3.0m/s。 取冷媒流速u=2.5 m/s。则冷媒进出口管径：

D=4Vs/πu

=4?0.0067（ /3.14?2.5） =58.43 mm 取DN=65 mm

查《化工设备机械基础》表2-6.管子规格选用Φ76×4的无缝钢管，其内径di=0.068m 校核 u=4Vs/πdi2

=4×0.0067/（3.14×0.0682）

=1.85 m/s （在0.5—3.0范围内，符合要求。）

表5-3 管法兰连接尺寸 （mm） 公称直径PN0.6MPa DN D K L Th 65 160 130 14 M12 n 4 5.3.6 发酵罐夹套的选取 a．冷却面积的计算 ·

F=Q/Kt

由于发酵时产热高峰为0.86×4.18kJ/（L.h），则每罐放热高峰：

Q=0.86×4.18×V有=0.86×4.18×161.28×103=575168kJ

采用夹套安装罐外壁，用间接冷却法冷却，冷却介质为酒精，分三段冷却，冷却介质进出口温度为-8℃和0℃。 发酵前期

平均温度：6℃→6℃

-8℃→0℃ 14℃→6℃

△tm=（△t1- △t2）/In（△t1/ △t2） =（14-6）/In（14/6） =9.4℃

取夹套传热系数为K=4.18×220kJ/(m2.h. ℃)

∴ 冷却面积F=Q/K△ tm

=575168/（4.18×220×9.4）

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=66.54m2 发酵后期

平均温差：6℃→-1℃ -8℃→0℃ △t1=t1-t2=6℃ △t2=t2-t1=4℃

△tm=（△t1-△t2）/In（△t1/△t2） =（6-4）/In（6/4） =6.5℃ ∴冷却面积F=Q/(K△tm)

=575168/(4.18×220×6.5) =96.22m2

由于发酵后期散热较大，故以后期面积96.22m2为准，对于单酿C.C.T发酵，一次冷媒直接蒸发冷却。 b.夹套各段比例：

一般为三段夹套冷却，大概比例为上段30%、中段55%、下段15%，故： S上=96.22×30%=28.87㎡ S中=96.22×55%=52.92㎡ S下=96.22×15%=14.43㎡

上段距发酵液面15cm排列，中段在筒体的下部距支座底15cm向上排列，锥底尽可能接近排酵母口排列。

各段高度：

S上=28.87㎡=πDh上 H上=2.30 m S中=52.92㎡=πDh中 h中=4.21 m

2?D2/4 S下=14.43㎡=0.5πDh下h下=1.28 m

5.3.7 CO2排出管及CIP清洗管

CO2排出管与CIP清洗管都安放在封头上，又设CO2管与清洁管径一致，洗涤发酵罐经过三次，第一次进碱，第二次进清水，第三次进消毒水。又设洗涤时间为0.5h。消耗的CO2的体积为2.83 m3

则洗涤体积流量Vs=Q/t=2.83/1800=0.00154m3/s 查《化工原理》（上）P20表1-1，自来水流速范围1--1.5m/s，取洗涤水流速为1.3m/s，则管径为

D=4Vs/πu=(4×0.00154/3.14×1.3)

0.5

=0.0392m

取40mm

查《化工设备机械基础》P56表2-6，选用Φ45*2.5的无缝钢管，其内径为di=0.040m 校核：u=4Vs/πdi2

=4×0.00157/3.14×0.0402

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=1.25m/s，（在范围内，满足要求。）

表5-4 管法兰连接尺寸 （mm） 公称直径PN0.6MPa DN D K L Th n 40 130 100 14 M12 4 5.3.8 其他选型

a.温度计的接管： 查表得到温度计的接管应选用Φ14×3的无缝钢管 b.入孔

为检查设备使用过程中是否产生裂纹、变形、腐蚀等缺陷，应开设检查孔。人孔有圆形和椭圆形两种。本设计选圆形人孔。人孔有回转盖式，吊盖式。回转盖式人孔结构简单，转动时所占空间较小。同时人孔需要经常打开，所以选用回转拱盖快开不锈钢人孔，又因为PN=0.60MP，选用Dg=450mm的JB581-79.

表5-5 人孔尺寸 (mm) 密公称压公称S D D1 A B b b1 H1 H2 h 螺栓螺栓 总重封力直径 螺母直径（kg面Pg(kgf/ Dg450 垫圈×长） 型cm2 数量 度 式 ) 6 600 540 322 160 32 30 190 116 8 7 选用补强圈厚度为8mm 表5-6 补强圈尺寸（JB1207-73） (mm) 接管公称 直径 外径 内径 厚度S mm Dg D d 4 6 8 10 12 14 16 450 760 484 A 6 450 M12×120 84.9 18 8.47 12.7 16.9 21.2 25.4 29.6 33.9 38.1 20 42.3 c. 试镜 因为试镜要装在封头上，取双层玻璃带颈试镜JB595-64-7 表5-7 试镜尺寸表 （mm） 公称直公称 螺柱 径 Dg 压力D D1 b1 b2 dH×S h ≈H1 Pg 数直MP 量 径 125 0.6 205 175 20 16 133 50 88 8 M12×38

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质量 kg 标准图图号 不锈钢 6.65 JB595-64-7 c.取样管得选取

取样塞主要作用是在发酵后期储酒过程中，不同时间取发酵醪来检测，看是否符合标准，情况是否正常，还能通过此口来检测罐内CO2的浓度，由于此流量不大，内径取10mm就够了。DH×S

d.支座的选取

发酵工厂设备常用支座分为卧式支座和立式支座，其中卧式支座又分为支腿，图型支座和鞍型支座三种，立式支座也分为三种：悬挂支座，支撑式和裙式支座。对于公称容积为45立方米以上的发酵罐，由于设备的总重量较大，应选用裙式支座。本设计的罐体容积为217.73立方米，故选用裙式支座。根据经验，锥底距地面的高度大于1m，裙座的厚度为16mm，它与罐体采用焊接，裙座底部开有两个Dg=450mm的人孔以及一个内径较小的排气孔。

e.安全阀与压力表

在锅炉，管道和各种压力容器中，为了控制压力不超过允许的数值，需要安装安全阀。安全阀能根据介质工作压力自动启闭。

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总 结

本次发酵罐设计，我们查阅了大量的相关资料和进行了很多相关文献的检索，自己也精心设计整理数据，同时在老师和同学的帮助下顺利完成。

通过本次设计，我们对大学四年所学的专业知识得到了全面的巩固，使理论和实践达到更好的结合，进一步锻炼独立思考、分析问题和解决问题的能力。基本掌握了啤酒生产工艺流程设计、工艺计算、设备选型等技能，并对啤酒生产过程的设计有一个整体的把握，具备基本的设计技能。

感谢在毕业设计过程中相关专业老师的指导以及同学的帮助和支持，通过与他们的讨论研究，让我发现错误，并及时改正，顺利完成我的课程设计。

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参考文献

[1]. 管敦仪.啤酒工业手册.上、中、下 .[M]北京：中国轻工业出版社，1998 [2]. 吴思方主编.发酵工厂工艺设计概论.[M]北京：中国轻工业出版社，2005.8 [3]. 刁玉伟主编.化工机械设备设计基础.[M]大连：大连理工大学出版社，1988.8：51-344

[4]. 丁 浩.化工工艺设计.[M]上海：上海科学技术出版社，1989.

[5]. 梁世中主编.生物工程设备.[M]北京：中国轻工业出版社.2005.2.188-194 [6]. 石光源编写.机械制图.[M]北京：高等教育出版社.1990.5.10-21 [4]. 顾国贤编写.酿造酒工艺学.[M]北京：中国轻工业出版社.1996.12.1-285 [8]. 赵国方编写.化工工艺设计概论.[M]上海：原子能出版社.1990.

[9]. 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.1943.10

[10]. 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

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