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啤酒工艺学毕业设计第三部分

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2

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第3章 糖化车间主要设备选型及计算
3。1 粉碎机选用
在本设计中,选用江苏正昌集团有限公司生产的SSLG二辊式粉碎机.其技术条件如下:
型号： SSLGS15×80
产量（t/h）： 3。5
功率（kW)： 4。5
重量（kg）： 450
3.2 设备选型与计算
3.2.1 麦芽暂贮箱
1、由前面的物料衡算可知：
每次投料量：G=4751.78 kg
麦芽容重为：kg/m³
有效容积系数：
所需容积：
=
=11。88m³
2、结构见下图
本设计采用方形锥底，木结构内衬白铁皮，则箱体的尺寸定位：
A=2.80m a=0.45m
B=2。30m b=0.30m
H=1。50m h=1。50m
则总容积：

=2。80×2。30×1。5+

=13。42 （m³）
富裕量为:13%，能满足产量要求。
下图（3—1)为麦芽暂贮箱的示意图：
A
h
H
a
bbbb
B
A

3。2。2 麦芽粉暂贮箱
1、所需容积计算
已知单次投料量为:4751.78kg
麦芽粉的比容：C=2.560m³/t
有效容积的系数取为:，则所需容积为:

=
=17.38 （m³)
2、结构
采用方形锥底，木结构,内衬白铁皮，则定箱尺寸为：
A=3.50m a=0。50m
B=2。00m b=0。30m
H=2.00m h=2.0m
则其总容积为：

=3。50×2.00×2.00+
（2×3。50×2。00+3.50×0.30+0。50×2.00+2×0。50×0。30)
=19.12 (m³)
富裕量为：×100％=10％，能满足产量要求。
下图（3—2）为麦芽暂贮箱的示意图：
A
B
a
b
h
H

3.2。3 大米暂贮箱
1、所需容量计算
每次投料量为：G=2036。48kg
大米容重为：kg/m³
有效容积系数:
所需容积：
=
=3.19 (m³）
2、采用方形锥底，木结构，内衬白铁皮.定箱尺寸为：
A=1。50m a=0.25m
B=1。30m b=0.25m
H=1.50m h=1.30m

=1。50×1.30×1。50+
×（2×1。50×1.30+0.25×1。30+0.25×1。30+2×0。25×0。25）
=4。028 （m³）
富裕量为：×100％=26%，能满足生产要求。
3.2.4 大米粉暂贮箱
1、所需容量计算
每次投料量计算：G=2036.48kg
大米粉比重为:G=1。73 m³/t
有效容积系数为:
所需容积：
=
=5。03 (m³）
2、采用方形锥底，木结构，内衬白铁皮。其结构尺寸为：
A=1。50m a=0。30m
B=1.50m b=0。30m
H=1。50m h=1.50m

=1.50×1.50×1.50+
×（2×1.50×1.50+1.50×0。30+0。30×1。50+2×0.30×0.30）
=5。175 （m³）
富裕量为：×100％=2.8％,能满足生产要求。
3。2。5 糖化锅的设计
由于糖化锅是圆柱形器身略向中央倾斜的平底容器，其容积计算可以按圆柱体近似计算.
1、理论容积的计算
糖化锅所需的容积，按每100kg的麦芽粉投料量为计算的单位，则糖化锅的容器约为700~800L,本设计中糖化锅中投入麦芽粉量为4751.78kg，则糖化锅所需的容量为:
=4751.78×800÷100×
=38.02 （m³）
又因为：，而=2：1；
所以：
解得：D=4.60m,
2、有效容积的计算
按国内生产的设计情况,有效容积取人孔边以下0。5m处来计算，则：

=0。785××（2。30-0。50）
=29.90 （m³）
〉，符合要求。
3.2。6 过滤槽
过滤槽用于过滤糖化后的醪液，使麦汁与麦醪分开而得到清亮的麦芽汁。以每100kg 麦芽所需的过滤体积为0.7～0。8 m³计算基准进行计算，麦芽投料量为4751。78kg,则过滤的体积为：
4751.78×0.8÷100=38。02 （m³)
而1 ㎡槽底面积所能容纳的麦芽量约为125～250kg，在本设计中取200kg/㎡来计算:

式中：G-每次糖化所用的麦芽量
S—所需槽底面积
则： ==23.76 （㎡）
而：23。76,解得D=5。50 （m)
，即23。76h=38.02，解得h=1。60 （m)
又因为过滤槽底部要安装滤板，设其高度为=0。3m,则过滤槽的高度为：
=1。60.+0.30=1。90 (m)
所以过滤槽的尺寸为: D=5。50 m, H=1。90m
3。2.7 麦汁煮沸锅
1、作用
麦汁煮沸锅用于麦汁煮沸和浓缩，蒸发掉多余的水分,使麦汁达到一定的浓度，并加入酒花，使酒花中所含的苦味及芳香物质进入麦汁中。
2、计算
如果以100kg麦芽量作为计算单位，则麦汁煮沸锅容量约为800~900L,再加上25～30%作为麦汁运动的空间。
(1）理论体积的计算
现在以100kg麦芽作为计算单位，设麦汁煮沸锅所需容积为900L,而每次投入的麦芽量为4751.78kg，则所需,爱知煮沸锅的体积为：
=4751.78×900÷100×
=42。77 （m³)
取空余系数为1。30,则：
=1.30×42.77=55。60 (m³）
（2）全容积的计算
煮沸锅的形状和糊化锅相似，则采用圆筒体器身,椭圆形的底，其容积计算为：
原著部分的体积：
椭圆形底的体积：
式中：，
—圆柱部分的体积
—椭圆形底的体积
-圆柱部分的高度
—椭圆形底的高度
a—椭圆形长边
而 ，代入数据解得：

=0.785××2。5+×3.14×2.5×
=57.25 （m³）
其结构如下图所示：
a
h1
D

a

h2

（3）有效容积
取锅身入孔0.5 m以下计算，则：

=47。43 （m³）
富裕量为：
×100%=10.9％
则符合要求。
3.2。8 麦芽暂贮罐
100kg麦芽产生800～900L麦汁,这里取900L,而一次糖化投入麦芽量为4751.78kg，则生产麦汁的量为：
=900×4751.78÷100
=42766.02 (L）
=42.77 （m³)
麦汁暂贮槽的体积为:
（m³)

则： =22。51
解得: D=2.31（m）
H=2D=2。31×2=4。62( m)
设计为椭圆形封头，则封头：a=1。165m ,b=0。583m

H
b
啊
a
D

3.2。9 回旋沉淀槽
1、由物料衡算表可知,糖化一次煮沸后所得到的麦汁量为50185。66L=50.87m³,设液面高度与槽底直径比为: h：d=1：2
由得：
=50.87
解得：D=5.06m，H=2.53m
3。2.10 麦汁冷却器
把经过回旋沉淀后的冷麦汁冷却到发酵温度，一般都采用薄板冷却器。在本设计中采用一段式冷却，用薄板冷却器把麦汁从96℃冷却到8℃，冰水初温2℃,最终温度为78℃.
1、求麦汁放出的热量Q

=50185.61×3.93×(96-8）
=16961732。47 (kJ）
设麦汁冷却时间为1h，则麦汁放出的热量为：
16961732.47÷1=16961732。47 （kJ/h）
2、计算所需的冷却面积

-对数平均温度
K—传热系数，取为11000kJ/㎡。h. ℃
= （℃)
则： = （㎡）
设薄板每片的换热面积为1㎡,则所需的薄板数为：
N=141。21÷1=142(片）
3。2。11 主体设备糊化锅的计算与选型
3。2。11.1 容积计算
1、糊化醪液的密度计算
已知糊化醪的量为11200.64kg
干物质含量:

=
=16。0％
根据计算数据查表《发酵工厂设计概论》附表9，得糊化醪的相对密度为：
=1。067（t/m³）
2、糊化锅体积的计算
由糊化醪的密度和重量可以计算出糊化醪的体积，所以:

=10。50 （m³）
取空余系数为0.7,则糊化锅的全容积为:
(m³）
（1)糊化锅圆柱部分的体积为：

（2）椭圆形底的计算：

（3)锅的全体积为：

式中:D=2，
解得:
3、糊化锅有效容积的计算
根据国内生产的实际情况，有效容积取人孔边0.5m以下来计算，则：

=
=10。99 （m³）
富裕量为：4.67％，所以糊化锅的设计符合要求。
3。2.11。2 管径计算
1、升气管的计算
根据经验值,升气管的截面积为液体蒸发面积的~，即～
式中： D—糊化锅的直径
d—升气管的直径
在本设计中，取，则（m）,取整为0.51m .查《化工原理上》，取DN=510mm,10mm，则d=510mm 。
验证：0。025，在要求的～的范围内,则符合要求.
2、物料进料管
1）物料进入调浆罐的进口直径
成品大米的比重为1。73m³/t,而加入糊化锅中的大米粉中2036.48kg，则：

=2036.48÷1000×1。73
=3.53 (m³）
所以总原料的体积为：3.53 （m³）
假设20min下完料，则：
（m³/s）
设下料速度为1m/s,则，即:
(m）
而物料进口管径：d=2r=2×0。0306=0.0612 m=61。2mm,圆整为62mm。
查《化工设计机械基础》，取 mm，则d=62mm 。
2)进水管
有前的计算可知进水量为9164.16kg，加水时间设为20min，自来水流速为1.0～1。5m/s,而在本设计中取u=1 m/s，=988。1kg/m³(加热水温度为50℃比热）。
则： (m³）
则： （m³/s)
而
（m）
取整为100mm,查《化工设计机械基础》，取10mm
验证： （m/s）
u在1。0~1.5m/s范围内，则符合要求.
3）浆液进入糊化锅的直径
已知: （m³）
设从调浆罐输送浆液到糊化锅中的时间约为20min，则其体积流量u取1.0m/s，则:
（m³/s）
则：
查表取DN=106mm，mm的管径。
3.2。11。3 糊化醪的出口径
糊化醪液在第一次煮沸的过程中蒸发的水分量为373。15kg，则剩余的糊化醪液量为：
G=11200。64—373.35=10827。29 （kg）
而干物质的量为：

=
=16.55%
查表用内查法求的其密度为1.068t/m³，则：

=10。14（m³）
同理,u=1m/s输送完的时间为20min，则：
（m³/s）
（m）
则选取的出口管DN=104，由于选取管径与标准法兰想适应，则出口管选用mm的无缝钢管。
3.2.11。2.4 蒸汽进管

公式中各字母表示如下:
D-糊化一次耗用的最大蒸汽量（kg）
—第一次糊化醪煮沸的热量(kJ）,取3530680。06 kJ
I—使用表压为0.3Mpa的饱和蒸汽压（kJ/ kg）,取I=2753.3 kJ/ kg
i—为相应的冷凝水的焓（kJ/ kg）,取i=561。47 kJ/ kg
—为蒸汽的热效率，这里取=95%
把以上各数据带入公式，则可得：
（kg)
又因为在0.3Mpa下的蒸汽压,查《化工原理》(上)得其密度为kg/m³，从热量衡算的工艺来看，在糊化过程中,糊化醪第一次煮沸耗用的蒸汽最大，设其煮沸时间为40min，单位时间通入的蒸汽量为,则：
（kg/s）
故： （m³/s）
查的饱和蒸汽流速u=20～60m/s，在本设计中取u=60 m/s
设糊化锅底部有4个对称的蒸汽进口管,则:
,带入数据可得4×3.14××60÷4=0。434
解得：D=0。048（m)，取整为48mm,查表取mm 。
验证：（m/s）
由上可知，验证的u在要求的范围内，则符合要求。
3.2。11。2。5 冷凝水管
0.95×1717。50=1631。63 (kg）
在0。3Mpa绝对压强下kg/m³ ,所以：
（m³）
设排出冷凝水的时间为10min，则：
（m³/s）
再设排出管有对称的4个，取u=1 m/s,则代入数据得：

查表取得DN=30, mm
3。2。11。2.6 不凝气管
根据经验值，设不凝气为蒸汽的5％，则其不凝气管计算如下：
（m³/s）
取其流速u=20~40m/s，取u=30m/s,设有两个不凝其出口，则其直径为：
（m）
取整为D=28mm,查表取得 mm
验证:(m/s)
则流速在要求的范围内，符合要求.
3.2.11。2。6 排污管
根据经验数据，设排污水为蒸发水量的20％;已知麦汁煮沸过程中两次蒸发水量:
G=373.35+6553。46=6926.81（kg）
则排污水的质量为：（kg）
设水的流速为1m/s，排污水的时间为5min，而且有两个对称的排污水管，则代入数据可得：
(m³）
故 （m³/s）
而带入数据可得：2×0。25×3。14×=0。00495
解得：d=0。056m,即D=56mm，查《化工设备机械基础》，取mm
表3-1 糊化锅接管
管子名称
直径（mm）
材料
升气管
10mm
不锈钢
进料管
mm
不锈钢
出料管
mm
不锈钢
蒸汽进管
mm
不锈钢
冷凝水管
mm
不锈钢
不凝气管
mm
不锈钢
排污管
mm
不锈钢
3.2。11。3 糊化锅壁厚的计算
1、圆筒部分的计算
（1)在此设计中采用不锈钢作为制作材料.
设计压力：

=0。101+1000×9。81×（1.6+0。8）×
=0.125 (MPa）
计算压力：
（MPa）
计算厚度：
查《化工设备机械基础》附录表9，的其厚度为S=2~60mm，150℃以下=137 MPa;焊接处无局部探伤，取(为单面焊)；
则计算厚度：（m)=3（mm）
取厚度附加量：
—钢板厚度偏差,取为1mm
—腐蚀余量，取为1mm
则：（mm）
（mm）
由于是使不锈钢作为材料，材料加工时取为8mm
(2）复核强度计算
由式则得：
（MPa)
而：137×0.8=109.6(MPa）
可见,则水压强度符合要求，筒体壁厚=5mm适合。
(3)最高工作压力为：
(MPa)
可见>P，则设计压力适合。
3、锅底厚度
外夹套通入0.3MPa蒸汽，工作压力为1.5kg/m²,即为0。15MPa，为了使锅底传热效果更好，采用紫铜作为制作材料。在此采用外压圆筒的工程设计方法来计算。
根据《化工设备机械基础》P136～137，本设计才哦也难怪椭圆形作封头底，其计算厚度的方法，按外压球壳图算法进行设计。
(1）假设 （mm）
（mm）
（mm)
（2)用公式计算系数A

查图取B值，查图5-9，得B点落在材料线是右方，得B=32MPa
(3）许用外压应力P
（MPa)
(4）比较
-计算压力
—许用外压应力
从以上计算数据可以得=0。138MPa ，=0。2776MPa
则〉,假设厚度符合要求,实际加工时=14mm
3。2.11。4 加热面积的计算
1、蒸汽在垂直壁上冷凝时,冷凝液靠重力作用向下流动，假设冷凝液为层流流动,加热量以导热的方式穿过液膜传向壁面，则给热系数的大小取决于冷凝液膜的厚度和导热系数。根据理论推导,得垂直壁上的传热系数为:

-垂直壁上蒸汽冷凝的传热系数,W/m².K
—冷凝液的密度，kg/m³
g—重力加速度，m/s³
—冷凝液的导热系数，W/m²。K
—冷凝液的粘度,Pa.s
—蒸汽的冷凝潜热,kJ/kg
—蒸汽的温度，℃
—被加热汽壁的温度，℃
L—长度，即为糊化锅蒸汽夹套的高度,m
其中，、、取冷凝液的平均温度之值，取时的值，则冷凝液的平均温度为：

由《化工原理上》得0.3 MPa绝对压强下的蒸汽温度为132.88℃，设糊化锅的壁温为110℃,则：
×（132.88+110）=121.44（℃)
在121。44℃下,水的物理常数为:
=942.26 kg/m³
=0。6222 W/m²。K
=234。244× Pa。s
在132.88℃时，=2165.9 kJ/kg
蒸汽夹套应考虑由于器壁倾斜，膜厚增加，值降低，设倾斜角为°,取夹套的高度为1m，则：

=
=5010。922（W/m³.K）
由于实际值比理论的值大20％，所以：
=5010.922×1。2=6013.107(W/m³。K)
2、蒸汽夹套加热时，其加热面到糊化醪液的给热系数当有搅拌器时，夹套内壁的传热系数可按下式计算：

上式中 D—表示容器直径,m;
n—搅拌桨叶转速,r/s；
—醪液的导热系数，kg/m。k；
—搅拌桨叶的直径，m；
—醪液平均温度时的黏度，kg/m.s；
—流体给热棉壁温时的粘黏度，kg/m.s;
-糊化醪液的比热容,kJ/kg。K;
—醪液的密度，1067kg/m³；
在此式中，D=3.2m，n=0.5r/s, /D=0。35～0.8,取=1。92m
查表得 =0。680 kg/m.k，=3。7× kg/m。s；
=3。61 kJ/kg.K，=1067 kg/m³.
当醪液被加热时，,把以上数据代入公式得：

=1471。3476（W/m³.K）
则总传热系数:
—蒸汽冷凝时的传热系数；
—蒸汽夹套加热面至糊化锅糊化醪的给热系数；
—被加热紫铜的锅底；
—加热面材料的给热系数;
这里取数为:=16mm，=330 kg/m。k
（1）由前面的计算可知，在糊化煮沸的过程中,耗热量最大是在把糊化醪从初温加热至煮沸的阶段，取Q=227430。95(kJ），设煮沸时间为40min，则每小时蒸汽的最大耗热量为：
2227430.95÷40×60=3341146.425 (kJ/h）
（W/m².℃）
又 1 W/m².℃=0.86千卡/m²。h.℃
1J=2。39×千卡
1千卡=4.2kJ
所以：K=1118。023×0.86×4.2
=4038。299 （kJ/m².h。 ℃）
（2)求对数平均温度
初温=47。11℃
煮沸温度T=100℃
则:
=55。15℃
3、加热面积

代入以上计算的相应数据,则得:
（m²）
设椭圆形的夹套的直径，短轴长1m，则夹套的面积为,则:
（m²)
则 夹套设计符合要求.
3。2.11。5 夹套壁厚（外锅底）
（1）厚度计算
夹套外锅底采用不锈钢则查表在150℃下的许用应力为：

由前面计算可知:夹套直径D=3.8m,
(mm)
取整为 3mm
查表取
则：(mm），在材料加工时，取（mm）
(2)复核强度

代入数据则得:
（MPa）
而
由以上计算可以得出，则符合要求，取（mm)
（3）最大允许工作压力

可见,则设计压力适合。
3.2.11。6 糊化锅锥形上封头的设计
1、锥形封头的选用
把锥形大端的角度设计为30°,采用无折边结构.选用不锈钢板则在100℃的条件下，其许用应力为
2、厚度的计算
由前面的计算得取，则：

查《化工设备设计机械基础》P109锥体大端与圆筒体连接处的加强图，得其交点在曲线的下方,则连接处需要局部加强.再查其Q值图，得Q=3.45，则其厚度计算公式如下：

取整为,由于锥壳和圆筒加强段的厚度必须相同，所以,和圆筒的厚度相等。
3、加强长度的计算
（1)锥壳加强段的长度： ；则：

在此设计中取
（2）筒体加强段的长度:，则：

取 L=130mm
3。2。11.7 搅拌功率设计
1、糊化锅多使用二折旋浆式搅拌器,可使用永田进治公式进行搅拌功率的计算.公式参考《生物工程设备》P 188—191
(1）、轴功率
① 先求功率准数

② 搅拌雷诺准数：
式中: —搅拌桨叶的长度,m；
N—搅拌桨叶转数，r/s；
-流体密度，kg/m³
D—糊化锅的直径，m；
—流体的黏度,Pa。s；
b—搅拌桨叶宽度，m；
圆柱体部分的液层高度；
θ—搅拌桨叶的折叶角,一般为45°或60°。
参照《搅拌器设计》P31表2-4可知,0.35～0.80，D=3。2m, 取m；
而,再要求的范围内，则符合设计要求；
~0.25，取，则b=0。1×1。92=0。192m；
θ=60°，n=20~40r/min，取n=30r/min=0。5r/s；
u=1～3m/s，取u=2m/s（搅拌器叶端的线速度)
查《啤酒工艺手册下》相应的图:
由图8-2—6 得A=42
由图8—2—7 得B=1.0
由图8—2—8 得P=1.60
所以:

则:

把以上数据代入公式则：
2、
3、电机的功率

上式中：—阻力系数，为1.1～1.3；
k—电机功率贮备系数,取1.2～1.4;
-克服传动机构和轴封之间的摩擦损失；
—传动机构的总效率，一般取=0.2～0。4；
把以上数据代入公式，则得:

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