发酵车间设计说明书样本.doc

摘要
伴随生活水平提升，大家对啤酒需求越来越大。在国际上，啤酒工业发展趋势是大型化和自动化，工艺上于缩短生产周期，提升整体生产经济效益。在啤酒工艺基础成熟情况下，啤酒生产装备影响要比其工艺影响大。所以，啤酒行业竞争，最直接表现是啤酒企业对装备快速更新和技术提升。对新建啤酒工厂来说，发酵方法和所选择设备室很关键。 所以，本设计关键在于以最新研究为基础进行新型设备选择和设计。发酵所用到设备室锥形罐，采取三段式冷却，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 设计标准
第三节 生产规模和产品方案
第四节 生产工艺步骤
第二章 发酵车间物料衡算
第一节 工艺步骤及相关工艺参数
第二节 物料衡算
第三章 设备设计和选型
第一节 设备设计和选型标准
第二节 关键工艺设备设计和选型
第三节 关键设备一览表
第四章 发酵车间部署设计
第一节 发酵车间部署设计标准
第二节 建筑概述
第三节 发酵车间部署设计说明
参考文件

第一章 总论
第一节 设计依据和范围
一 本设计依据是：
1) 同意项目申请汇报
2）可行性研究汇报和设计计划任务书。
3) 项目工程师或项目总责任人下达设计工作提要和总工程师作出技术决定。
二 设计范围
关键进行发酵车间设计，关键包含：发酵车间物料衡算和耗冷量计算、发酵罐和贮酒罐选型及其它通用设备如多种泵选型。

第二节 设计标准
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.设计工作必需认真进行调查研究。要学会搜集设计必需技术基础资料，加强技术经济分析工作，深入调查，和同类型厂优异技术经济指标做比较，要善于从实际出发去分析研究问题。设计技术经济指标以达成或超出中国同类型工厂生产实际平均水平为宜。
三.要解放思想，主动采取新技术，努力争取设计在技术上含有现实性和优异性，在经济上含有合理性。并依据设备和控制系统在资金和共货可能情况下，尽可能提升劳动生产率，逐步实现机械化，自动化。
四.设计必需结合实际，因地制宜，表现设计通用性和独特征想结合标准，不能千厂一貌。工厂生产规模，产品品种确实定，要适应国民经济需要，要考虑资金起源，建厂地点，时间，三废综合利用等条件，并合适留有发展余地。
五.发酵工厂设计还应考虑采取微生物发酵工厂独特要求，既要注意到周围环境清洁卫生，又要注意到工厂内车间之间对卫生，无菌，防火等条件相互影响。另外，食品类发酵工厂，还应落实国家食品卫生法相关要求，充足表现卫生，优美，流畅，并能让参观者放心标准。
六.累计工作必需加强计划性，个阶段工作要有明确进度。
本课题是设计年产20万吨啤酒厂发酵车间，其关键是发酵车间工艺及其关键设备设计和选型。
本课题关键遵照以下标准：设计仔细，面面到位，考虑全方面，尽可能降低成本
第三节 生产规模和产品方案
年产量：00t/a啤酒生产
每十二个月生产天数：300天
产品规格： 12°淡色啤酒
大米
粉碎机
糊化锅
糖化锅
水、蒸汽
煮沸锅
过滤槽
麦糟
回旋沉淀槽
发酵罐
啤酒过滤机
灌装机
清酒罐
杀菌机
熟啤
热凝固物
酵母
二氧化碳
鲜啤
酒花
麦汁冷却器
冷凝固物
第三节 生产工艺步骤

第二章 发酵车间物料衡算
第一节 工艺步骤及相关工艺参数
（1）工艺步骤
糖化缪 →冷却→ 主发酵罐 →烛式离心机→ 贮酒罐 →过滤
↑
二级种子
↑
通少许空气

（2）相关工艺参数
表1-1
项目
名称
百分比（%）
项目
名称
百分比（%）
定

额

指

标
原料利用率
98.5
原料配比
麦芽
75
大米
25
麦芽水分
6

啤酒损失率

（对热麦汁）
冷却损失
3
大米水分
13
发酵损失
1
无水麦芽浸出率
75
过滤损失
1
无水大米浸出率
92
装瓶损失
2
总损失
6
书本67页 表4-6
依据上表基础数据，首优异行100kg原料生产12°淡色啤酒物料计算，然后进行1000L 12°淡色啤酒物料衡算最终进行00t/a12°淡色啤酒糖化车间物料衡算。
1）100kg原料（75%麦芽，25%大米）生产12°淡色啤酒物料衡算
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%

设天天糖化6次，每十二个月工作300天，则每十二个月共糖化1800次。由此可算出每次投料量及其它项目标物料平衡。整理得以下表：
物料名称
单位
对100kg
混合原料
1000L12°淡色啤酒
糖化一次定额量
混合原料
kg
100
185.1
14808
麦芽
kg
75
138.8
11104
大米
kg
25
46.3
3704
酒花
kg
1.20
2.13
170.4
热麦汁
L
574
1063
85040
冷麦汁
L
556.8
1031
82480
湿糖化糟
kg
96.78
179.2
14336
湿酒花糟
kg
3.45
6.39
511.2
发酵液
L
551.2
1020
81600
过滤酒
L
545.7
1010
80800
成品啤酒
L
540.2
1000
80000
备注：12°淡色啤酒密度为1012kg/m3, ，实际年生产啤酒。
表1－3
发酵工艺参数确实定
项目
单位
指标数
生产规模
t/a
00
生产方法

锥形罐、间歇发酵
年生产天数
d/a
300
二级种液接种量
%
10
产品日产量
t/d
667
主酵温度
℃
6
产品规格
度
12
酵母回收时间

主发酵结束后
贮酒温度
℃
-1

第二节 物料衡算

1、 生产100L12°淡色啤酒进入发酵罐冷却麦汁量，由表1－2可知
V1＝103.1L
2、 二级种液量
V2＝V1*10%=10.31L
3、 生产100L12°淡色啤酒发酵液量
V3=102L
4、 酵母量（以商品干酵母计）
生产100升啤酒可得2千克湿酵母液，其中二分之一作商品干酵母用
湿酵母泥含水分85％
酵母含固形物＝1*（100-85）/100＝0.15千克
则含水分7％ 商品干酵母量为0.15*100/（100-7）＝0.16千克
5、 二氧化碳量
12度 冷麦汁103.1L浸出物量为
12％*103.1＝12.37升
麦汁发酵度为60％，则可发酵浸出物量为
12.37*60％＝7.42升
麦芽糖发酵 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 二氧化碳量为 3.82-0.41＝3.41升

第三节 耗冷量计算
（一）步骤示意图
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00t;
天天糖化6次，每十二个月共糖化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%;
依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
近几年来普遍使用一段式串联逆流式麦汁冷却方法。使用冷却介质为2℃冷冻水，出口温度为85℃。糖化车间送来热麦汁温度为94℃，冷至发酵起始温度6℃。
依据表4-7啤酒生产物料衡算表，可知每糖化一次热麦汁85040L，而对应麦汁密度为1048Kg/m3，故麦汁量为：
G=1048*85.040=89122（Kg)
又知12°Bx麦汁比热容为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）
依据设计结果，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）
依据物料蘅算，每锅麦汁冷麦汁量为82480L，则每锥形罐发酵放热量为：
Q0’=44.18*82480*4=14.567×106（KJ）
因为工艺要求主发酵时间为6天，天天糖化6锅麦汁，并考虑到发酵放热不平衡，取系数1.5，忽略主发酵期麦汁温升，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℃，天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（麦汁天天装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 耗冷量Q3
设酵母添加量为麦汁量 1.0％，且使用1℃ 无菌水洗涤，洗涤无菌水水量为酵母量 3倍，冷却前无菌水水温为30℃，用-8℃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
依据工艺设计，每个月需进行一次酵母纯培养，培养时间为12天，即288h.,依据工厂实践，年产00t啤酒酵母培养耗冷量为：
Q4＝130000(KJ/h)
对应 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 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
依据经验，取冷量散失为30000KJ/t，故旺季天天耗冷量为
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）
若天天日晒高峰耗冷为平均每小时耗冷量 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）00t/a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)

每罐耗冷量KJ

工
艺
耗
冷
量
麦汁冷却Q1
32.37
125.48×106
发酵耗冷Q2
539599
24.558×106
无菌水冷却Q3
299947
399929
酵母培养Q4
130000
1.152×106
工艺总耗冷Qt
32.34×106
57.487×106
非工艺耗冷量

锥形罐冷却Q5
1.25×106
20.0×106
管道等冷损Q6
3.882×106
62.112×106
非工艺总耗冷Qm
5.132×106
82.112×106
累计
总耗冷Q
37.47×106

第三章 设备设计和选型
第一节 设备设计和选型标准
多年来，啤酒发酵设备向大型、室外、联合方向发展。大型化目标关键有两方面：大型化使啤酒质量均一化；因为啤酒采取一罐法进行发酵，生产罐数降低，降低了关键设备投资。
第二节 关键工艺设备设计和选型
(一）发酵罐设备计算
１、发酵罐选型
选择公称容积为500m3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、生产能力计算
现天天产12度淡色啤酒667吨，发酵周期为18天
则天天需热麦汁体积为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%，则天天需要发酵罐总容积为V0
V0=V麦/ф=679.4÷90%=754.89（m3)
3、发酵罐个数确实定
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发酵罐29个
535×90%×1.61
实际产量验算：————————— ×300=228228(t/a)
1.019
228228－00
富裕量：——————=14.11%，能满足产量要求
00
4、冷却面积计算
对于前发酵
对于啤酒发酵，每1m3发酵液，每小时传给冷却器最大热量为4.18×KJ/h
采取竖式列管换热器，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发酵罐，天天装1.61罐，每罐实际装液量为
679.4÷1.61=422（m3)
Q 4.18××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××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××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、冷却管部署计算
（1）求最高热负荷下耗水量W
而Q总=4.18××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
现依据本罐情况，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）设备材料选择
选择不锈钢制作
（7）发酵罐壁厚S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1.05倍，现取0.4MPa
D——发酵罐内径，为6 m
[σ] ——不锈钢许用应力，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
选择17mm厚不锈钢板制作
（8）支座选择
因为设备容量大，总质量也比较大，所以用裙式支座。
（二）种子罐设备计算
1、种子罐容积确实定
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、种子罐个数确实定
种子罐和发酵罐对应上料，发酵罐天天上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、关键尺寸确实定
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
查对应表得封头高H’封=0.8m
罐体总高H’罐=7.8m，封头容积3.0m3
4、冷却面积计算
采取蛇管冷却，酵母培养温度为10度。据此为依据，根据发酵罐冷却面积算法计算。
5、设备材料选择
仍采取不锈钢制作。查表得，壁厚为3mm.
6、支座选型
采取支撑式支座
（四）泵选型
只需要选择离心泵即可满足生产。压缩空气用往复泵。
第三节 关键设备一览表

00t/a啤酒厂发酵车间设备一览表
序号
设备名称
台数
规格和型号
材料
备注
1
发酵罐
29
公称容积500m3
不锈钢
专业设备

通用设备
2
种子罐
4
公称容积50m3
不锈钢
3
离心泵
8
IS80—50—200
机体铸铁
4
往复泵
1

机体铸铁

第四章 发酵车间部署设计
第一节 发酵车间部署设计标准
1、车间部署应符合生产工艺要求
2、车间部署应符合生产操作要求
3、车间部署应符合设备安装、检修要求
4、车间部署应符合厂房建筑要求
5、车间部署应符合节省建设投资要求
6、车间部署应符合安全、卫生和防腐蚀要求
7、车间部署应符合生产发展要求
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关键步骤，是利用经过糖化车间处理后麦汁来进行发酵，所以要靠近糖化车间以节省在管道上投资。另外，因为是关键生产车间，所以在进行厂房总平面设计时应该把发酵车间部署在生产区；而且很多设备需要电力、压缩空气、冷却水等等，所以也要靠近辅助车间（配电室、空气压缩机室等）；还有很多仪表及参数要监控，所以要设有控制室；发酵啤酒还要立即进行过滤才能够灌装，所以尽可能靠近过滤车间。
第三节 发酵车间部署设计说明
（1） 因为啤酒发酵用到锥形罐容积、重量比较大所以采取露天部署，以裙座方法进行支撑。
（2） 经过计算生产20万吨啤酒需要28个锥形罐，四个种子罐。因为发酵罐数量较多，采取直线对称整齐排列部署，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。
（3） 车间设计为单层厂房，层高设为5.1m，平面部署为长方形，跨度采取12m，柱距采取12m。厂房建筑结构采取钢筋混凝土排架结构。
（4） 每两个发酵罐间距为1.5m，和墙之间距离也是1.5m，发酵罐锥底出口离地面高度为1.5m。
（5） 发酵车间内设备部署和关键生产步骤次序相一致，具体部署见设备部署图。
其它见图纸。
参考文件
[1]吴思方主编，《发酵工厂工艺设计概论》，中国轻工业出版社
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[3] 高孔荣 , 发酵设备,中国轻工业出版社 
[4] 科罗博夫等程耀芳李安申 ,发酵生产工艺计算 ,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