1.1. Lượng nhiệt lạnh cần cấp cho thiết bị làm lạnh nhanh
Lượng dịch đường đi lên men ứng với một mẻ nấu bia lon và bia chai là 348,84 hl, có nồng độ chất khô 12oBx có khối lượng riêng 1,048 kg/lít. Khối lượng dịch đường đưa đi làm lạnh: G1 = 34884.1,048 = 36 558 kg.
Dịch đường sau lắng xoáy có nhiệt độ khoảng 90oC cần được làm lạnh nhanh xuống nhiệt độ lên men là 8oC, Δt1 = 80oC.
Với điều kiện trên ta có:
- Nhiệt dung riêng của nước: Cn = 4,173 kJ.kg-1.độ-1
- Nhiệt dung riêng của chất tan quy theo đường tan: Ct = 1,314 kJ.kg-1.độ-1 Nhiệt dung riêng của dịch đường:
C1 = Cn .Ct 100 12 . 100 12 100− + = 3,83 kJ.kg-1.độ-1
Chất tải nhiệt là nước 2oC sẽ được nâng lên nhiệt độ 74oC, Δt2 ≈ 70oC. Khi đó lấy nhiệt dung riêng trung bình của nước: C2 = 4,173 kJ.kg-1.độ-1.
Lượng nước 2oC cần để làm lạnh dịch đường đi lên men là: G2 = 2 2 1 1 1 . . . t C t C G ∆ ∆ = 365584,173.3,.8370.80 = 38 346 kg
Nước ban đầu có nhiệt độ 25oC được làm lạnh xuống 2oC, Δt = 23oC. Khi đó nhiệt dung riêng trung bình của nước là: C = 4,185 kJ.kg-1.độ-1.
Q = G2.C.Δt = 38346.4,185.23 = 3691.103 kJ
Lượng nhiệt lạnh cần cung cấp để làm lạnh nước ứng với 1 ngày nấu là: QLạnh nhanh = 12 . Q = 44292.103 kJ.
1.2. Lượng nhiệt lạnh cấp cho khu tank lên men
1.2.1. Lượng nhiệt lạnh cần cung cấp trong giai đoạn lên men chính
Phản ứng chính xảy ra trong quá trình lên men:
C12H22O11 + H2O → 4C2H5OH + 4CO2 + Q
342 g 18 g 184 g 176 g 312,3 kJ Nhiệt lượng toả ra khi lên men 1 kg đường maltose là:
q = .312,3 342
1000
= 913,1 kJ
Lượng dịch đường đi lên men ứng với 1 tank lên men bia lon và bia chai là: 139,5 m3 Dịch đường đi lên men có nồng độ chất khô là 12˚Bx, có khối lượng riêng 1,048 kg/l. Khối lượng dịch đường đưa đi lên men ứng với 1 tank lên men bia lon và bia chai là:
139500.1,048 = 146 196 kg
Trung bình mỗi ngày lên men nồng độ chất khô của dịch giảm 1,5oBx, tức là 1 ngày ứng với 1 tank lên men lượng chất khô chuyển hoá là:
G = .146196 100 5 , 1 = 2193 kg
Coi chất khô chuyển hoá ở đây là đường maltose thì nhiệt lượng toả ra ứng với 1 tank trong 1 ngày ở giai đoạn lên men chính là:
Q = G.q = 2193.913,1 = 2 002 428 kJ
Lượng nhiệt cần phải giải toả ở 27 tank trong giai đoạn lên men chính trong 1 ngày là:
Q1 = 27 . Q = 54 066.103 kJ Tổn thất lạnh:
Qtt = K . F . Δt, kJ/h trong đó:
K - Hệ số truyền nhiệt qua lớp cách nhiệt với K = 1,2 kJ.m-2.độ-1.h-1;
F - Diện tích truyền nhiệt, m2.
Nhiệt độ không khí bên ngoài thùng lên men tng = 28oC Nhiệt độ dịch lên men ở giai đoạn lên men chính ttr = 8oC
Δt = tng – ttr = 20oC
Coi tổn thất chủ yếu ở phần thân trụ của thùng lên men ta có: F = π . Dng . H = π . 4,8 . 8,35 = 125,9 m2 Nên:
Qtt = K.F.Δt = 1,2.125,9.20 = 3022 kJ/h
Tổn thất nhiệt lạnh trong 1 ngày ở cả 27 tank trong giai đoạn lên men chính: Q2 = 27 . 24 . Qtt = 27 . 24 . 3022= 1958.103 kJ
Lượng nhiệt lạnh cần cung cấp cho các tank lên men trong giai đoạn lên men chính 1 ngày:
QLMchính = Q1 + Q2 = 56024.103 kJ
1.2.2. Lượng nhiệt lạnh cần cấp để hạ nhiệt độ dịch
Khi kết thúc lên men chính bia non có nồng độ chất khô 4,5-4,7oBx được hạ nhiệt độ từ 8oC xuống 5oC thực hiện quá trình xả nấm men kết lắng, sau đó tiếp tục hạ nhiệt độ khối dịch xuống 2oC và thực hiện quá trình lên men phụ, Δt = 6oC. Ở điều kiện này ta lấy thông số trung bình:
- Nhiệt dung riêng của nước: Cn = 4,207 kJ.kg-1.độ-1
- Nhiệt dung riêng của chất tan quy theo đường tan: Ct = 1,638 kJ.kg-1.độ-1 - Nhiệt dung riêng của dịch: C = 0,97Cn + 0,03Ct = 4,13 kJ.kg-1.độ-1
Thể tích bia non ứng với 1 tank lên men: 132,6 m3. Bia có nồng độ chất khô 4,5oBx, có khối lượng riêng 1,012 kg/l. Khối lượng dịch cần làm lạnh:
G = 132600 . 1,012 = 134 191 kg
Giai đoạn này tổn thất lạnh ra môi trường khoảng 5%. Tổng lượng nhiệt lạnh cần cung cấp, 1 ngày cần hạ nhiệt 3 tank:
1.2.3. Lượng nhiệt lạnh cần cung cấp trong giai đoạn lên men phụ
Trung bình 1 lít bia non tổn hao 1 kJ trong ngày, thể tích bia non ứng với 1 tank lên men là 132,6 m3. Lượng nhiệt lạnh cần cung cấp đối với 39 tank trong giai đoạn lên men phụ trong một ngày là:
Q1 = 39 . 132,6.103 . 1 = 5171.103 kJ Tổn thất lạnh:
Qtt = K . F . Δt, kJ/h trong đó:
K - Hệ số truyền nhiệt qua lớp cách nhiệt, K = 1,2 kJ.m-2.độ-1.h-1; F - Diện tích truyền nhiệt F = 125,9 m2;
Nhiệt độ không khí bên ngoài thùng lên men tng = 28˚C Nhiệt độ dịch lên men ở giai đoạn lên men phụ ttr = 2˚C
Δt = tng – ttr = 26˚C Nên:
Qtt = K.F.Δt = 1,2.125,9.26 = 3928 kJ/h
Tổn thất lạnh trong 1 ngày ứng với 39 tank trong giai đoạn lên men phụ: Q2 = 39 . 24 . Qtt = 39 . 24 . 3928 = 3677.103 kJ
Tổng lượng nhiệt lạnh cần cung cấp cho các tank ở giai đoạn lên men phụ trong 1 ngày là:
QLMphụ = Q1 + Q2 = 5171.103 + 3677.103 = 8848.103 kJ Lượng nhiệt lạnh lớn nhất cần cấp cho các tank lên men trong 1 ngày là: QLên men = QLM chính + QHạ nhiệt + QLM phụ
= 56024.103 + 10500.103 + 8848.103 = 75372.103 kJ
1.3. Lượng nhiệt lạnh cấp cho hệ thống cấp men giống
1.3.1. Lượng nhiệt lạnh cần cấp để tái sử dụng men kết lắng
1.3.1.1. Rửa men
Lượng nước rửa sữa men kết lắng ứng với 1 tank lên men có thể tích bằng 3 lần thể tích sữa men kết lắng ứng với 1 tank lên men
Vn = 3 . 2790 = 8370 lít → Gn = 8370 kg
Nước ban đầu vào có nhiệt độ 25oC, để thực hiện quá trình rửa men kết lắng, nước cần được làm lạnh xuống 1 – 2˚C, Δtn = 24oC. Ở điều kiện này nhiệt dung riêng trung bình của nước là: Cn = 4,185 kJ.kg-1.độ-1.
Nhiệt lạnh cần cung cấp để làm lạnh nước là:
Qrửa men = Gn . Cn . Δtn = 8370 . 4,185 . 24 = 841.103 kJ
1.3.1.2. Bảo quản men
Men sữa sau rửa, kiểm tra hoạt lực cần được bảo quản lạnh ở nhiệt độ 0 – 2oC. Thực hiện bảo quản ngay trong thùng rửa men, tổn thất lạnh trong quá trình bảo quản là:
Qtt = K . F . Δt, kJ/h trong đó:
K - Hệ số truyền nhiệt qua lớp cách nhiệt với K = 1,2 kJ.m-2.độ-1.h-1; F - Diện tích truyền nhiệt, m2.
Nhiệt độ không khí bên ngoài tng = 28oC Nhiệt độ bảo quản men sữa ttr = 0oC
Δt = tng – ttr = 28oC Coi tổn thất lạnh chủ yếu ở thân trụ của thùng thì:
F = π . Dng . H = π . 1,8 . 2,52 = 14,3 m2 Suy ra: Qtt = K . F . Δt = 1,2 . 14,3 . 28 = 480 kJ/h
Lượng nhiệt lạnh cần cấp để bảo quản men trong 1 ngày (ứng với 1 tank) là: Qbảo quản = 24 . Qtt = 24 . 480 = 11,5.103 kJ
1.1.3.3. Hoạt hoá men
Men sữa trước khi tái sử dụng được hoà trộn với lượng dịch đường có thể tích gấp 4 lần thể tích men sữa và để nhiệt độ tăng từ từ tới gần nhiệt độ lên men 8˚C. Trong quá trình hoạt hoá độ cồn của dịch tăng lên tới khoảng 0,3%.
Thể tích dịch men sữa đã hoạt hoá bằng 1/100 thể tích dịch ứng với 1 tank lên men: 1395 lít. Coi tỷ khối của dịch bằng 1. Khối lượng cồn được tạo ra là:
0,003 . 1395 = 4,185 kg
Tương ứng với lượng cồn tạo thành, nhiệt lượng toả ra là: Q = 184 3 , 312 . 4185 = 7 103 kJ Tổn thất lạnh trong quá trình hoạt hoá:
Qtt = K . F . Δt, kJ/h trong đó:
K - Hệ số truyền nhiệt qua lớp cách nhiệt với K = 1,2 kJ.m-2.độ-1.h-1; F - Diện tích truyền nhiệt, m2.
Nhiệt độ không khí bên ngoài tng = 28oC Nhiệt độ men hoạt hoá ttr = 8oC
Δt = tng – ttr = 20oC Coi tổn thất lạnh chủ yếu ở phần thân trụ của thiết bị thì:
F = π . Dng . H = π . 1,2 . 1,57 = 5,9 m2 Nên:
Qtt = K . F . Δt = 1,2 . 5,9 . 20= 141,6 kJ/h
Thời gian hoạt hoá men khoảng 6h, thì lượng nhiệt lạnh cần cấp cho quá trình hoạt hoá men là:
Qhoạt hoá = Q + 6 .Qtt = 7103 + 6 . 141,6 ≈ 7953 kJ
Lượng nhiệt lạnh lớn nhất cần cấp trong 1 ngày để tái sử dụng men kết lắng là: Qmen sữa KL = 3(Qrửa men + Qbảo quản + Qhoạt hoá) = 2583.103 kJ.
1.3.2. Lượng nhiệt lạnh cần cấp để nhân men
1.3.2.1. Nhân men cấp II
Lượng dịch đường sử dụng để nhân men cấp II bằng 1/10 lượng dịch lên men, tức có thể tích 41861 l. Dịch đường sử dụng để nhân men có nồng độ chất chiết 12˚Bx, có khối lượng riêng 1,048kg/l.
Khối lượng dịch đường dùng để nhân giống cấp II là: 41861 . 1,048 = 43870 kg Lượng chất khô có trong dịch đường nhân men cấp II là:
0,12 . 43870 = 5264 kg Trong đó có 80% chất chiết là đường có khả năng lên men.
Coi lượng chất chiết chuyển hoá chiếm 60%, khối lượng chất khô chuyển hoá là: 0,6 . 5264 = 3159 kg
Coi chất khô chuyển hoá là đường maltose, 1 kg đường maltose lên men toả ra nhiệt lượng 913,1 kJ.
Nhiệt lượng toả ra là:
Q1 = 913,1 . 3159 =2884.103 kJ Tổn thất lạnh:
Qtt = K . F . Δt, kJ/h trong đó:
K - Hệ số truyền nhiệt qua lớp cách nhiệt với K = 1,2 kJ.m-2.độ-1.h-1; F - Diện tích truyền nhiệt, m2.
Nhiệt độ không khí bên ngoài tng = 28˚C Nhiệt độ nhân men sản xuất ttr = 16˚C
Δt = tng – ttr = 12˚C Coi tổn thất lạnh chủ yếu ở phần thân trụ của thiết bị thì: F = π . Dng . H = π . 2,6 . 3,02 = 24,7 m2 Nên:
Tổn thất lạnh trong 1 ngày là:
Q2 = 3 . 24 . Qtt = 3 . 24 . 356 = 25,6.103 kJ Lượng nhiệt lạnh cần cung cấp để nhân men cấp II là:
QNMcấp II = Q1 + Q2 = 2884.103 + 25,6.103 = 2909,6.103 kJ
1.3.2.2. Nhân men cấp I
Thể tích dịch nhân men cấp I bằng 1/3 thể tích dịch nhân men cấp II, có thể tích: 13954 l.
Nhân men ở 16oC và sử dụng dịch đường có nồng độ chất chiết 12oBx.
Coi lượng chất chiết chuyển hoá chiếm 60%, nhiệt lượng do nhân men cấp I toả ra bằng 1/3 nhiệt lượng do nhân men cấp II toả ra:
Q1’ = Q1/3 = 2884.103/3 = 961.103 kJ Tổn thất lạnh:
Qtt = K . F . Δt, kJ/h trong đó:
K - Hệ số truyền nhiệt qua lớp cách nhiệt với K = 1,2 kJ.m-2.độ-1.h-1; F - Diện tích truyền nhiệt, m2.
Nhiệt độ không khí bên ngoài tng = 28˚C Nhiệt độ nhân men sản xuất ttr = 16˚C
Δt = tng – ttr = 12˚C Coi tổn thất lạnh chủ yếu ở phần thân trụ của thiết bị thì:
F = π . Dng . H = π . 1,8 . 2,01 = 11,4 m2 Nên:
Qtt = K . F . Δt = 1,2 . 11,4 . 12= 164,2 kJ/h Tổn thất lạnh trong 1 ngày là:
Q2’ = 3. 24 . Qtt = 3. 24 . 164,2 = 11,8.103 kJ Lượng nhiệt lạnh cần cung cấp để nhân men cấp I là:
QNM cấp I = Q1’ + Q2’ = 961.103 + 11,8.103 = 972,8.103 kJ
Lượng nhiệt lạnh lớn nhất cần cấp để thực hiện quá trình nhân men trong 1 ngày là: Qnhân men = QNM cấp II + QNM cấp I = 2909,6.103 + 972,8.103 = 3882,4.103 kJ
Mặt khác ta có Qnhân men > Qmen sữa KL. Do đó lượng nhiệt lạnh lớn nhất cần cung cấp trong 1 ngày để cấp men giống là:
QCấp men = Qnhân men = 3882,4.103 kJ
1.4. Lượng nhiệt lạnh cấp cho phân xưởng hoàn thiện
Bia sau lên men có nhiệt độ 2oC được làm lạnh xuống 0oC trước khi thực hiện quá trình lọc trong bia, Δt = 2oC.
Ở điều kiện này ta có:
- Nhiệt dung riêng trung bình của nước Cn = 4,190 kJ.kg-1.độ-1 - Nhiệt dung riêng trung bình của chất tan Ct = 1,672(kJ.kg-1.độ-1). Bia sau lên men có nồng độ chất khô là 3˚Bx. Nhiệt dung riêng của bia:
C = 0,975Cn + 0,025Ct = 4,127 kJ.kg-1.độ-1
Lượng bia sau lên men ứng với 1 tank lên men: 132,56 m3. Bia có nồng độ chất khô 3oBx, có khối lượng riêng 1,01kg/l.
Khối lượng bia tươi là:
G = 132560 . 1,01 = 133886 kg
Lượng nhiệt lạnh cần cung cấp để hạ nhiệt độ bia ứng với 3 tank lên men là: Q1 = 3.G.C.Δt = 3.133886.4,127.2 = 3315.103(kJ)
Bia sau lọc nhiệt độ sẽ tăng lên đến khoảng 1 – 2oC, sẽ được tàng trữ trong 8 tank thành phẩm có vỏ áo lạnh và bảo ôn để giữ ở nhiệt độ 1 – 2oC. Tổn thất lạnh trong quá trình này là:
Qtt = K . F . Δt .kJ/h. trong đó:
K - Hệ số truyền nhiệt qua lớp cách nhiệt với K = 1,2 kJ.m-2.độ-1.h-1; F - Diện tích truyền nhiệt, m2.
Nhiệt độ bia tàng trữ ttr = 1 – 2˚C
Δt = tng – ttr = 27oC
Coi tổn thất nhiệt chủ yếu ở thân trụ của các tank tàng trữ thì: F = π × Dng × H = π × 4,2 × 6 = 79,2 m2 Suy ra:
Qtt = K × F × Δt = 1,2 × 79,2 × 27 = 2565 kJ/h Tổn thất lạnh trong 1 ngày ở cả 8 tank tàng trữ là:
Q2 = 8 × 24 × Qtt = 4 × 24 × 2565 = 246.103 kJ Lượng nhiệt lạnh cấp cho phân xưởng hoàn thiện trong 1 ngày:
QHoàn thiện = Q1 + Q2 = 3315.103 + 246.103 = 3561.103 kJ
1.5. Hệ thống lạnh
Tổng lượng nhiệt lạnh lớn nhất cần cung cấp một ngày cho hệ thống sản xuất chính: QLạnh = QLạnh nhanh + QLên men + QCấp men + QHoàn thiện
= 44292.103 + 75372.103 + 3882,4.103 + 3561.103 = 127107.103 kJ
Tổn hao lạnh trên hệ thống đường ống vận chuyển lưu thể và các thùng chứa nước, glycol… khoảng 10% tổng lượng nhiệt lạnh tiêu thụ cho hệ thống sản xuất chính của nhà máy. Tổng lượng nhiệt lạnh tiêu thụ cho hệ thống sản xuất chính của nhà máy một ngày:
QLạnh’ = QLạnh/0,9 = 127107.103/0,9 = 141230.103 kJ
Chọn hệ thống lạnh có công suất 600kW, sử dụng môi chất lạnh là NH3, chất tải lạnh trung gian là nước glycol 26%. Nước glycol được làm lạnh xuống nhiệt độ khoảng – 4˚C đến – 2˚C được chứa trong thùng glycol cấp, từ đây nước glycol được đưa đi để làm lạnh các bộ phận, nước glycol sau cấp lạnh nhiệt độ tăng lên khoảng 5 – 7˚C được chứa trong bình glycol hồi lại được đưa qua hệ thống làm lạnh để trở thành nước glycol lạnh, Δt = 9˚C. Ở điều kiện này lấy thông số trung bình của nước glycol 26% là:
Nhiệt dung riêng: C = 3,76 kJ.kg-1.độ-1 Khối lượng riêng: d = 1062 kg/m3
Lượng nước glycol cần cấp tương ứng với một ngày là: Gnước glycol = t C Q ∆ . = 9 . 76 , 3 10 . 141230 3 =4173.103 kg Thể tích nước glycol tuần hoàn trong 1 ngày là:
Vnước glycol = G/d = 4173.103/1062 = 3929 m3 Như vậy trong một giờ lượng nước glycol tuần hoàn khoảng 163 m3.
Sử dụng 4 thùng chứa nước glycol, 2 thùng nước glycol cấp và 2 thùng nước glycol hồi mỗi thùng có thể tích khoảng 80 – 85m3. Sử dụng thùng chứa nước glycol thân trụ đường kính D, cao H = 1,5D, đáy cầu nhô ra h1 = 0,1D, nắp cầu nhô lên h2 = 0,1D, thể