Phần IV: Tính và chọn thiết bị
I. Tính và chọn thiết bị cho phân xưởng nấu
Theo kế hoạch sản xuất một mẻ nấu của bia hơi và bia chai cùng cho sản lượng bia thành phẩm như nhau, chỉ khác là nấu bia chai sử dụng nhiều nguyên liệu hơn bia hơi (trừ lượng nước rửa bã). Do đó ta tính toán thiết bị chủ yếu theo bia chai.
1. Cân, gầu tải
* Cân: Nguyên liệu được cân theo từng mẻ.
Chọn cân hoa loại 5kg.
Chọn cân gạo và malt lót có khả năng cân cao nhất 500kg, độ chính xác 0,5kg, có kích thước: dài 1m, rộng 0,8m, cao 1m.
Cân malt dùng 3 cân điện tử được gắn với xylo; xylo có kích thước: đường kính 0,8m, cao 1,5m, đáy côn 60˚ chứa được khoảng 500kg malt; kết quả cân khối lượng malt được tính là trị số trung bình do 3 cân đưa ra.
* Gầu tải: Chọn gầu tải có năng suất vận chuyển 4500 kg/h có thông số kỹ thuật:
Kích thước: rộng 0,5m, cao 2 – 4m Vận tốc kéo 1,2 – 1,4m/s
Công suất động cơ 0,8kW 2. Máy nghiền
* Máy nghiền gạo: Một mẻ nấu sử dụng 695 kg gạo. Chọn máy nghiền gạo là máy nghiền búa có năng suất 1500kg/h có các thông số kỹ thuật:
Kích thước buồng nghiền: đường kính 500mm, chiều rộng 200mm Kích thước máy: dài 1,85m, rộng 1,6m, cao 1,65m
* Máy nghiền malt: Một mẻ nấu lượng malt cần nghiền là 2775kg. Chọn máy nghiền malt ướt có công suất 4000kg/h có các thông số kỹ thuật:
Vật liệu chế tạo: thép không gỉ chịu mài mòn Kích thước thiết bị: dài 1m, rộng 0,8m, cao 3,2m
Kích thước trục nghiền: đường kính 250mm, dài 600mm Số đôi trục: 2
Khoảng cách giữa 2 trục: 1,25m
Nước ngâm malt có nhiệt độ 65˚C, lượng nước dùng để ngâm 60l/100kg.
Tổng thời gian ngâm và nghiền không quá 30 phút. Khi đó thuỷ phần của hạt tăng lên 20%.
3. Nồi hồ hoá
Tổng khối lượng dịch bột trong nồi hồ hoá là ứng với một mẻ nấu: 4,98 tấn.
Khối lượng riêng của hỗn hợp dịch bột là 1,07(tấn/m3) Thể tích của hỗn hợp trong nồi hồ hoá là: 14,,0798 = 4,65(m3)
Thể tích sử dụng của nồi là 75%, thể tích của nồi cần đạt là: 04,,7565 = 6,20(m3)
* Chọn thiết bị hồ hoá là thiết bị thân hình trụ, đáy chỏm cầu, nắp nón, làm bằng thép không gỉ, có các thông số như sau: H = 0,6D; h1 = 0,2D; h2 = 0,15D.
D
h2
H
h1
Thể tích nồi:
V = Vtrụ + Vđáy = )
6 ( 8
4
3 1 1 2 2
h D h
D H π π
π + + =
2 3 2
) 2 , 0 6( 2 , 8 0 6
,
4 0 D D D
D D π π
π + + = 0,554D3
Ta có: 0,554D3 = 6,20(m3). Suy ra: D = 2,24m.
Quy chuẩn: D = 2,2m. H = 1,32m; h1 = 0,44m; h2 = 0,33m.
Vỏ áo hơi và bảo ôn dày 100mm, đường kính ngoài thùng: Dng = 2,4m.
Thể tích thực của nồi là: V = 0,554D3 = 0,554.2,23 = 5,9(m3).
Chiều cao phần 2 vỏ: H2vỏ = 0,8.D = 1,76m
Chọn cánh khuấy có đường kính: d = 0,8D = 1,76m, tốc độ khuấy 32v/ph.
Lấy diện tích bề mặt truyền nhiệt 0,5m2/m3 dịch, thể tích dịch trong nồi hồ hoá là 4,65m3, tổng diện tích bề mặt truyền nhiệt của nồi là:
F = 0,5.4,65 ≈ 2,3(m2) 4. Nồi đường hoá
Tổng khối lượng dịch trong nồi đường hoá ứng với một mẻ nấu là: 17,88 tấn.
Dịch bột có khối lượng riêng là 1,08(tấn/m3), thể tích dịch trong nồi đường hoá là: 171,08,88 = 16,56(m3)
Thể tích sử dụng của nồi là 75%, thể tích của nồi cần đạt là: 160,,7556 =22,07(m3)
* Chọn thiết bị đường hoá là thiết bị thân hình trụ, đáy chỏm cầu, nắp nón làm bằng thép không gỉ, có các thông số như sau: H = 0,6D; h1 = 0,2D; h2 = 0,15D.
D
h2
H
h1
Thể tích nồi:
V = Vtrụ + Vđáy = )
6 ( 8
4
3 1 1 2 2
h D h
D H π π
π + + =
2 3 2
) 2 , 0 6( 2 , 8 0 6
,
4 0 D D D
D D π π
π + + = 0,554D3
Ta có: 0,554D3 = 22,07m3. Suy ra: D = 3,42m.
Quy chuẩn: D = 3,4m. H = 2,04m; h1 = 0,68m; h2 = 0,51m.
Thể tích thực của nồi: V = 0,554D3 = 0,554.3,43 = 21,8(m3).
Vỏ áo hơi và bảo ôn dày 100mm, đường kính ngoài là: Dng = 3,6m.
Chiều cao phần hai vỏ: H2vỏ = 0,8D = 2,72m.
Chọn cánh khuấy có đường kính: d = 0,8D = 2,72m. Tốc độ khuấy 32v/ph.
Diện tích bề mặt truyền nhiệt 0,5m2/m3 dịch, thể tích dịch trong nồi đường hoá là 16,56m3, tổng diện tích bề mặt truyền nhiệt của nồi là:
F = 0,5.16,56 ≈ 8,3(m2) 5. Thùng lọc đáy bằng
Thùng đáy bằng, thân trụ, nắp nón h2 = 0,15D.
D
h2
H
Khối lượng bã malt và gạo tương ứng với một mẻ nấu là: 3,05 tấn Khối lượng riêng của bã là: 0,75 tấn/m3
Thể tích bã là: 03,,7505 = 4,07(m3) Chọn chiều cao lớp bã là: 0,4m Diện tích đáy lọc: 40,,074 = 10,2(m2) Đường kính thùng lọc là: D =
π 2 , 10
4ì ≈ 3,6(m)
Quy chuẩn: D = 3,6m. Lớp vỏ bảo ôn dày 100mm, đường kính ngoài của thùng là: Dng = 3,8m.
Nắp nón: h2 = 0,15D = 0,54m.
Diện tích đáy lọc thực tế: 10,2( ) 4
6 , 3 4
2 2 2
D m
S=π =π ì =
Khối lượng dịch còn lại sau đường hoá: 17,30 tấn
Khối lượng chất chiết có trong dịch đường sau đun hoa là:
) ( 2510 3
, 1000 150
16700
= kg
ì
Quá trình lọc bã và đun hoa tổn thất chất chiết là 2%, khối lượng chất chiết có trong dịch đường trước lọc là: 12510−0,02 = 2561(kg)
Hàm lượng chất chiết trong dịch đường sau đường hoá là:
% 17300 100
2561 ì = 14,8%
Khối lượng riêng của dịch đường sau đường hoá là: 1,06 tấn/m3 Thể tích riêng của dịch đường sau đường hoá là: 171,06,30 = 16,32(m3) Chiều cao của lớp dịch lọc trong nồi: hd =
S Vd
= 1610,,322 = 1,6(m) Thể tích sử dụng của thùng là 70%, chiều cao thân trụ của thùng là:
Ht = 0h,d7 = 01,,67 = 2,29(m)
Đáy giả cách đáy thật 2cm, chiều cao thùng phần thân trụ của thùng là:
H = Ht + 0,02 = 2,29 + 0,02 = 2,31(m)
Thể tích thực của nồi: 2,31 23,5( ) 4
6 , 3 . 4
2 3 2
m D H
V =π ì =π ì = . Hệ thống cào bã quay với tốc độ 16v/ph.
Lưới lọc thiết kế cỏc khe hỡnh nờm kớch thước 0,5mm ì 70mm, diện tớch thoỏt dịch trên tổng diện tích sàn: 14%. Cửa thoát dịch hình côn với góc mở rộng.
Dao cào bã được chế tạo bằng đồng thau.
* Cửa xả bã được thiết kế có đường kính 30cm được đóng mở bằng động cơ điện. Bã xả ra được vít tải đẩy sang xylo chứa.
6. Nồi nấu hoa
Dịch sau nấu hoa có thể tích: 19,96 m3
Quá trình đun hoa thể tích dịch giảm 10% do nước bay hơi, thể tích dịch trước đun hoa: 119−,960,1=22,18(m3)
Thể tích sử dụng của nồi là 70%, thể tích của nồi cần đạt là: 220,,187 =31,68(m3)
* Chọn thiết bị đun hoa là thiết bị thân hình trụ, đáy chỏm cầu, nắp nón làm bằng thép không gỉ, có các thông số như sau: H = 0,6D; h1 = 0,2D; h2 = 0,15D.
D
h2
H
h1
Thể tích nồi:
V = Vtrụ + Vđáy = ) 6 ( 8
4
3 1 1 2 2
h D h
D H π π
π + + =
2 3 2
) 2 , 0 6( 2 , 8 0 6
,
4 0 D D D
D D π π
π + + = 0,554D3
Ta có: 0,554D3 = 31,68m3
Suy ra: D = 3,85m. Quy chuẩn: D = 3,8m.
Vỏ áo hơi và bảo ôn dày 100mm, đường kính ngoài của nồi hoa: Dng = 4,0m.
H = 2,28m; h1 = 0,76m; h2 = 0,57m.
Chiều cao phần 2 vỏ: H2vỏ = 0,8D = 3,04m.
Thể tích thực của nồi: V = 0,554D3 = 30,4m3.
Ngoài vỏ áo hơi thiết bị còn được thiết kế thiết bị gia nhiệt trung tâm kiểu ống chùm để tăng cường quá trình đun sôi mãnh liệt dịch đường. Diện tích trao đổi nhiệt 0,5m2/m3 dịch, thể tích dịch trong nồi hoa là 22,18m3. Tổng diện tích bề mặt trao đổi nhiệt: F = 0,5.22,18 ≈ 11,1(m2)
7. Thùng chứa trung gian
Thể tích dịch trước đun hoa là 22,18m3. Thể tích sử dụng của nồi là 90%, thể tích thùng cần đạt là: 220,,189 = 24,64(m3)
* Chọn thiết bị đun hoa là thiết bị thân hình trụ, đáy chỏm cầu, nắp nón làm bằng thép không gỉ, có các thông số như sau: H = 0,6D; h1 = 0,2D; h2 = 0,15D.
D
h2
H
h1
Thể tích nồi:
V = Vtrụ + Vđáy = )
6 ( 8
4
3 1 1 2 2
h D h
D H π π
π + + =
2 3 2
) 2 , 0 6( 2 , 8 0 6
,
4 0 D D D
D D π π
π + + = 0,554D3
Ta có: 0,554D3 = 24,64m3. Suy ra: D = 3,54m.
Quy chuẩn: D = 3,6m. H = 2,16m; h1 = 0,72m; h2 = 0,54m.
Vỏ bảo ôn dày 100mm, đường kính ngoài của thùng: Dng = 3,8m.
Thể tích thực của thùng: V = 0,554D3 = 0,554.3,63 = 25,8(m3).
8. Thùng lắng xoáy
Đáy bằng hơi nghiêng 3 - 5˚, thân trụ H = 0,8D, nắp nón h2 = 0,15D.
D
h2
H
Thể tích thùng: V = D H
4
π 2 = 0,628D3 Thể tích dịch sau đun hoa: 19,96m3
Hệ số đổ đầy của thùng là 75%, thể tích thùng cần đạt là: 190,75,96 = 26,61(m3) Ta có: 0,628D3 = 26,61m3. Suy ra: D = 3,49m
Quy chuẩn: D = 3,4m. H = 2,7m; h2 = 0,51m.
Thành thùng dày 5mm, đường kính ngoài thùng: Dng = 3,41m
Thể tích thực của thùng: V = 0,628D3 = 0,628.3,43 = 24,7(m3).
9. Thiết bị lạnh nhanh và sục khí
* Chọn thiết bị lạnh nhanh là thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm bản có năng suất 15m3/h có các thông số kỹ thuật:
Số cấp: 1
Chất tải nhiệt: nước, nhiệt độ đầu vào của chất tải nhiệt: 2˚C Kích thước máy: dài 2000mm, rộng 700mm, cao 1600mm Số vỉ: 171
* Chọn thiết bị sục khí có bộ phận lọc vô trùng sử dụng than hoạt tính, thiết bị sục khí vào dịch đường, các phụ kiện kèm theo: ống lưu lượng, van một chiều, van giảm áp...
10. Thùng nước nấu
Chọn thùng chứa nước nóng và nước lạnh có thể tích như nhau, thùng thân trụ H = 1,5D, đáy bằng, nắp chỏm cầu nhô lên: h2 = 0,1D.
Thể tích thùng là: D H 4
π 2 = D D 5 , 4 1
π 2 = 1,178D3 Một mẻ nấu bia chai lượng nước sử dụng là:
Nước nấu cháo: 41,5 hl Nước đường hoá: 104,9 hl Nước rửa bã: 88,1 hl
Nước vệ sinh khoảng 8% thể tích nồi lớn nhất là nồi hoa:
0,08.30,4 = 2,43 (m3)
Tổng cộng lượng nước cần dùng trong một mẻ nấu bia chai là:
4,15 + 10,49 + 8,81 + 2,43 = 25,88(m3) Với bia hơi lượng nước sử dụng là:
Nước nấu cháo: 33,9 hl Nước đường hoá: 85,9 hl Nước rửa bã: 105,4 hl Nước vệ sinh: 2,34 m3
Tổng cộng lượng nước cần dùng trong một mẻ nấu bia hơi là:
3,39 + 8,59 + 10,54 + 2,43 = 24,95(m3)
Như vậy lượng nước cần sử dụng cho một mẻ nấu lớn nhất là 25,88 m3 tính theo bia chai. Ta lấy mỗi thùng chứa lượng nước dùng đủ cho 2 mẻ nấu, tức là chứa được: 2 ì 25,88 = 51,76(m3)
Thể tích chứa của thùng 85%, thể tích thùng cần đạt: 51,760,85 = 60,89(m3) Ta có: 1,178D3 = 60,89m3 Suy ra: D = 3,73m.
Quy chuẩn: D = 3,8m. H = 5,7m; h2 = 0,38m.
Thể tích thực của thùng: V = 1,178D3 = 1,178.3,83 = 64,6(m3).
Ở thùng nước nóng, nước được đun nóng tới nhiệt độ 85˚C bằng hơi nước bão hoà cấp qua đường ống xoắn ruột gà.
Lớp vỏ bảo ôn dày 100mm. Đường kính ngoài thùng: Dng = 4,0m.
11. Hệ thống cip nấu
Hệ thống CIP nấu gồm: 1 thùng NaOH 2% nóng, 1 thùng nước clo 10%, 1thùng HNO3 0,1%.
Chọn thùng CIP làm bằng thép không gỉ, thân trụ H = 1,5D, đáy cầu: h1 = 0,1D, nắp cầu h2 = 0,1D. Thể tích mỗi thùng:
V = )
6 ( 8
4
3 1 1
2 D2h h
D H π π
π + + =
6 ) 1 , 0 ( 8
1 , 5 0
, 4 1
3 2
2 D D D
D D π π
π + + = 1,218D3
Lượng CIP rửa thường bằng 5 – 8% thể tích thùng. Ta tính cho thùng nấu hoa là thùng có thể tích lớn nhất 30,4m3, thể tích sử dụng của thùng là 80% thì thể tích các thùng CIP cần đạt: 0,08.30,4/0,8 = 3,04(m3).
Ta có: 1,218D3 = 3,04(m3) Suy ra: D = 1,36(m).
Quy chuẩn: D = 1,4m. H = 2,1m; h1 = 0,14m; h2 = 0,14m.
Thể tích thực của mỗi thùng: V = 1,218D3 = 1,218.1,43 = 3,34(m3)
Các thùng có thành dày 5mm, đường kính ngoài của các thùng: Dng = 1,41m
h4 h3
h2
h1 D
II. Tính và chọn thiết bị cho phân xưởng lên men