Tìm hiểu công nghệ sản xuất bia

Chương i TèM HIỂU CễNG NGHỆ SẢN XUẤT BIA. 1.1 Tình hình phát triển của công nghiệp sản xuất bia. 1.2 Quy trình công nghệ sản xuất bia 1.2.1 Nguyên liệu sản xuất bia: Thành phần của bia gồm: Nước : 75 á 80%, Lượng cồn: 3 á 6% Lượng chất hoà tan 10 á 15%, CO2: 0,3 á 0,4% và một số chất khác. Bia được sản xuất từ các nguyên liệu chính là malt đại mạch, hoa huplông và nước. Nói một cách tổng quát, ta có một công thức để chế biến bia là: Bia = Malt đại mạch + Hoa huplông + Nước 1. Malt đại mạch: 2. Hoa huplông: 3. Nước: 4. Gạo: Hoa huplông Nước Malt đại mạch Gạo Xử lí Xay nhỏ Xay, ngâm nước Dịch hoá Đường hoá 520Cá 750C 860C Bơm Bã Đun sôi ắ Lọc Nước nha bán thành phẩm Cặn hoa Nấu hoa ắ Lọc hoa Nước nha 800C Lạnh nhanh 7á80C Men giống Thu hồi CO2 Lên men chính 80C Chai téc CO2 Lên men phụ 20C Cặn men Bão hoà CO2 Lọc bia 00C Bia thành phẩm 0á10C Chiết Box Chiết lon Chiết chai Bia hơi Nhập kho Thanh trùng 1.2.2 Các bước tiến hành sản xuất: 1. Hệ thống thiết bị: 2. Kỹ thuật nấu: 1.2.3 Nhu cầu lạnh cấp cho một số phòng trong quy trình sản xuất: Tên phòng Nhiệt độ (0C) Nhu cầu lạnh (kJ/m2) Bảo quản hoa huplông -2 4200 Phòng lên men +2 đến +6 5000 Phòng bảo quản 0 đến +2 5000 Phòng lọc bia +2 6300 Phòng chiết và xếp +5 5000 Phòng bảo quản đá -5 6700 Việc thiết kế phải đảm bảo các yêu cầu cơ bản sau: Cần phải căn cứ vào diện tích mặt bằng sản xuất của nhà máy. Cần phải kinh tế: Vốn đầu tư nhỏ, có thể sử dụng máy và thiết bị trong nước... Tận dụng được các thiết bị sẵn có nhằm tiết kiệm vốn. Đáp ứng các yêu cầu về kỹ thuật, độ an toàn khi sản xuất, vận hành. Đạt được sản lượng theo như yêu cầu thiết kế. Chương ii Tính toán kiểm tra hệ thống 2.1 Các số liệu ban đầu: Phân xưởng lên men công suất 5 triệu lít/ năm có 35 tăng. Bốn máy nén MYCOM một cấp dùng môi chất lạnh NH3 (R717) gồm 1 máy N4WA (80kW) và 3 máy N4Wb (165kW). Hệ thống lạnh gián tiếp sử dụng chất tải lạnh là nước muối NaCl. Bốn dàn ngưng tụ kiểu tưới nước 8 dàn ống chia thành 2 loại: một loại có chiều dài 2.9 m và một loại dài 3,2 m. 2.2 Tính toán toàn bộ hệ thống hiện tại: t0 = -150C 2.2.1 . Các thông số về nhiệt độ: Nhiệt độ sôi (t0) của môi chất lạnh NH3: Các thông số khí tượng của địa phương. Địa phương Nhiệt độ, [o C] Độ ẩm,% TB năm Hè Đông Hè Đông Hải Dương 23,5 36,6 8,4 83 80 tk = 45 0C Hệ thống dùng dàn ngưng kiểu tưới nước. 2.2.2 . Tính toán hệ thống máy nén: Năng suất lạnh của các máy nén: Đại lượng Công thức Máy nén N4WA N4WB NSL tiêu chuẩn Qotc 80 [kW] 165 [kW] NSL thực tế Q0MN = Q0tc. .. 72,17 [kW] 147,31 [kW] 514,31 [kW] Vậy năng suất lạnh thực tế của toàn bộ các máy nén của nhà máy là: Q0MN’ = 1.72,17 + 3.147,38 = Tại điều kiện thực: t0 = -15 [0C] , tk = 45 [0C] Thông số 1 1’ 2 3 3’ 4 t (0C) - 15 - 5 150 45 40 - 15 p (Mpa) 0,24 0,24 1,8 1,8 1,8 0,24 h (kJ/kg) 1740 1775 2090 720 690 690 v (m3/kg) 0,42 Tỉ số nén tiêu chuẩn: P = = 7, 5 2.2.3 . Tính toán các thông số của hệ thống lạnh: Độ quá nhiệt hơi hút tqn = 100C , độ quá lạnh lỏng tql = 50C. Công suất trên trục NeN4WA = 26,2[kW] , NeN4WB = 53,6 [kW] Từ các thông số của hệ thống ta thiết lập bảng tính toán kiểm tra: TT Đại lượng Công thức Kết quả N4WA N4WB Năng suất lạnh Q0=72,17[kW] Q0=147,31[kW] 1 Hệ số làm lạnh lý thuyết (e ) e = e = 3,1 2 Hệ số so sánh với chu trình Cacno u = e. u= 0,7209 [%] 3 Nhiệt độ trung bình nước làm mát bình ngưng tm Tm = tm + 273 tm= 38,5[0C] Tm=311,5[0K] 4 Nhiệt độ trung bình của d2 muối được làm lạnh qua dàn BH tV TV = tV + 273 tV= -12[0C] TV=261[0K] 5 Hiệu suất exergi h = e. hex=0,48 hex=48[%] 6 Entanpi sau khi nén thực h2t h2t = h1+ h2t =2177 [kJ/kg] 7 Lưu lượng môi chất lạnh G= G1 =0,0665 [kg/s] G2 =0,1357 [kg/s] 8 Nhiệt thực toả ra tại dàn ngưng tụ QkÂ= G.( h2t-h3) QkÂ=96,89 [kW] Qk2Â=197,71 [kW] QkÂ= QkÂ+3 QkÂ=690,02[kW] 9 Lượng nước làm mát dàn ngưng Gn= Gn =4,6[kg/s] Gn =9,46[kg/s] Gn= GnA +3GnB = 32,98 [kg/s] 10 Tỉ số nén P = P = 7,5 11 Công suất nén đoạn nhiệt Ns=G.(h2 - h1) Ns= 23,275 [kW] Ns= 47,46 [kW] 2.2.4 . Tính toán dàn ngưng tụ: Trong đó: 1 – ống tách lỏng 6 – ống dẫn nước tuần hoàn. 2 – ống dẫn tách không khí 7 – Dàn ống ngưng tụ. 3 – Máng tưới nước. 8 – Phiễu xả tràn 4 – Thùng phân phối nước tưới. 9 – Bể chứa nước tuần hoàn 5 – ống dẫn nước bổ sung. 10 – Bình chứa lỏng NH3 Diện tích truyền nhiệt của các dàn ngưng: F = n.P.d.l F = 5,52 [m2] Nhiệt lượng có thể trao đổi trên các dàn ngưng: Qk = F.k. Dt Qk = 690,02 [kW] Lượng nhiệt lớn nhất thực tế trao đổi trên các dàn ngưng là: Qktt = 1227,46 [kW] Qk> Qktt thiết kế ban đầu đủ đáp ứng được yêu cầu của quá trình sản xuất bia 5 triệu lit/ năm. Tính toán bơm cấp cho dàn ngưng tụ: - Nhiệt độ ngưng tụ: tk = 45[0C] - Nhiệt độ nước vào và ra khỏi bình ngưng: tn’ =36[0C] , tn’’ = 41[0C] - Năng suất lạnh: Q0N4WA = 72,17 [kW] , Q0N4WB = 147,31 [kW] Lượng nước làm mát cần cho dàn ngưng: Gn= = 32,98 [kg/s] Lưu lượng thể tích của nước làm mát: Vn = , r = 1000 [kg/m3] Vn = = = 0,03298 [m3/s] = 118,73[m3/h] Hiện nhà máy đang sử dụng 5 bơm ly tâm của Nga loại 3K – 9 để tưới nước cho dàn ngưng tụ, Năng suất mỗi bơm 50,4 m3/h. Hiệu suất bơm 72[%]. Công suất trên trục N = 5,5 [kW]. Lưu lượng nước lớn nhất mà các bơm có thể cung cấp được: Vn = 5. 50,5 = 252,5 [m3/h]. Lưu lượng này thừa để đáp ứng yêu cầu sản xuất và thực tế thường chỉ sử dụng 3 máy còn 2 máy đóng vai trò dự phòng. ống cấp nước f 100 [mm]. Diện tích TĐN : F = 0,00785 [m2] Tốc độ nước trong ống w = = = 4,2 [m/s] 2.2.5 . Tính toán thiết bị bay hơi: Thiết bị bay hơi theo kiểu gián tiếp: môi chất lạnh NH3 làm lạnh chất tải lạnh nước muối. Quá trình TĐN diễn ra nhờ thiết bị bay hơi kiểu dàn ống hình xương cá. Tổng diện tích truyền nhiệt của thiết bị bay hơi là: F = SF = 110 + 40 + 30 = 180 m2. Tính kiểm tra: Tải nhiệt riêng của thiết bị bay hơi: qF = k. Dt = 2900 [W/m2] Diện tích truyền nhiệt của thiết bị BH: F = = 177,35 [m2] Nhận xét: Thiết bị truyền nhiệt nhà máy hiện dùng chỉ đủ đáp ứng nhu cầu sản xuất bia công suất 5 triệu lit/ năm. Khi mở rộng nhà máy lên 10 triệu lit/ năm, nhiệt cấp cho quy trình sản xuất gồm lạnh cấp cho lạnh nhanh, cho các tăng, các phân xưởng… tăng lên. Do đó, nhà máy đã có phương án thay thế chất tải lạnh nước muối bằng chất tải lạnh glycol. Ưu điểm của glycol là không gây ăn mòn thiết bị, khả năng trữ lạnh lớn. Đặc biệt là tiết kiệm được diện tích chứa và giữ vệ sinh khu vực sản xuất. 2.2.6 . Tính toán đường ống hơi hút, hơi đẩy: a. Bảng kết quả tính toán kiểm tra: Máy nén ống hơi hút ống hơi đẩy ống dẫn lỏng N4WA Tính kiểm tra dh = 40 [mm] dđ = 17,5 [mm] dh = 12 [mm] Hiện dùng dh = 45 [mm] dđ = 18 [mm] dh = 15 [mm] N4WB Tính kiểm tra dh = 57,6 [mm] dđ = 25 [mm] dh = 17,4 [mm] Hiện dùng dh = 60 [mm] dđ = 25 [mm] dh = 20 [mm] b. Kết luận: Hệ thống đường ống nhà máy đang sử dụng luôn đáp ứng được yêu cầu sản xuất hiện tại và cả khi mở rộng nhà máy. 2..2.7 . Khi mở rộng nhà máy lên 10 triệu lit/năm: Sản lượng bia một tháng khi đã mở rộng: 1.000.000 [lit / tháng]. Mỗi tháng làm việc 25 ngày, vậy mỗi ngày lượng bia được nấu là: Khi mở rộng lên 10 triệu lit/năm: 40.000 [lit / ngày]. Một ngày nấu 4 mẻ, khi mở rộng, mỗi mẻ sẽ nấu 10.000 [lit /mẻ]. 2..2.8 . Kết luận về hệ thống thiết bị sản xuất của nhà máy: 1. Hệ thống dàn ngưng tụ: 2. Hệ thống dàn bay hơi: 3. Hệ thống bơm, đường ống hơi hút, hơi đẩy: 4. Hệ thống các nồi, tăng sản xuất: Cần lắp đặt thêm một nồi đường hoá có dung tích tối thiểu 6,5 m3 . Kích thước nồi f 2100 x H 2600 x D 3 [mm]. Lắp đặt thêm một nồi lọc dung tích 6,5 m3 . Nồi nấu hoa huplông dung tích 14 m3 hiện có đủ khả năng đáp ứng khi nhà máy nâng công suất lên 10 triệu lit/năm. Cần thêm 2 tăng CIP để đảm bảo việc vệ sinh cho các thiết bị sx. Số lượng tăng sẽ nâng lên là 70 tăng trong đó có 35 tăng sẵn có. Kích thước tăng f 2000 x H 6650 x D 4 [mm]. V = 15 m3. Chương iii Tính toán hệ thống lạnh Tính cân bằng nhiệt: Nhu cầu lạnh của hệ thống đúng bằng dồng tổn thất nhiệt: Q = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 Q1 = 44,32 [kW] Tính dòng nhiệt tổn thất Q1: Q2 = 380,3 [kW] Tính dòng nhiệt tổn thất Q2: Q4 = 25,7 [kW] Tính dòng nhiệt tổn thất Q4: Nhu cầu lạnh của toàn bộ hệ thống khi đã mở rộng: 450,33 [kW] Q = SQ = Q1 + Q2 + Q4 = Kết luận: Theo tính toán mục 2.2.2 thì hệ tống 4 máy nén lạnh cung cấp năng suất lạnh là Q0MN = 514,31 kW. Vậy các máy nén luôn đáp ứng được yêu cầu sản xuất khi đã mở rộng nhà máy lên 10 triệu lit năm. Chương IV Tính toán tăng lên men 4.1. Hệ thống tăng lên men: Hiện nhà máy sử dụng loại tăng tự hành có dạng thân trụ, đáy côn, có áo lạnh bao bọc bên ngoài, tăng được cách nhiệt bằng polystirol dày 100 mm, f 2000 x H 6650 [mm], V = 15m3. Khi mở rộng, số lượng tăng là 70 tăng. Nhiệt độ glycol vào áo lạnh –60C và ra là –10C. Quá trình lên men dịch đường trong các tăng : Thời gian lên men chính: 6 ngày. Thời gian lên men phụ: 14 ngày. 4.2 Tính tổn thất nhiệt tăng lên men: Diện tích vách ngoài của tăng: Ft = 27,8 [m2] Diện tích áo lạnh glycol: Ft’ = 14,06 [m2] Hệ số truyền nhiệt k: k = 0,46 [W/ m2K] Lượng tổn thất nhiệt a.Thời kỳ lên men chính ts = 60C: Q = 484,66 [W] b. Thời kỳ lên men phụ 20C: Q = 38,8995 [W] c. Tính toán diện tích áo lạnh glycol: Diện tích TĐN của áo lạnh theo yêu cầu là: F = 14,02 [m2] Thực tế diện tích áo glycol tính được là: Ft’ = 14,06 [m2] 4.3 Tính bình chứa glycol: V = n.h.(D + 2.b/2).b.P Lượng glycol qua áo lạnh của 70 tăng lên men: V1 = 16,7 [m3] Lượng glycol qua áo lạnh của 5 tăng chứa bia : V2 = 0,5 [m3] Lượng glycol qua áo lạnh bồn chứa men là: V3 = 0,05 [m3] Lượng glycol qua áo lạnh của bồn gây men: V4 = 0,05 [m3] Lượng glycol tiêu tốn cho dàn lạnh, đường ống lấy khoảng 10%. Với hệ số điền đầy 0,8 , V bình chứa glycol là: Vgly = 23,7875 [m3] Kết luận: Như vậy glycol được chứa trong 2 thùng chứa mỗi thùng 12 [m3]. Kích thước thùng f 2000 x H 3820 [mm]. Chương V Nâng cấp - bổ sung thiết bị 5.1. Hệ thống dàn ngưng tụ: Tăng số dàn ống của các dàn ngưng lên 12 dàn ống: Diện tích truyền nhiệt của các dàn ngưng: F = 8,278 [m2] 1841,2 [kW] Nhiệt lượng có thể trao đổi trên các DN: Qk = F.k. Dt = Kết luận: Hệ thống dàn ngưng tụ sau khi nâng cấp đáp ứng đầy đủ yêu cầu của quy trình công nghệ sản xuất. 5.2. Hệ thống dàn bay hơi: Bình bay hơiống vỏ nằm ngang dùng chất tải lạnh glycol: Nhiệt độ Glycol vào và ra bình BH là : tc1 = -10C , tc2 = -60C Kích thước cơ bản bề mặt truyền nhiệt bình BH: Bình dùng loại ống chùm bằng thép trơn Dy 25 với kích thước: Đường kính ngoài da = 32 mm. Đường kính trong di = 27,5 mm. Chiều dày ống d = 2,25 mm. Tốc độ CTL đi trong ống: wc = 1,5 m/s, có ni = 31 ống. Mật độ dòng nhiệt CTL glycol theo diện tích bề mặt trong ống: qi = 6447 [W/ m2] tv = -11,1260C Diện tích truyền nhiệt tính theo bề mặt trong ống trao đổi nhiệt: Các ống bố trí trên đỉnh của tam giác đều. Bước ống S = 45 mm. - Khoảng cách giữa các hàng ống: S1 = 38,97 [mm] - Số ống n = 124 ống Đường kính trong của bình bay hơi: -Đường kính mặt sàng: Ds = 585 [mm] -Đường kính thân bình: Di = 610 mm. Da = 630 mm. d = 10 mm. Xác định chiều dài ống trao đổi nhiệt: l = 7,45 [m]. Thể tích không gian giữa các ống: V = 2,17 [m3]. 5.3 Hiệu suất tháp giải nhiệt: Vào thời điểm mùa hè, nhiệt thực toả ra tại các dàn ngưng tụ là lớn nhất. Nước sau khi trao đổi nhiệt ở dàn ngưng có nhiệt độ cao. Để đạt hiệu quả kinh tế, lắp đặt thêm 2 tháp giải nhiệt FRK – 80 [kW] của hãng RINKI sẽ tiết kiệm được một lượng lớn nước. Lượng nước cần bổ sung cho tháp không lớn, chỉ khoảng 3 á 10 [%] lượng nước tuần hoàn. Lưu lượng nước 17,4 [l/s] Dt của nước Dt = 5 [0C] Chiều cao tháp 2487 [mm] Đường kính ngoài của tháp D = 2230 [mm]. Quạt gió 450 [m3/h] , f = 1200 [mm] Mô tơ quạt 1,5 [kW]Vòng quay 12 [vg/s] Độ ồn 58,5 dBA. Khối lượng khô 420 [kg] , khối lượng ướt 1260 [kg] Chiều cao tháp 2487 [mm] Kích thước ống nối đường nước vào/ra là: 100/100 [mm] Kích thước ống nối đường chảy tràn 20 [mm] 5.4 Một số thiết bị phụ của hệ thống: Bình tách lỏng Bình trung gian Bình tách dầu Bình chứa dầu Van một chiều Chương vi hệ thống thu hồi co2 Sơ đồ hệ thống thu hồi CO2: Phao chứa CO2 30 m3 Lọc khí 1 CO2 sinh ra ở tăng lên men Lọc khí 1 Các bình chứa CO2 Vệ sinh, khử mùi Bình làm khô khí Máy nén CO2 hai cấp Tính toán máy nén khí 2 cấp của hệ thống thu hồi CO2 : Sơ đồ máy nén 2 cấp 2 tiết lưu, làm mát trung gian hoàn toàn: - Nhiệt độ bay hơi t0 = - 300C, nhiệt độ ngưng tụ tk = 450C. - Năng suất lạnh Q0 = 70 kW áp suất p0 =1,2 bar , pk =18 bar. ptg = = 4,65 bar Entanpi h1 h2 h3 h4=h8 h5 h6=h7 h9=h10 [kJ/kg] 1720 1880 1835 1750 2090 640 475 Lượng môi chất G1 qua nén hạ áp: G1 = 0,056 [kg/s] Lượng môi chất G4 qua nén cao áp: G4 = 0,0686 [kg/s] Công suất nén đoạn nhiệt : Ns = 32,284 [kW] Tính toán bình ngưng của hệ thống thu hồi CO2 : Nhiệt độ nước vào và ra khỏi BN: tw1 = 38 o C , tw2 = 43 o C Lưu lượng nước qua bình ngưng: mk= 3,28 kg/s Tốc độ nước bình ngưng wk = 1,5 m/ s Diện tích bề mặt truyền : F = 12,53 [m2] Bình ngưng ống vỏ nằm ngang amoniăc có kí hiệu KTJ - 20 Nước tiêu tốn làm mát bình ngưng: Vn = 0,00334 [m2/h] mục lục ChươngI: Tìm hiểu về công nghệ sản xuất bia Tình hình phát triển của công nghiệp sản xuất bia Quy trình công nghệ sản xuất bia ChươngII: Tính toán kiểm tra hệ thống Các số liệu ban đầu Tính toán toàn bộ hệ thống hiện tại Hệ thống máy nén, hệ thống lạnh ,dàn ngưng, thiết bị bay hơi, ... Kết luận về hệ thống thiết bị sản xuất của nhà máy. ChươngIII: Tính toán hệ thống lạnh. 3.1 Nhiệm vụ của hệ thống lạnh Tính cân bằng nhiệt ChươngIV: Tính toán hệ thống tăng lên men. 4.1 Hệ thống tăng lên men Tính tổn thất nhiệt tăng lên men ChươngV: Nâng cấp – Bổ sung thiết bị. ChươngVI: Tính toán hệ thống thu hồi CO2. ChươngVII: Nhận xét và kết luận.