Проектирование сусловарочного аппарата с внутренним теплообменником для пивоваренного производства мощностью 10 млн. дал в год

Введение

Пиво было известно человечеству ещё с незапамятных времён. Его популярность обуславливается своеобразным хмелевым ароматом, терпким горьковатым вкусом и освежающим эффектом от растворённого в нём диоксида углерода.
С приходом эпохи индустриализации начиная с середины XIX в. производство пива неизбежно переходит к промышленным масштабам. В XXI в. популярность пива продолжает неуклонно расти, оно становится в прямом смысле слова мировым напитком.
В настоящее время среди всех готовых напитков пиво имеет наибольший товарооборот.
Производство пива в мире в 2008 году по данным компании Kirin - ведущего в Японии производителя слабоалкогольных напитков - достигло 181,1 млрд литров.
В 2023 году Россия находилась на третьем месте в списке стран, лидирующих по производству пива, объёмы его производства составляли 11,4 млрд литров.
Среднеевропейский уровень потребления пива составляет около 70 литров в год на душу населения, при этом в ряде высокоразвитых стран потребление пива доходит до 100-150 литров в год.
Среднедушевое потребление пива в России постепенно приближается к средним европейским показателям, по различным оценкам оно достигает от 80 до 85 литров в год.
Во многих странах пиво считается хорошей альтернативой крепким алкогольным напиткам, несущей, скорее, пользу, чем вред.
Учитывая всё это, пивоварение на данный момент является активно развивающейся отраслью. Возрастающий спрос требует увеличения объёмов производства, в связи с чем огромное значение приобретает не только сохранение, но и повышение качества производимой продукции, что становится возможным в условиях ускоренного научно-технического прогресса в пивоваренной отрасли.
Актуальным становится повышение стойкости продукции, и соответственно острее встаёт вопрос о её качестве.
Также в связи с расширением масштабов производства необходимо большое внимание уделять таким аспектам производства, как внедрение безотходных технологий, сокращение потерь на всех стадиях технологического процесса, включая хранение сырья и реализацию готовой продукции, экономия потребляемой электроэнергии.
Техническое оснащение пивоваренной отрасли в XX в. претерпевает значительные изменения. Наряду с усовершенствованием классических конструкций оборудования, появляются кардинально новые решения. И прогресс в этой области неуклонно движется вперёд.
Оборудование варочного отделения потребляет наибольшее количество тепловой энергии, удельный расход которой составляет 81-128 МДж/гл товарного пива, при общих удельных затратах тепловой энергии на производство пива 130-185 МДж/гл.
При этом только на кипячение сусла приходится 24-54 МДж/гл. Всё это свидетельствует об актуальности и важности решения проблемы снижения затрат тепловой энергии в пивоваренном производстве.
Целью данного проекта является проектирование сусловарочного аппарата с внутренним теплообменником для пивоваренного производства годовой мощностью 10,5 млн дал пива с учётом обеспечения экономичного потребления электроэнергии.
1. Описание технологической схемы варочного цеха

Светлый, тёмный солод и ячмень поступают в подработочное отделение варочного цеха из силосов, расположенных на улице, где перед этим хранятся в течение месяца с целью отлёжки.
Зерно подаётся на норию и поднимается на верхний этаж. С помощью шнекового транспортёра зерно распределяется по бункерам суточного запаса отдельно для светлого солода, тёмного солода и ячменя. Выгрузка зерна из бункеров регулируется шиберными задвижками, установленными на трубопроводах.
На автоматических бункерных весах взвешивается примерное количество зернопродукта на 1 варку и поступает на очистку в воздушно-ситовой сепаратор. Зерно очищается от примесей, отличающихся от зерна по размерам и аэродинамическим свойствам. Эти примеси собираются в бункере в течении 3 суток, после чего вывозятся с завода на утилизацию. Зерно с помощью транспортёров и нории подаётся в камнеотборник. На выходе из камнеотборника установлен магнитный сепаратор, отделяющий от зерна металлические примеси. Камни и металлические примеси собираются в специальный контейнер или мешок и удаляются как обычный мусор. После очистки зерно шнековым транспортёром направляется в бункера очищенного светлого солода, тёмного солода и ячменя. Поступающее из бункеров зерно проходит через весы, где взвешивается точная засыпь на 1 варку. Карамельный и жжёный солод поступает со складов в мешках, загружается в бункера, также проходит через весы и поступает на дробление. Оборудование механического транспорта и зерноочистительное оборудование оснащено системой аспирации для защиты от вредного воздействия пыли. Аспирационные относы собирают в мешки.
Дробление зернопродуктов осуществляется в дробилке мокрого помола, где зерно сначала увлажняется в течение 30-60 с. водой с температурой 47-50°С, затем дробится, а после смешивается с водой для получения затора.
Специальная конструкция дробилки обеспечивает отделение от зерна практически целых оболочек, которые впоследствии формируют хороший фильтрующий слой в фильтрационном аппарате, в то время как эндосперм при дроблении остаётся почти сухим, что способствует лучшему его измельчению и соответственно более полному осахариванию при затирании. Заторная масса температурой 45°С из смесительной камеры дробилки насосом перекачивается в один из заторных аппаратов. Зернозасыпь на одну варку измельчается и перекачивается в течение 30 минут. Основные задачи затирания - перевод нерастворимых компонентов солода в растворимые и их экстрагирование в раствор с целью получения сусла. Для этого необходимо обеспечить определённые температурные условия для действия ферментов. Затирание проходит по двухотварочному способу. Он заключается в двукратном отборе части затора и её кипячении. При возврате отварки в основной затор температура его повышается, создавая условия для выдерживания очередной температурной паузы и заключительного осахаривания затора. Для перекачивания заторной массы из одного аппарата в другой, а также для подачи затора на фильтрацию служит заторный насос. Весь цикл затирания, начиная от подачи затора из дробилки и заканчивания перекачиванием его на фильтрования, занимает 195 мин. Когда во втором заторном аппарате заканчивается кипячение второй отварки и она перекачивается обратно в первый заторный аппарат, в освободившийся заторный аппарат начинают подачу затора из дробилки для следующей варки. Осахаренный затор из заторного аппарата перекачивается в фильтрационный аппарат. Фильтрация проходит в две стадии: отделение жидкой фазы от твёрдых частиц и вымывание оставшегося экстракта из дробины. После подачи затора в фильтрационный аппарат в нём формируется фильтрующий слой, состоящий главным образом из оболочек солода. Мутное сусло, стёкшее из аппарата до того, как этот слой сформировался, насосом возвращается в аппарат сверху. Прозрачное первое сусло из фильтрационного аппарата тем же насосом отводится в сборник сусла. Сборник обеспечивает необходимую оборачиваемость варочной установки, позволяя проводить процесс фильтрации затора и отвода сусла в то время, пока в сусловарочном аппарате ещё происходит предыдущая варка. После отвода первого сусла осуществляется промывка дробины водой с температурой 76-78°С. Первую промывную воду с достаточно высоким содержанием экстрактивных веществ также отводят в сборник сусла. Последнюю промывную воду, содержание экстрактивных веществ в которой невелико, отводят в специальный сборник последней промывной воды. Эта вода используется для приготовления затора в следующих циклах, она насосом подаётся к дробилке. Весь цикл работы фильтрационного аппарата занимает 155 мин. Промытую дробину выгружают в промежуточный бункер, расположенный под фильтрационным аппаратом, откуда она потом транспортируется в сборник товарной дробины. Там дробина собирается в течение 2 суток и затем вывозится на утилизацию.
Во время проведения процесса фильтрования температура сусла снижается до 74°С, поэтому перед подачей в сусловарочный аппарат сусло нагревается до температуры 92°С в пластинчатом теплообменнике, что экономит затраты времени и энергии на нагревание сусла в сусловарочном аппарате.
После теплообменника сусло попадает в сусловарочный аппарат, где происходит его кипячение с хмелем. В процессе кипячения помимо естественной циркуляции сусла через трубы внутреннего теплообменника используется принудительная циркуляция сусла при помощи циркуляционного насоса.