糖化锅、糊化锅升温速率的计算和校核

张俊 赵颜 王常虎

啤酒工厂糖化工艺对于糊化锅和糖化锅醪液的升温速率有严格要求，合适的升温速率可以满足糖化工艺对温度的需求并且提高生产效率，又可以减少锅内壁结垢，降低CIP 清洗频次。对于升温速率，糊化锅一般要求为1.5-2℃/min，糖化锅一般要求为1-1.5℃/min；下面介绍一种糖化锅、糊化锅升温速率的计算和校核方法。

1 确定蒸汽夹套的换热面积

对于新设计的糖、糊化锅根据确定的锅体尺寸和封头形式，画出锅体图，并在锅体图上标出醪液有效容积的液面高度，然后根据所选择的夹套形式，在筒体和下封头上进行夹套的初步布置并计算出换热面积，夹套布置的原则如下：

1.1 夹套应在醪液液面以下50mm处开始布置。

1.2 夹套布置应考虑到锅体所选用材料的板幅，不要覆盖锅体制造焊接的环缝并且尽量避开纵缝。

1.3 夹套布置应留出温度传感器和支撑腿或座的位置。

1.4 夹套布置要结合土建或操作平台相对于锅体的位置，尽量不要把夹套与外接管连接的位置与土建楼板、支撑梁或钢结构平台重合，留出足够的安装和维修空间。

1.5 根据工艺提供的不同产品的投料量，夹套可以分段设置，但最多不宜超过4段（含锅底封头加热段）。

对于已有糖、糊化锅的换热面积可以查阅制造商提供的图纸，在设计参数表中有总换热面积和各分段的换热面积，可以作为升温速率计算校核的依据。

2 夹套内蒸汽对传热面的传热膜传热系数α1 计算

式中 ρ1：水密度 Kg/m3

g：重力加速度g r：汽化潜热 KJ/Kg

λ1：导热系数 W/( m·k)

γ1：运动粘度 m2/s

L：夹套高度m Δt：温差℃

3 锅内壁传热面到醪液的传热膜传热系数α2 计算

其中 Pr= CPμ/λ2

式中 ρ2：醪液密度Kg/m3μ：动力粘度Pa·S

γ2：运动粘度m2/s CP：比热J/Kg.K

λ2：导热系数W/(m·k)

ε：单位质量搅拌功率w/kg

Pr: 普朗特准数 D：容器内直徑m

d：搅拌桨直徑m b：搅拌叶片宽度m

4 壁温校核

在传热过程中，由夹套通过锅体热传递，其热流量密度是相等，即

5 总传热系数K 计算

式中污垢系数：夹套蒸汽侧外壁面Rη，

锅内壁面 Rυ， m2K/W

λ3：导热系数 ， W/(m·k) δ：锅壁厚度 ， mm

6 夹套热负荷Q 计算

夹套热负荷Q=FKΔtm（KJ/h）

式中： F：换热面积 m2Δtm：对数平均温差

K：传热系数

7 醪液升温需要的热量q 计算

醪液热量q=ρ2V CPΔt1（KJ）

式中：ρ2：醪液密度， Kg/m3

V：醪液量，m3CP：醪液比热， KJ/Kg.K

Δt1：醪液温差， ℃

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8 升温时间m 计算

升温时间m =60kq/Q （min）

其中 k：热损耗系数

9 升温速率V 计算

升温速率V=Δt1/m （℃/min）

计算升温速率V 与工艺要求的升温速率v 进行比较，如果V＞v，可以适当减少换热面积或者降低供蒸汽压力；如果V＜v，应当考虑增大供蒸汽压力或重新设计锅体，通过降低径高比、变更下封头型式、在锅内增加加热盘管等方法，提高换热面积。

10 计算实例：20KL/批糖化生产线糖化锅升温速率计算

条件：糖化锅锅体内径3m，下封头采用蝶形封头；醪液量16.1KL，液位高度2.5m；搅拌叶直径d=2.6m，搅拌叶片宽度b=0.35m，搅拌功率W=7.5kw；糖化工艺要求醪液从65℃到76℃升温速率v=1.2℃/min，夹套内的蒸汽压力为3-4bar。

10.1 在糖化锅筒体和下封头布置夹套，夹套的型式为全覆盖型蜂窝夹套，夹套分上、中、下3 段设计，单段夹套高度1.1m，初步计算换热面积A 为19.8m2。

10.2 计算夹套内蒸汽对传热面的传热膜传热系数α1

143.4℃的水物理性能：

10.3 计算锅内壁面的传热膜传热系数α2

糖化醪液从65℃升温至76℃，平均温度tm1=(65+76)/2=70.5℃；

在此温度下醪液的物性参数：ρ2=1060 Kg/m3, μ=0.010Pa·S（取糖化升温过程醪液的平均粘度）,γ2=1.13×10-5m2/s ，

单位质量搅拌功率ε=1000W/G=1000×7.5/16.1×1060)=0.429 w/kg

普朗特准数 Pr=CPμ/λ2=3660×0.010/0.686=53.35

10.4 壁温TB 校核

计算得TB=130.4℃

原设定蒸汽侧壁温Tb=136.6℃

误差=[(Tb- TB)/ TB]×100%=[(136.6-130.4)/130.4]×100%=4.7%

误差为4.7%，原设定蒸汽侧壁温可行。如果误差大于5%应重新设定壁温按上述计算方法，重新计算，直到满足要求为止。

10.5 总传热系数K

污垢系数：夹套蒸汽侧外壁面 Rη=0.000052 m2K/W

糖化锅内壁面 Rυ=0.000106 m2K/W

糖化锅材料 S30408， 导热系数λ3=17W/(m2K)，锅壁厚度δ=5mm

10.6 醪液升温需要的热量q 计算

10.7 夹套热负荷Q 计算

蒸汽温度T=143.4℃（蒸汽压力0.30MPa），醪液平均温度tm1=70.5℃

对数平均温差

10.8 升温时间m 计算

10.9 升温速率V 计算

通过计算可以看出 V ＞v，可以满足糖化工艺要求的升温速率。

11 结束语

糖化和糊化的升温速率与总传热系数K 值息息相关，而影响K 值大小的一个关键因素，就是糖化醪液和糊化醪液的粘度，而醪液粘度在整个糖化过程中随着糊化、液化、糖化、蛋白质分解工艺过程的进行以及醪液温度的不断增加，实际上醪液的粘度是一个不断变化的值，这就导致每个阶段的K 值是不同的，这也是在糖化糊化实际操作中可以观察到的有些阶段升温快有些阶段升温较慢的原因，以上的计算方法也是在醪液取其平均粘度的前提下，求其平均升温速率，与实际情况还是有所差异。