БРЯНСКАЯГОСУДАРСВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ
Инженерно-технологическийфакультет
Кафедратехнологического оборудования в животноводстве и перерабатывающих производств
КУРСОВАЯ РАБОТА
по дисциплине: «Процессыи аппараты пищевых производств»
на тему: «Расчетдвухкорпусной вакуум-выпарной установки с термокомпрессором для изготовлениясгущенного молока с разработкой выпарного аппарата»
Выполнил:
студент группы
Проверил:
доцент
Брянск – 2008
Содержание
Введение
1. Основы теории выпаривания
2. Особенности процессов многократного выпаривания
3. Технологическая схема производства сгущенного молока
4. Расчет двухкорпусной вакуум-выпарной установки
Списокиспользуемой литературы
Введение
Производство молочных консервов в России непрерывнорастет. Стойкие и транспортабельные, они дают возможность потреблять молоко втех регионах, в которых отсутствует молочное скотоводство. Для туристов иэкипажей кораблей эти продукты просто незаменимы. Все более широкое применениеони находят в домашнем применении. В дальнейшем потребление молочных консервов будетувеличиваться, так как расширяется их ассортимент.
За 2007 г. производство молочных консервов в целом поРоссии выросло на 7,1% по сравнению с предыдущим 2006 г. и составило 581,0 туб[1]. Можно выделить округа, где произошло увеличение выработки молочныхконсервов по отношению к прошлому году: Центральный – объем производства выросна 12%; Южный – на 31%; Сибирский – на 2%. Однако на фоне общего ростапроизводства молочных консервов существуют округа, где объем их выпуска заданный период снизился. К ним относятся: Северо-Западный, Приволжский,Уральский.
В табл. 1 представлено соотношение объемов производства молочныхконсервов за 2007 г. по отношению к предыдущему году в разрезе федеральныхокругов.
Таблица 1.1. Производство молочных консервов за 2006, 2007гг.Федеральный округ Производство молочных консервов, туб Изменение, % 2007г 2006г Россия (всего) 581,0 542,4 107,1 Центральный 343,9 307,0 112,0 Северо-Западный 23,1 28,7 80,5 Южный 42,6 35,3 131,0 Приволжский 19,9 23,3 85,5 Уральский 71,8 73,5 97,7 Уральский 76,1 74,6 102,0
Анализ данных устанавливает, что на долю Центрального, Сибирскогои Уральского федеральных округов приходится 84,5% от общероссийскогопроизводства молочных консервов. Долгое время многие специалисты считали данныйрынок недостаточно перспективным, т.к. по оценкам некоторых экспертов, значительнаядоля (до 40%) приходилась на заказ со стороны силовых структур государства. На сегодняшнийдень к одним из основных потребителей сгущенного молока относят различных производителейдругих пищевых продуктов. Его используют в кондитерской промышленности для производстваириса, молочных (типа «Коровки»), сбивных, помадных и ликёрных конфет, ассорти,начинок для конфет; в производстве мороженого; в хлебопекарной промышленности –для производства тортов, пирожных, рулетов, кремов. Что же касаетсянепосредственно населения, то по данным исследования, проверенного компанией«Эрконпродукт», сгущённое молоко как особый вид сладкого продукта потребляютоколо 45% россиян с периодичностью от одного до нескольких раз в месяц взависимости от исследуемой местности.
Средняя российская цена на сгущённое молоко за банкумассой 400 г в 2006г. колебалась в пределах 12 – 17 руб. (по данным системы ММЦ).
По оценкам различных экспертов 50 – 70% рынка сгущённого молоказаняты консервами, изготовленными не по ГОСТу, а в соответствии с ТУ – с добавлениемв продукт растительных жиров. Основных причин в производстве сгущённого молока срастительными жирами две: Первая – недостаток молочного сырья. Другая существеннаяпричина – использование растительных ингредиентов ведёт к снижениюсебестоимости, что составляет по оценкам экспертов, не менее 35 – 40% [3].Резкоеухудшение экологической обстановки во всём мире, связанное с техническим прогрессом,а также недостаток или избыток отдельных компонентов пищи привели к появлению новыхи резкому увеличению числа известных болезней, связанных с неправильнымпитанием.
Для сохранения здоровья человека продукты питания должныобеспечивать улучшение обмена веществ, повышение сопротивляемости организма кнеблагоприятным воздействиям внешней среды. В связи с этим актуальной является разработкаспециализированных продуктов сбалансированного состава, обладающихлечебно-профилактическим действием с учётом физиологических потребностейразличных возрастных групп населения. Создание продуктов «здорового» питания, имеющихсбалансированный состав, может быть реализовано за счёт их многокомпонентности,в частности путём комбинирования сырья животного растительного происхождения. Использованиесухого молочного сырья и растительных жиров при производстве сгущённого молокас сахаром также решает такие проблемы, как дефицит молочного сырья и снижениесебестоимости продукта Сухое молоко, жиры и специальные смеси, используемые в качествеингредиентов при производстве рекомбинированных молочных консервов, должны бытьхорошего качества и обладать необходимыми функциональными характеристиками,обеспечивающими готовый продукт определёнными свойствами.
Сгущенные молочные консервы вырабатывают по традиционнойтехнологии в соответствии с ГОСТом 2903-78 и по различным ТУ.
Традиционная технология сгущенного молока с сахаром.Сгущенные молочные консервы вырабатывают двух видов: с сахаром и без него(стерилизованные). Сгущенные молочные консервы с сахаром имеют однородную повсей массе консистенцию без ощутимых органолептически кристаллов лактозы, белыйс кремовым оттенком цвет (для нежирных консервов допускается голубоватыйоттенок, а для консервов с наполнителем — темно-коричневый). Эти консервыобладают сладким вкусом с выраженным оттенком пастеризованного молока илисливок, а консервы с наполнителями — хорошо выраженными вкусом и запахомнатурального кофе или какао. В настоящее время изготовляют большой ассортиментсгущенных консервов с сахаром, нежирных и с массовой долей влаги от 26 до 30 %,сухих веществ от 26 до 36, жира от 5 до 19 и сахарозы от 37 до 44 %,кислотностью от 37 до 60 Т. В готовых консервах общее количество бактерий в 1 гдопускается не более 50 000 (для молока сгущенного с сахаром, нежирного ипахты) и 35 000 (для сгущенных консервов с сахаром, кофе и какао), бактериигруппы кишечной палочки в 0,1 г продукта и патогенные микроорганизмы недопускаются. Предприятия отрасли выпускают следующие виды консервов: цельноесгущенное молоко с сахаром, сгущенные сливки с сахаром; нежирное сгущенное молокос сахаром; сгущенную пахту с сахаром; натуральный кофе со сгущенным молоком исахаром, какао со сгущенным молоком и сахаром, какао со сгущенными сливками исахаром и другие с различными оригинальными названиями. Сгущенные молочные консервыс сахаром вырабатывают по одной технологической схеме. Режимные параметрызависят от конкретного вида консервов. Технологический процесс производства сгущенныхконсервов с сахаром состоит из следующих основных операций: приемка и подготовкасырья и компонентов, нормализация, пастеризация, гомогенизация, приготовление идобавление сахарного сиропа, сгущение, охлаждение сгущенного продукта,фасование, упаковывание (закатывание) и хранение.
1. Основы теории выпаривания
Выпариванием называется концентрирование растворовпрактически нелетучих или малолетучих веществ в жидких летучих растворителях.
Выпариванию подвергают растворы твердых веществ (водные растворыщелочей, солей и др.), а также высококипящие жидкости, обладающие притемпературе выпаривания весьма малым давлением пара, — некоторые минеральные иорганические кислоты, многоатомные спирты и др. Выпаривание иногда применяют такжедля выделения растворителя в чистом виде: при опреснении морской воды выпариваниемобразующийся из нее водяной пар конденсируют и воду используют для питьевых илитехнических целей.
При выпаривании обычно осуществляется частичное удалениерастворителя из всего объема раствора при его температуре кипения. Поэтому выпариваниепринципиально отличается от испарения, которое, как известно, происходит споверхности раствора при любых температурах ниже температуры кипения. В рядеслучаев выпаренный раствор подвергают последующей кристаллизации в выпарныхаппаратах, специально приспособленных для этих целей. Получение высококонцентрированныхрастворов, практически сухих и кристаллических продуктов облегчает и удешевляетих перевозку и хранение. Тепло для выпаривания можно подводить любыми теплоносителями,применяемыми при нагревании. Однако в подавляющем большинстве случаев вкачестве греющего агента при выпаривании используют водяной пар, которыйназывают греющим или первичным.
Первичным служит либо пар, получаемый из парогенератора, либоотработанный пар, или пар промежуточного отбора паровых турбин. Пар, образующийсяпри выпаривании кипящего раствора, называется вторичным.
Тёпло необходимое для выпаривания раствора, обычно подводитсячерез стенку, отделяющую теплоноситель от раствора. В некоторых производствахконцентрирование растворов осуществляют при непосредственном соприкосновении выпариваемогораствора с топочными газами или другими газообразными теплоносителями.
Процессы выпаривания проводят под вакуумом, приповышенном и атмосферном давлениях.
Выбор давления, связан со свойствами выпариваемого раствораи возможностью использования тепла вторичного пара.
Выпаривание под вакуумом имеет определённые преимущества передвыпариванием при атмосферном давлении, несмотря на то, что теплота испарения растворанесколько возрастает с понижением: давления и соответственно увеличиваетсярасход пара на выпаривание 1 кг растворителя (воды).
При выпаривании под вакуумом становится возможнымпроводить процесс при более низких температурах, что важно в случае концентрированиярастворов веществ, склонных к разложению при повышенных температурах. Крометого, при разрежении увеличивается полезная разность температур между греющим агентоми раствором, что позволяет уменьшить поверхность нагрева аппарата (при прочихравных условиях). В случае одинаковой полезной разности температур при выпариваниипод вакуумом можно использовать греющий агент более низких pa6очих параметров(температура и давление). Вследствие этого выпаривание под вакуумом широкоприменяют для концентрирования высококипящих растворов, например растворов щелочей,а также для концентрирования растворов с использованием теплоносителя (пара)невысоких параметров.
Примёнение вакуума дает возможность использовать в качествегреющего агента, кроме первичного пара, вторичный пар самой выпарной установки,что снижает расход первичного греющего пара. Вместе с тем при применениивакуума удорожается выпарная установка, поскольку требуются дополнительныезатраты на устройства для создания вакуума (конденсаторы, ловушки, вакуум-насосы), а также увеличиваются эксплуатационные расходы.
При выпаривании под давлением выше атмосферного такжеможно использовать вторичный пар, как для выпаривания, так и для других нужд,не связанных с процессом выпаривания.
Вторичный пар, отбираемый на сторону, называют экстрапаром.Отбор экстрапара при выпаривании под избыточным давлением позволяет лучшеиспользовать тепло, чем при выпаривании под вакуумом. Однако выпаривание под избыточнымдавлением сопряжено с повышением температуры кипения раствора. Поэтому данныйспособ применяется лишь для выпаривания термически стойких веществ. Кроме того,для выпаривания под давлением необходимы греющие агенты с более высокойтемпературой.
При выпаривании под атмосферным давлением вторичный парне используется и обычно удаляется в атмосферу. Такой способ выпаривания являетсянаиболее простым, но наименее экономичным.
Из имеющихся выпарных аппаратов наибольшеераспространение в пищевых производствах получили трубные выпарные аппараты с естественнойи принудительной циркуляцией при площади поверхности нагрева 10..1800 м2. Взависимости от расположения греющей камеры аппараты бывают с сосной греющейкамерой или вынесенной. Кроме перечисленных аппаратов применяют различныеконструкции пленочных аппаратов. При выборе конструкции выпарного аппаратаучитывают теплофизических свойств раствора, склонность к кристаллизации,чувствительность к высоким температурам, полезную разность температур в каждомкорпусе, площадь поверхности теплообменного аппарата, технологическиеособенности. Выпарные аппараты изготовляют из углеродистой стали,коррозиестойкой и двухслойной стали.
Выпарные аппараты с естественной циркуляцией просты поконструкции и применяются для выпаривания растворов невысокой вязкости, несклонных к кристаллизации. Эти аппараты бывают с сосной и вынесенной греющимикамерами. Естественная циркуляция возникает в замкнутой системе, состоящей изнеобогреваемой циркуляционной трубы и кипятильных труб. Выпарные аппараты сестественной циркуляцией характеризуется простотой конструкции и легкодоступныдля ремонта и очистки.
Выпарные аппараты с принудительной циркуляцией растворапозволяют повысить интенсивность циркуляции раствора и коэффициенттеплопередачи. Циркуляция жидкости производится пропеллерными или центробежныминасосом. Преимущества аппаратов с принудительной циркуляцией: высокиекоэффициенты теплопередачи, а следовательно, и значительно меньшие площадиповерхности теплопередачи, а также отсутствие загрязнений поверхноститеплопередачи. Недостаток- затраты энергии на работу насоса.
Пленочные выпарные аппараты применяют приконцентрировании растворов, чувствительных к высоким температурам. Пленочныеаппараты бывают с восходящей пленкой и сосной или выносной греющей камерой ипадающей пленкой и сосной или выносной греющей камерой. Недостаток–неустойчивость работы при колебаниях давления греющего пара. При нарушениирежима работы аппарат можно перевести на работу с циркуляцией раствора, как ваппаратах с принудительной циркуляцией.
Роторно-пленочные выпарные аппараты применяют приконцентрировании пищевых растворов, а также суспензий.
Барботажные выпарные аппараты. Выпаривание некоторых сильноагрессивных и высококипящих растворов, например растворов серной, соляной, фосфорнойкислот, растворов мирабилита, хлористого магния и других, производят принепосредственном соприкосновении раствора с нагретыми инертными газами. Длятаких растворов передача через стенку тепла, необходимого для выпаривания,оказывается практически неосуществимой из-за трудностей, связанных с выбором конструкционногоматериала, который должен сочетать хорошую теплопроводность с коррозионной итермической стойкостью.
Выпаривание при непосредственном соприкосновении раствораи теплоносителя осуществляют обычно с помощью топочных газов или нагретоговоздуха в аппаратах с металлическим кожухом, футерованным изнутрикоррозионно-стойкими материалами, например диабазовой и керамической плиткой,кислотоупорным и шамотным кирпичом и т.д. Барботажные трубы, по которымпоступают в раствор газы, изготавливаются из термосилида, графита и другихкоррозионностойких материалов.
2. Особенности процессов многократного выпаривания иприменение термокомпрессоров в выпарных установках
Многократное выпаривание проводят в ряде последовательно установленныхвыпарных аппаратов. Такие установки называют многокорпусными. С целью экономиигреющего пара в установках многократного выпаривания в качестве греющего параво всех корпусах, кроме первого, используется пар из предъидущего корпуса.Удельный расход греющего насыщенного водяного пара составляет: для однокорпуснойустановки 1, 1… 1,2 кг пара на 1 кг выпаренной воды; для двухкорпуснойустановки около 0,55, для трехкорпусной — около 0,4, для четырехкорпуснойустановки около 0,3 кг пара на 1 кг выпаренной воды. Многократное выпариваниеможно осуществить при использовании греющего пара высокого давления либо приприменении вакуума в выпарной установке. Давление в корпусах установки должноподдерживаться таким образом, чтобы температура поступающего в корпус пара былавыше, чем температура кипения раствора в этом корпусе. Оптимальное давлениегреющего пара в последнем корпусе определяется технико-экономическим расчетом.Выпаривание под избыточным давлением связано с повышением температуры кипенияраствора. Поэтому требуется греющий пар более высокого давления. Этот способвыпаривания применяют при концентрировании термически стойких растворов. При выпариваниипод избыточным давлением требуется автоматическое регулирование пара иплотности упаренного раствора, но установка в целом несколько упрощается, таккак отпадает необходимость в постоянно действующем конденсаторе. Многокорпусныевыпарные установки делятся по взаимному направлению движения греющего пара ивыпариваемого раствора на прямоточные, противоточные и комбинированные. Экономияпервичного пара (и соответственно топлива) может быть достигнута также воднокорпусных выпарных установках с тепловым насосом. В таких установкахвторичный пар на выходе из аппарата сжимается с помощью теплового насоса(например, термокомпрессора) до давления, соответствующего температурепервичного пара, после чего он вновь возвращается в аппарат для выпариванияраствора.
В химической промышленности применяются в основном непрерывнодействующие выпарные установки. Лишь в производствах малого масштаба, а такжепри выпаривании растворов до высоких конечных концентраций иногда используютвыпарные аппараты периодического действия.
Концентрация раствора в таком аппарате приближается к конечнойлишь в конечный период процесса. Поэтому средний коэффициент теплопередачи здесьможет быть несколько выше, чем в непрерывно действующем аппарате, гдеконцентрация раствора ближе к конечной в течение всего процесса выпаривания.
Современные выпарные установки имеют очень большие поверхностинагрева (иногда превышающие 2000 м2 в каждом корпусе) и являются крупнымипотребителями тепла.
/>
Рисунок 1 – Двухкорпусная вакуум-выпарная установка: 1 –калоризатор 1-ой ступени; 2 – сепаратор 1-ой ступени; 3 – калоризатор 2-ойступени; 4 – сепаратор 2-ой ступени; 5 – пробоотборный кран; 6 –водокольцевойнасос; 7 – инжектор; 8 – конденсатоотводчики; 9 –трехпозиционный кран; 10 –зонт
На рис.1 показана схема прямоточной многокорпуснойвыпарной установки. Исходный раствор в количестве Gн кг/ч с концентрацией хн мас.% из хранилища насосом подается в теплообменник, где подогревается дотемпературы кипения и поступает на выпаривание в первый корпус, в которомконцентрируется до заданной концентрации хк1 При этом из первого аппаратаудаляется W1 кг/ч вторичного пара. Далее раствор поступает в последующиекорпуса установки, где концентрируется во втором корпусе до концентрации хк2, втретьем до хк3 и так до конечной заданной концентрации.
Соответственно из корпусов удаляется вторичного пара W2,W3 ,… – Wn, кг/ч где п — число корпусов. Из последнего корпуса вторичный пар поступаетв барометрический конденсатор. Как видно из схемы, выпариваемый раствор ивторичный пар движутся в одном направлении.
3. Технологическая схема производства сгущенного молока
Технологическая схема производства сгущенного молокаприведена на листе графической части № 1.
Технологический процесс производства сгущенных консервовс сахаром состоит их следующих основных операций: приемка и подготовка сырья икомпонентов, нормализация, пастеризация, гомогенизация, приготовление идобавление сахарного сиропа, сгущение, охлаждение сгущенного продукта,фасование, упаковывание и хранение. Приемку молочного сырья и его подготовкупроводят, так же как и при выработке других молочных продуктов. Компонентыготового продукта по рецептуре подготавливают согласно действующейдокументации. После подготовки молоко нормализуют с учетом содержания в готовомпродукте жира, сухого молочного остатка, СОМО. Нормализованную молочную смесьпастеризуют при температуре 85-90°С или 105-112°С без выдержки. Внормализованное молоко перед пастеризацией можно вносить 25% водный растворсоли-стабилизатора в количестве 0,008-0,01% массы молока. После пастеризациимолоко рекомендуется охладить до 70-75 °С и направить на сгущение. Выдержкамолока при температуре пастеризации обеспечивает получение готового продуктаповышенной вязкости.
Перед сгущением допускается гомогенизация молока. Ееприменяют в зимнее время, а также для консервов вязкостью менее 2.5 Па*с.Гомогенизацию проводят при температуре 60-70°С и рабочем давлении 8-10МПа.
Сахарный сироп готовят путем растворения необходимогоколичества сахара в питьевой воде температурой 60-70 °С. После смешиваниясахара с водой смесь доводят до кипения и очищают. Сахарны е сиропырекомендуется готовить с концентрацией сахара 65-70%. С целью предотвращениярасщепления сахарозы, а также засахаривания и загустения сироп нельзявыдерживать с молоком более 20 мин. от начала кипения до начала его смешиванияс молоком. Температура сиропа при смешивания должна быть 90-95°С.
Сахарный сироп может поступать в вакуум-выпарнуюустановку в смеси с молоком или поэтапно: сироп-молоко-сироп. Передпоступлением в выпарной аппарат молочную смесь с сахаром фильтруют. Сгущениепроводят при температуре кипения: в двухкорпусной установке 70-80°С в первомкорпусе и 50-52°С во втором корпусе. Продолжительность сгущения продукта ввакуум-выпарном аппарате должна быть минимальной. Для установления готовностиотбирают пробу, охлаждают до 18-20°С и определяется плотность, массовую долюсухого вещества и органолептические показатели. Плотность сгущенного молока притемпературе 50°С равна 1280-1320 кг/м3.Массовая доля сухих веществ порефрактометру при 20°С составляет 73.8-74%. Консистенция пробы продукта при50°С должна быть слабовязкой. Продукт должен легко стекать со шпателя илиареометра при извлечении его из цилиндра, в котором определили плотность пробы.Сгущенный продукт из вакуум-выпарной установки направляют на охлаждение. Дляэтой цели применяют охладители-кристаллизаторы. Продукт охлаждают дотемпературы 18-20°С в течении 40-60 мин.
При охлаждении молока начинается кристаллизация лактозы.Этот процесс неуправляем, и результат его является образование крупныхкристаллов. Для получения продукта высокого качества необходимо, чтобы размерыкристаллов лактозы не превышали 10мкм. Если образуется кристаллы большегоразмера, то консистенция сгущенного продукта становится мучнистой. Дляинтенсификации кристаллизации и образования мелких кристаллов лактозы всгущенный продукт вносят затравку- сухую мелкокристаллическую лактозу сразмером кристаллов 2-3 мкм. Количество затравки соответствует 0,2% массыпродукта. Лактозу перед внесением прогревают при 105°С не менее 1ч. Послевнесения лактозы в сгущенное молоко увеличивается число зародышейкристаллизации, которые способствуют образованию мелких кристаллов. В качествезатравки можно использовать сгущенное молоко предыдущей выработки. Егоколичество должно составлять не менее 10%. Температура кристаллизации лактозы25-35°С. О правильно проведенной кристаллизации лактозы судят по ее размерам.Согласно ГОСТ 2903 однородность консистенции продукта определяют по среднимразмерам и распределению кристаллов по группам, а их количество – подсчетом подмикроскопом с применением окуляров – микрометров. Величину кристалла измеряютпо длине грани. Все кристаллы делят не 4 группы. По средней величине кристалловв каждой и их количеству вычисляют средний размер кристаллов в сгущенном молокес сахаром. При определении размеров кристаллов молочного сахара измеряют неменее 100 кристаллов. В зависимости от размеров кристаллов выделяют следующиеконсистенции продукта: до 10 мкм- консистенция, однородная по всей массе; от 11до 15 мкм – мучнистая; от 16 до25 – песчанистая; более 25 – хрустящая на зубах.Из охлажденного сгущенного молока отбирают также пробы для определенияфизико-химических и биохимических показателей. Если эти показателисоответствуют нормативной документации, то продукт направляют на фасование изакатывание. Готовый продукт фасуют и закатывают в жестяные банки № 1, 7,13,металлические трубы № 13, а также фанерно-штампованные или деревянные заливныебочки и металлические фляги. Если продукт не соответствует по содержанию воды ижира требованиям ГОСТа и технических условий, его нормализуют после сгущенияводой, обезжиренным молоком или сливками. Вода должна быть кипяченой иочищенной.
4. Расчет двухкорпусной вакуум-выпарной установки
Расчет двухкорпусной вакуум-выпарной установки стермокомпрессором для изготовления сгущенного молока с разработкой выпарногоаппарата.
Исходные данные:
Производительность по испаренной влаге: W=2000/>;
Давление рабочего пара: P=0,75МПа;
Температура кипения молока:
в первом корпусе – tk1=70°C;
во втором корпусе – tk2=52°C;
Температура греющего пара первого корпуса – tгр1=86°С;
Концентрация сухого вещества в исходном продукте – Хн=12%
в конечном продукте – Хк=35%
Составляем уравнения материального баланса
По всему веществу
Gн-W= Gk
Gн-W1= G1
G1- W2= Gk
По влаге
W= W1+ W2
Из этих уравнений находим количество молока поступающегона сгущение
/>
Где Gн- количество молока поступающего на сгущение кг/ч,
Хн- концентрация сухого вещества в исходном продукте,%
Хк- в конечном продукте,%
Количество конечного продукта
Gk= Gн- W=3045-2000=1045 кг/ч;
Определим количество выпаренной влаги в каждом корпусе:
Для этого воспользуемся отношением выпаренной влаги впервом корпусе к количеству выпаренной влаги во втором корпусе:
I:II =1:1,1
/> =958
/>/> />
Определяем конечные концентрации раствора по корпусам:
Тепловой баланс по 1му корпусу
Q1=Dгр(in1-ik1)=W1·r1-G0·Cm1(t0-tk1)+QПОТ(6)
Q2 = Dгр2 (in2-ik2)= W2·r2-G1·Cm2(tк1-tk2)+QПОТ2 (7)
t0-температура молока в 1ом корпусе
tк1-температура кипения молока в 1ом корпусе
tk2-температура кипения во втором корпусе
r1, r2-теплота парообразования при соответствующемдавлении в 1и 2 корпусах.
Dгр-расход греющего пара в первом корпусе, кг/ч
Dгр2- расход греющего пара во втором корпусе, кг/ч
QПОТ, QПОТ2-потери теплоты в первом и втором корпусе, кДж
Cm-теплоемкость молока
Cm=41,87W+(13,73+0,113(Т-273)) (8)
Уравнение теплопередачи для корпусов
Q1/3,6=К1F1Δt1 (9)
Q2/3,6= К2F2Δt2 (10)
Δt1=tгр- tk1 =86-70=16°С (11)
Δt2= tгр2- tk2 (12)
tгр2= tk1-Δtфх- Δtн (13)
tвп= tk2-Δtфх- Δtн (14)
Δt1, Δt2-полезная разность температур, °С
К1, К2-коэффициенты теплопередачи для корпусов, Вт/м2∙К
tk1, tk2-температура кипения молока в первом и второмкорпусе, °С
Анализ нагрузки корпусов
Распределение выпариваемой влаги по корпусам и полезнойразности температур производят на основании решения системы уравнений с учетомотбора экстра пара на дополнительные нужды. Решение этой задачи ведется методомпоследовательных приближений. В качестве 1го приближения обычно считают, чтоколичество выпариваемой влаги равно количеству греющего пара. В этом случае можемзаписать:
W1= Dгр=a(D0+E1)=aD0(1+u) (15)
W2= W1- E1- E111=C W1- u D0 (16)
u= E1/ D0-коэффициент инжекции (=0,8..1)
а = коэффициент учитывающий долю отбираемогоэкстрапара(=0,9)
с = коэффициент учитывающий отбор экстрапара,направляемого во 2ой В.А.
В (16) подставим вместо
W2= W- W1
W- W1= C W1- u D0
W1(С+1)= W+u D0 (17)
Из (15) получим
D0= W1/а(1+ u),
подставим в (17) и получим
W1(С+1)= W+ u W1/ а(1+ u) (18)
После преобразований получим
W1= [W· а(1+ u)]/ а(1+ c) (1+ u)- u=[2000·0.9(1+0,9)] /0,9(1+0,95)(1+0,9)-0,9=1405 кг/ч (19)
Тогда W2 =2000-1405=595 кг/ч
Концентрация после первого корпуса
Х1= G0Х0/ G0- W1=3045·13/(3045-1405)=23,9 %
При условии равенства площадей F1=F2
Δt2= W2К1Δt1/ W1 К2=16·1500·0,298/0,702·1200 =9°С
tгр2= tk2+Δt2=52+9=61°С
Устанавливаем давление в корпусах
1корпус
tгр1=86°C
p=0,6·105 Па
Калоризатор tк=84°С iк=350 кДж/кг
r=2293кДж/кг i=2653 кДж/кг
tвп1= tгр2=61°С
p=0,21·105 Па r=2354 кДж/кг i=2611 кДж/кг
Калоризатор tк=59°С iк=247 кДж/кг
2 корпус
tвп2=49°С p=1,04·104 Па r=2386 кДж/кг i=2589 кДж/кг
Определяем удельную теплоемкость молока
См1=[41,87·1405+(13,73+0,113·68)]·0.06=3,5 кДж/кг·К
См2=[41,87·595+(13,73+0,113·50)]·0,14=3,4 кДж/кг·К
Определяем теплоту
Q1=1405·2354-3045·3,5(86-70)=3136850 кДж
Q2=595·2386-1640·3,4(67-52)=1336030 кДж
Существующие вакуум-выпарные установки имеют одинаковыеповерхности нагрева испарителей и размеры корпусов, поэтому F1= F2. Равенствоповерхности дает возможность определить поверхность нагрева одного корпусаустановки, а второй изготавливать таким же. При этом лучше определятьповерхность нагрева первого корпуса.
Определяем площадь поверхности теплопередачи калоризаторов
F1=3136850/1500·3,6·16=36,3 м2
F2=1336030/1200·3,6·9=35,3 м2
Расход греющего пара в 1м корпусе
Dгр= Q1/0,97(in1-ik1)=3136850/0,97(2611-350)=1430 кг/ч
Расход рабочего(острого) пара
D0= Dгр/ а(1+ u)=1430/0,9(1+0,9)= 836 кг/ч
Основные размеры испарителя и пароотделителя
Поверхность нагрева испарителя образуется кипятильнымитрубками в теплообменнике.
Принимают диаметр кипятильных трубок d=0,032м, l=2.5м.
Число трубок в испарителе
n= F/π· d ·l=36,3/(3,14·0,032·2,5)=146
Вакуум-выпарные установки имеют обычно две циркуляционныетрубы, площадь трубы, площадь сечения которых принимается за 10% светового сечениякипятильных труб.
Площадь поперечного сечения циркуляционные труб
fц=0.1 F=0,1·3,14·0,0322·187/4=0,15м2
Диаметр циркуляционные труб
Dц=/>=/> = 0,31м
Определение размеров пароотделителя
Объем пароотделителя определяется по формуле
V=Vвт·W/A=13·2000/6000=4,3 м3
Где Vвт- удельный объем вторичного пара, м3/кг.
А- допускаемое напряжение объема по испаренной влаге,
Объем пароотделителя цилиндрического м3/( м3·ч) (А=4000…12000 м3/( м3·ч)
V= (π D2/4)·H
D- Диаметр пароотделителя, м;
H- высота пароотделителя, м; (Н=1,2D)
D=/> = /> = 1,65 м
Н=1,2·1,65 = 1,98м
Расчет трубчатого теплообменника
Принимают диаметр кипятильных трубок d=0,032м, l=2.5м.
Определяем число ходов в аппарате
i= L1/L=5/2.5=2
Где i-число ходов в аппарате,
L1-Общая длина аппарата, м
L-длина кипятильных труб, м
Размещаем трубы по сторонам правильных шестиугольников (повершинам равносторонних треугольников). На диагонали наибольшего из нихрасположится труб:
nд=/>
n- число трубок в испарителе;
Количество труб на стороне наибольшего шестиугольника
nс=0,5(nд+1)=0,5∙(14+1)=7.5
Где nд- количество трубок на диагонали шестиугольников
Принимаем nс=8
Определяем шаг труб в кипятильнике
D =1.25∙ d=1.25∙32∙10-3=40∙10-3м =40мм,
Где d- диаметр кипятильных труб
Определяем ширину простенка
Lн=( L- d)=40-32=8мм.
Внутренний диаметр кожуха аппарата
Dв = L (nд-1)+ d +2( L- d)=40(14-1)+32+2(40-32)=568
Корпус аппарата будет изготовляться сварным. Наружныйдиаметр примем равным 630 мм (по сортаменту). Коэффициент прочности сварныхшвов примем равным β =0,7
Список используемой литературы
1.Храмцов А. Г., Нестеренко П. Г., Чеботарев Е. А. Производство сгущенныхконцентратов молочной сыворотки: Учебное пособие. – Ставрополь: Институтразвития образования, 1998. – 80 с.
2.Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. — М.: Химия,1971. — 784 с.
3.Павлов К.Ф., Романов П.Г., Носков А.А. Примеры задачи по курсу процессов иаппаратов химической технологии. — М., Химия ,1987. — 552 с.
4.Дытнерский Ю.М. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие попроектированию. — М.: Химия,1983. — 261с.
5.Аболмаков Г.Ф. Примеры и задачи по курсу технологического оборудования молочнойпромышленности. — М.-Л., Машиностроение,1966. — 284 с.
6.Баранцев В.И. Процессы и аппараты пищевых производств.- -М.: Легкая и пищеваяпромышленность,
7.БредихинС.А., Космодемьянский Ю.В., Юрин В.Н. Технология и техника молока.-М.: Колос,2003г.
8.Г.Н.Крусь., А.Г.Храмцов., З.В.Волокитина., С.В.Карпычев. Технология молока имолочных продуктов.М.:«КолосС».
9.КавецкийГ.Д., Васильев Б.В. Процессы и аппараты пищевой технологии.-М.: Колос, 2000г.
10.ЗимняковВ.М., Назаров И.В., Щербина С.В. Практикум по основам расчета и конструированиямашин и аппаратов перерабатывающих производств.- М.: Пенза, 2003г.
11.Антипов С.Т., И.Т.Кретов., А.Н.Остриков., В.А.Панфилов., О.А.Ураков. Машины иаппараты пищевых производств в двух книгах. М.: «Высшая школа», 2001.
12.Селягин В.Е., Процессы и аппараты пищевых производств. Расчет вакуум-выпарнойустановки.- М.: МГЗИПП. 1997г.