БРЯНСЬК ГОСУДАРСВЕННАЯ СІЛЬСЬКОГОСПОДАРСЬКА АКАДЕМІЯ
Інженерно-технологічний факультет
Кафедра технологічного обладнання в тваринництві і переробних виробництв
Курсова робота
з дисципліни: «Процеси і апарати харчових виробництв»
на тему: «Розрахунок двухкорпусной вакуум-випарної установки з термокомпрессором для виготовлення згущеного молока з розробкою випарного апарату»
Виконав:
студент групи
Перевірив:
доцент
Брянськ - 2008
Зміст
Введення
1. Основи теорії випарювання
2. Особливості процесів багаторазового випарювання
3. Технологічна схема виробництва згущеного молока
4. Розрахунок двухкорпусной вакуум-випарної установки
Список використаної літератури
Введення
Виробництво молочних консервів у Росії безперервно зростає. Стійкі і транспортабельні, вони дають можливість споживати молоко в тих регіонах, в яких відсутня молочне скотарство. Для туристів та екіпажів кораблів ці продукти просто незамінні. Все більш широке застосування вони знаходять в домашньому застосуванні. Надалі споживання молочних консервів буде збільшуватися, тому що розширюється їх асортимент.
За 2007 р. виробництво молочних консервів в цілому по Росії виросло на 7,1% в порівнянні з попереднім 2006 р. і склало 581,0 туб [1]. Можна виділити округу, де відбулося збільшення вироблення молочних консервів по відношенню до минулого року: Центральний - обсяг виробництва зріс на 12%; Південний - на 31%; Сибірський - на 2%. Однак на тлі загального зростання виробництва молочних консервів існують округу, де обсяг їх випуску за даний період знизився. До них відносяться: Північно-Західний, Приволзький, Уральський.
У табл. 1 представлено співвідношення обсягів виробництва молочних консервів за 2007 р. по відношенню до попереднього року в розрізі федеральних округів.
Таблиця 1.1. Виробництво молочних консервів за 2006, 2007 рр..
Аналіз даних встановлює, що на частку Центрального, Сибірського і Уральського федеральних округів доводиться 84,5% від загальноросійського виробництва молочних консервів. Довгий час багато фахівців вважали даний ринок недостатньо перспективним, тому що за оцінками деяких експертів, значна частка (до 40%) припадала на замовлення з боку силових структур держави. На сьогоднішній день до одних з основних споживачів згущеного молока відносять різних виробників інших харчових продуктів. Його використовують у кондитерській промисловості для виробництва ірису, молочних (типу «Коровки»), збивних, помадних і лікерних цукерок, асорті, начинок для цукерок; у виробництві морозива; в хлібопекарській промисловості - для виробництва тортів, тістечок, рулетів, кремів. Що ж стосується безпосередньо населення, то за даними дослідження, перевіреного компанією «Ерконпродукт», згущене молоко як особливий вид солодкого продукту споживають близько 45% росіян з періодичністю від одного до декількох разів на місяць в залежності від досліджуваної місцевості.
Середня російська ціна на згущене молоко за банку масою 400 г у 2006р. коливалася в межах 12 - 17 руб. (За даними системи ММЦ).
За оцінками різних експертів 50 - 70% ринку згущеного молока зайняті консервами, виготовленими не за ГОСТом, а відповідно до ТУ - з додаванням в продукт рослинних жирів. Основних причин у виробництві згущеного молока з рослинними жирами дві: Перша - брак молочної сировини. Інша суттєва причина - використання рослинних інгредієнтів веде до зниження собівартості, що складає за оцінками експертів, не менше 35 - 40% [3]. Різке погіршення екологічної обстановки в усьому світі, пов'язане з технічним прогресом, а також брак або надлишок окремих компонентів їжі призвели до появи нових і різкого збільшення числа відомих хвороб, пов'язаних з неправильним харчуванням.
Для збереження здоров'я людини продукти харчування повинні забезпечувати поліпшення обміну речовин, підвищення опірності організму до несприятливих впливів зовнішнього середовища. У зв'язку з цим актуальною є розробка спеціалізованих продуктів збалансованого складу, що володіють лікувально-профілактичною дією з урахуванням фізіологічних потреб різних вікових груп населення. Створення продуктів «здорового» харчування, що мають збалансований склад, може бути реалізовано за рахунок їх багатокомпонентності, зокрема шляхом комбінування сировини тваринного рослинного походження. Використання сухого молочної сировини і рослинних жирів при виробництві згущеного молока з цукром також вирішує такі проблеми, як дефіцит молочної сировини і зниження собівартості продукту Сухе молоко, жири і спеціальні суміші, що використовуються в якості інгредієнтів при виробництві рекомбінована молочних консервів, повинні бути хорошої якості і володіти необхідними функціональними характеристиками, що забезпечують готовий продукт певними властивостями.
Згущені молочні консерви виробляють за традиційною технологією відповідно до ГОСТу 2903-78 і по різних ТУ.
Традиційна технологія згущеного молока з цукром. Згущені молочні консерви виробляють двох видів: з цукром і без нього (стерилізовані). Згущені молочні консерви з цукром мають однорідну по всій масі консистенцію без відчутних органолептично кристалів лактози, білий з кремовим відтінком колір (для нежирних консервів допускається голубуватий відтінок, а для консервів з наповнювачем - темно-коричневий). Ці консерви мають солодкий смак з вираженим відтінком пастеризованого молока або вершків, а консерви з наповнювачами - добре вираженими смаком і запахом натуральної кави або какао. В даний час виготовляють великий асортимент згущених консервів з цукром, нежирних і з масовою часткою вологи від 26 до 30%, сухих речовин від 26 до 36, жиру від 5 до 19 і сахарози від 37 до 44%, кислотністю від 37 до 60 Т. У готових консервах загальна кількість бактерій в 1 г допускається не більше 50 000 (для молока згущеного з цукром, нежирного і сколотин) і 35 000 (для згущених консервів з цукром, кавою і какао), бактерії групи кишкової палички в 0,1 г продукту і патогенні мікроорганізми не допускаються. Підприємства галузі випускають наступні види консервів: незбиране згущене молоко з цукром, згущені вершки з цукром; нежирне згущене молоко з цукром; згущену сколотини з цукром; натуральна кава зі згущеним молоком і цукром, какао зі згущеним молоком і цукром, какао зі згущеними вершками і цукром та інші з різними оригінальними назвами. Згущені молочні консерви з цукром виробляють по одній технологічній схемі. Режимні параметри залежать від конкретного виду консервів. Технологічний процес виробництва згущених консервів з цукром складається з наступних основних операцій: приймання і підготовка сировини і компонентів, нормалізація, пастеризація, гомогенізація, приготування і додавання цукрового сиропу, згущення, охолодження згущеного продукту, фасування, пакування (закочування) та зберігання.
1. Основи теорії випарювання
Випарюванням називається концентрування розчинів практично нелетких або малолетучих речовин в рідких летючих розчинниках.
Випаровуванню піддають розчини твердих речовин (водні розчини лугів, солей та ін), а також висококиплячі рідини, які мають при температурі випаровування дуже малим тиском пари, - деякі мінеральні та органічні кислоти, багатоатомні спирти та ін Випарювання іноді застосовують також для виділення розчинника в чистому вигляді: при опріснення морської води випарюванням утворюється з неї водяна пара конденсують і воду використовують для питних або технічних цілей.
При випаровуванні зазвичай здійснюється часткове видалення розчинника з усього об'єму розчину при його температурі кипіння. Тому випарювання принципово відрізняється від випаровування, яке, як відомо, відбувається з поверхні розчину при будь-яких температурах нижче температури кипіння. У ряді випадків випарений розчин піддають наступної кристалізації у випарних апаратах, спеціально пристосованих для цих цілей. Отримання висококонцентрованих розчинів, практично сухих і кристалічних продуктів полегшує і здешевлює їх перевезення і зберігання. Тепло для випарювання можна підводити будь-якими теплоносіями, застосовуваними при нагріванні. Однак у переважній більшості випадків в якості гріючого агента при випаровуванні використовують водяний пар, який називають гріючою або первинним.
Первинним служить або пар, що отримується з парогенератора, або відпрацьований пар, або пара проміжного відбору парових турбін. Пара, що утворюється при випаровуванні киплячого розчину, називається вторинним.
Тепло необхідне для випаровування розчину, зазвичай підводиться через стінку, яка відокремлює теплоносій від розчину. У деяких виробництвах концентрування розчинів здійснюють при безпосередньому зіткненні випарює розчину з топковим газами або іншими газоподібними теплоносіями.
Процеси випарювання проводять під вакуумом, при підвищеному та атмосферному тиску.
Вибір тиску, пов'язаний з властивостями випарює розчину і можливістю використання тепла вторинної пари.
Випарювання під вакуумом має певні переваги перед випарюванням при атмосферному тиску, незважаючи на те, що теплота випаровування розчину дещо зростає з пониженням: тиску і відповідно збільшується витрата пари на випарювання 1 кг розчинника (води).
При випаровуванні під вакуумом стає можливим проводити процес при більш низьких температурах, що важливо в разі концентрування розчинів речовин, схильних до розкладання при підвищених температурах. Крім того, при розрідженні збільшується корисна різниця температур між гріючою агентом і розчином, що дозволяє зменшити поверхню нагріву апарату (за інших рівних умов). У випадку однакової корисної різниці температур при випаровуванні під вакуумом можна використовувати гріючий агент більш низьких pa6очіх параметрів (температура і тиск). Внаслідок цього випарювання під вакуумом широко застосовують для концентрування висококиплячих розчинів, наприклад розчинів лугів, а також для концентрування розчинів з використанням теплоносія (пара) невисоких параметрів.
Застосування вакууму дає можливість використовувати в якості гріючого агента, крім первинного пара, вторинний пар самої випарної установки, що знижує витрату первинного гріючої пари. Разом з тим при застосуванні вакууму здорожує випарна установка, оскільки потрібні додаткові витрати на пристрої для створення вакууму (конденсатори, пастки, вакуум-насоси), а також збільшуються експлуатаційні витрати.
При випаровуванні під тиском вище атмосферного також можна використовувати вторинний пар, як для випарювання, так і для інших потреб, не пов'язаних з процесом випарювання.
Вторинний пар, що відбирається на бік, називають екстрапаром. Відбір екстрапара при випаровуванні під надлишковим тиском дозволяє краще використовувати тепло, ніж при випаровуванні під вакуумом. Однак випарювання під надлишковим тиском пов'язане з підвищенням температури кипіння розчину. Тому даний спосіб застосовується лише для випарювання термічно стійких речовин. Крім того, для випарювання під тиском необхідні гріють агенти з більш високою температурою.
При випаровуванні під атмосферним тиском вторинний пар не використовується і зазвичай видаляється в атмосферу. Такий спосіб випарювання є найбільш простим, але найменш економічним.
З наявних випарних апаратів найбільшого поширення в харчових виробництвах одержали трубні випарні апарати з природною і примусовою циркуляцією при площі поверхні нагрівання 10 .. 1800 м2. У залежності від розташування гріючої камери апарати бувають з сосною гріючої камерою або винесеної. Крім перерахованих апаратів застосовують різні конструкції плівкових апаратів. При виборі конструкції випарного апарату враховують теплофізичних властивостей розчину, схильність до кристалізації, чутливість до високих температур, корисну різниця температур в кожному корпусі, площа поверхні теплообмінного апарату, технологічні особливості. Випарні апарати виготовляють з вуглецевої сталі, корозійностійкої і двошарової сталі.
Випарні апарати з природною циркуляцією прості по конструкції і застосовуються для випарювання розчинів невисокою в'язкості, не схильних до кристалізації. Ці апарати бувають з сосною і винесеною гріючою камерами. Природна циркуляція виникає в замкнутій системі, що з необігрівальній циркуляційної труби і кіпятільних труб. Випарні апарати з природною циркуляцією характеризується простотою конструкції і досяжні для ремонту й очищення.
Випарні апарати з примусовою циркуляцією розчину дозволяють підвищити інтенсивність циркуляції розчину і коефіцієнт теплопередачі. Циркуляція рідини проводиться пропелерними або відцентровими насосом. Переваги апаратів з примусовою циркуляцією: високі коефіцієнти теплопередачі, а отже, і значно менші площі поверхні теплопередачі, а також відсутність забруднень поверхні теплопередачі. Недолік-витрати енергії на роботу насоса.
Плівкові випарні апарати застосовують при концентруванні розчинів, чутливих до високих температур. Плівкові апарати бувають з висхідною плівкою і сосною або виносний гріючої камерою і падаючої плівкою і сосною або виносний гріючої камерою. Недолік-нестійкість роботи при коливаннях тиску гріючої пари. При порушенні режиму роботи апарат можна перевести на роботу з циркуляцією розчину, як в апаратах з примусовою циркуляцією.
Роторно-плівкові випарні апарати застосовують при концентруванні харчових розчинів, а також суспензій.
Барботажние випарні апарати. Випарювання деяких сильно агресивних і висококиплячих розчинів, наприклад розчинів сірчаної, соляної, фосфорної кислот, розчинів мірабіліту, хлористого магнію та інших, роблять при безпосередньому зіткненні розчину з нагрітими інертними газами. Для таких розчинів передача через стінку тепла, необхідного для випаровування, виявляється практично нездійсненною через труднощі, пов'язаних з вибором конструкційного матеріалу, який повинен поєднувати хорошу теплопровідність з корозійної і термічної стійкістю.
Випарювання при безпосередньому зіткненні розчину і теплоносія здійснюють звичайно за допомогою топкових газів або нагрітого повітря в апаратах з металевим кожухом, футерованих зсередини корозійно-стійкими матеріалами, наприклад діабазовий і керамічною плиткою, кислототривкою і шамотним цеглою і т.д. Барботажние труби, по яких надходять у розчин гази, виготовляються з термосіліда, графіту та інших корозійностійких матеріалів.
2. Особливості процесів багаторазового випаровування і застосування термокомпрессоров в випарних установках
Багаторазове випарювання проводять у ряді послідовно встановлених випарних апаратів. Такі установки називають багатокорпусному. З метою економії гріючої пари в установках багаторазового випаровування в якості пари, що гріє у всіх корпусах, крім першого, використовується пар з пред'ідущего корпусу. Питома витрата гріючої насиченої водяної пари складає: для однокорпусному установки 1, 1 ... 1,2 кг пари на 1 кг випарованої води; для двухкорпусной установки близько 0,55, для трьохкорпусне - близько 0,4, для четирехкорпусной установки близько 0,3 кг пари на 1 кг випарованої води. Багаторазове випарювання можна здійснити при використанні гріючої пари високого тиску або при застосуванні вакууму в випарної установки. Тиск у корпусах установки повинно підтримуватися таким чином, щоб температура надходить в корпус пара була вище, ніж температура кипіння розчину в цьому корпусі. Оптимальний тиск гріючої пари в останньому корпусі визначається техніко-економічним розрахунком. Випарювання під надлишковим тиском пов'язано з підвищенням температури кипіння розчину. Тому потрібно гріючий пар більше високого тиску. Цей спосіб випарювання застосовують при концентруванні термічно стійких розчинів. При випаровуванні під надлишковим тиском потрібно автоматичне регулювання пари і щільності упаренного розчину, але установка в цілому трохи спрощується, так як відпадає необхідність у постійно діючому конденсаторі. Багатокорпусні випарні установки діляться за взаємною напрямку руху пари, що гріє і випарювали розчину на прямоточні, протиточні і комбіновані. Економія первинного пара (і відповідно палива) може бути досягнута також у однокорпусних випарних установках з тепловим насосом. У таких установках вторинний пар на виході з апарату стискається за допомогою теплового насоса (наприклад, термокомпрессора) до тиску, який відповідає температурі первинного пара, після чого він знову повертається в апарат для випаровування розчину.
Інженерно-технологічний факультет
Кафедра технологічного обладнання в тваринництві і переробних виробництв
Курсова робота
з дисципліни: «Процеси і апарати харчових виробництв»
на тему: «Розрахунок двухкорпусной вакуум-випарної установки з термокомпрессором для виготовлення згущеного молока з розробкою випарного апарату»
Виконав:
студент групи
Перевірив:
доцент
Брянськ - 2008
Зміст
Введення
1. Основи теорії випарювання
2. Особливості процесів багаторазового випарювання
3. Технологічна схема виробництва згущеного молока
4. Розрахунок двухкорпусной вакуум-випарної установки
Список використаної літератури
Введення
Виробництво молочних консервів у Росії безперервно зростає. Стійкі і транспортабельні, вони дають можливість споживати молоко в тих регіонах, в яких відсутня молочне скотарство. Для туристів та екіпажів кораблів ці продукти просто незамінні. Все більш широке застосування вони знаходять в домашньому застосуванні. Надалі споживання молочних консервів буде збільшуватися, тому що розширюється їх асортимент.
За 2007 р. виробництво молочних консервів в цілому по Росії виросло на 7,1% в порівнянні з попереднім 2006 р. і склало 581,0 туб [1]. Можна виділити округу, де відбулося збільшення вироблення молочних консервів по відношенню до минулого року: Центральний - обсяг виробництва зріс на 12%; Південний - на 31%; Сибірський - на 2%. Однак на тлі загального зростання виробництва молочних консервів існують округу, де обсяг їх випуску за даний період знизився. До них відносяться: Північно-Західний, Приволзький, Уральський.
У табл. 1 представлено співвідношення обсягів виробництва молочних консервів за 2007 р. по відношенню до попереднього року в розрізі федеральних округів.
Таблиця 1.1. Виробництво молочних консервів за 2006, 2007 рр..
| Федеральний округ | Виробництво молочних консервів, туб | Зміна,% | |
| 2007р | 2006р | ||
| Росія (всього) | 581,0 | 542,4 | 107,1 |
| Центральний | 343,9 | 307,0 | 112,0 |
| Північно-Західний | 23,1 | 28,7 | 80,5 |
| Південний | 42,6 | 35,3 | 131,0 |
| Приволзький | 19,9 | 23,3 | 85,5 |
| Уральський | 71,8 | 73,5 | 97,7 |
| Уральський | 76,1 | 74,6 | 102,0 |
Аналіз даних встановлює, що на частку Центрального, Сибірського і Уральського федеральних округів доводиться 84,5% від загальноросійського виробництва молочних консервів. Довгий час багато фахівців вважали даний ринок недостатньо перспективним, тому що за оцінками деяких експертів, значна частка (до 40%) припадала на замовлення з боку силових структур держави. На сьогоднішній день до одних з основних споживачів згущеного молока відносять різних виробників інших харчових продуктів. Його використовують у кондитерській промисловості для виробництва ірису, молочних (типу «Коровки»), збивних, помадних і лікерних цукерок, асорті, начинок для цукерок; у виробництві морозива; в хлібопекарській промисловості - для виробництва тортів, тістечок, рулетів, кремів. Що ж стосується безпосередньо населення, то за даними дослідження, перевіреного компанією «Ерконпродукт», згущене молоко як особливий вид солодкого продукту споживають близько 45% росіян з періодичністю від одного до декількох разів на місяць в залежності від досліджуваної місцевості.
Середня російська ціна на згущене молоко за банку масою 400 г у 2006р. коливалася в межах 12 - 17 руб. (За даними системи ММЦ).
За оцінками різних експертів 50 - 70% ринку згущеного молока зайняті консервами, виготовленими не за ГОСТом, а відповідно до ТУ - з додаванням в продукт рослинних жирів. Основних причин у виробництві згущеного молока з рослинними жирами дві: Перша - брак молочної сировини. Інша суттєва причина - використання рослинних інгредієнтів веде до зниження собівартості, що складає за оцінками експертів, не менше 35 - 40% [3]. Різке погіршення екологічної обстановки в усьому світі, пов'язане з технічним прогресом, а також брак або надлишок окремих компонентів їжі призвели до появи нових і різкого збільшення числа відомих хвороб, пов'язаних з неправильним харчуванням.
Для збереження здоров'я людини продукти харчування повинні забезпечувати поліпшення обміну речовин, підвищення опірності організму до несприятливих впливів зовнішнього середовища. У зв'язку з цим актуальною є розробка спеціалізованих продуктів збалансованого складу, що володіють лікувально-профілактичною дією з урахуванням фізіологічних потреб різних вікових груп населення. Створення продуктів «здорового» харчування, що мають збалансований склад, може бути реалізовано за рахунок їх багатокомпонентності, зокрема шляхом комбінування сировини тваринного рослинного походження. Використання сухого молочної сировини і рослинних жирів при виробництві згущеного молока з цукром також вирішує такі проблеми, як дефіцит молочної сировини і зниження собівартості продукту Сухе молоко, жири і спеціальні суміші, що використовуються в якості інгредієнтів при виробництві рекомбінована молочних консервів, повинні бути хорошої якості і володіти необхідними функціональними характеристиками, що забезпечують готовий продукт певними властивостями.
Згущені молочні консерви виробляють за традиційною технологією відповідно до ГОСТу 2903-78 і по різних ТУ.
Традиційна технологія згущеного молока з цукром. Згущені молочні консерви виробляють двох видів: з цукром і без нього (стерилізовані). Згущені молочні консерви з цукром мають однорідну по всій масі консистенцію без відчутних органолептично кристалів лактози, білий з кремовим відтінком колір (для нежирних консервів допускається голубуватий відтінок, а для консервів з наповнювачем - темно-коричневий). Ці консерви мають солодкий смак з вираженим відтінком пастеризованого молока або вершків, а консерви з наповнювачами - добре вираженими смаком і запахом натуральної кави або какао. В даний час виготовляють великий асортимент згущених консервів з цукром, нежирних і з масовою часткою вологи від 26 до 30%, сухих речовин від 26 до 36, жиру від 5 до 19 і сахарози від 37 до 44%, кислотністю від 37 до 60 Т. У готових консервах загальна кількість бактерій в 1 г допускається не більше 50 000 (для молока згущеного з цукром, нежирного і сколотин) і 35 000 (для згущених консервів з цукром, кавою і какао), бактерії групи кишкової палички в 0,1 г продукту і патогенні мікроорганізми не допускаються. Підприємства галузі випускають наступні види консервів: незбиране згущене молоко з цукром, згущені вершки з цукром; нежирне згущене молоко з цукром; згущену сколотини з цукром; натуральна кава зі згущеним молоком і цукром, какао зі згущеним молоком і цукром, какао зі згущеними вершками і цукром та інші з різними оригінальними назвами. Згущені молочні консерви з цукром виробляють по одній технологічній схемі. Режимні параметри залежать від конкретного виду консервів. Технологічний процес виробництва згущених консервів з цукром складається з наступних основних операцій: приймання і підготовка сировини і компонентів, нормалізація, пастеризація, гомогенізація, приготування і додавання цукрового сиропу, згущення, охолодження згущеного продукту, фасування, пакування (закочування) та зберігання.
1. Основи теорії випарювання
Випарюванням називається концентрування розчинів практично нелетких або малолетучих речовин в рідких летючих розчинниках.
Випаровуванню піддають розчини твердих речовин (водні розчини лугів, солей та ін), а також висококиплячі рідини, які мають при температурі випаровування дуже малим тиском пари, - деякі мінеральні та органічні кислоти, багатоатомні спирти та ін Випарювання іноді застосовують також для виділення розчинника в чистому вигляді: при опріснення морської води випарюванням утворюється з неї водяна пара конденсують і воду використовують для питних або технічних цілей.
При випаровуванні зазвичай здійснюється часткове видалення розчинника з усього об'єму розчину при його температурі кипіння. Тому випарювання принципово відрізняється від випаровування, яке, як відомо, відбувається з поверхні розчину при будь-яких температурах нижче температури кипіння. У ряді випадків випарений розчин піддають наступної кристалізації у випарних апаратах, спеціально пристосованих для цих цілей. Отримання висококонцентрованих розчинів, практично сухих і кристалічних продуктів полегшує і здешевлює їх перевезення і зберігання. Тепло для випарювання можна підводити будь-якими теплоносіями, застосовуваними при нагріванні. Однак у переважній більшості випадків в якості гріючого агента при випаровуванні використовують водяний пар, який називають гріючою або первинним.
Первинним служить або пар, що отримується з парогенератора, або відпрацьований пар, або пара проміжного відбору парових турбін. Пара, що утворюється при випаровуванні киплячого розчину, називається вторинним.
Тепло необхідне для випаровування розчину, зазвичай підводиться через стінку, яка відокремлює теплоносій від розчину. У деяких виробництвах концентрування розчинів здійснюють при безпосередньому зіткненні випарює розчину з топковим газами або іншими газоподібними теплоносіями.
Процеси випарювання проводять під вакуумом, при підвищеному та атмосферному тиску.
Вибір тиску, пов'язаний з властивостями випарює розчину і можливістю використання тепла вторинної пари.
Випарювання під вакуумом має певні переваги перед випарюванням при атмосферному тиску, незважаючи на те, що теплота випаровування розчину дещо зростає з пониженням: тиску і відповідно збільшується витрата пари на випарювання 1 кг розчинника (води).
При випаровуванні під вакуумом стає можливим проводити процес при більш низьких температурах, що важливо в разі концентрування розчинів речовин, схильних до розкладання при підвищених температурах. Крім того, при розрідженні збільшується корисна різниця температур між гріючою агентом і розчином, що дозволяє зменшити поверхню нагріву апарату (за інших рівних умов). У випадку однакової корисної різниці температур при випаровуванні під вакуумом можна використовувати гріючий агент більш низьких pa6очіх параметрів (температура і тиск). Внаслідок цього випарювання під вакуумом широко застосовують для концентрування висококиплячих розчинів, наприклад розчинів лугів, а також для концентрування розчинів з використанням теплоносія (пара) невисоких параметрів.
Застосування вакууму дає можливість використовувати в якості гріючого агента, крім первинного пара, вторинний пар самої випарної установки, що знижує витрату первинного гріючої пари. Разом з тим при застосуванні вакууму здорожує випарна установка, оскільки потрібні додаткові витрати на пристрої для створення вакууму (конденсатори, пастки, вакуум-насоси), а також збільшуються експлуатаційні витрати.
При випаровуванні під тиском вище атмосферного також можна використовувати вторинний пар, як для випарювання, так і для інших потреб, не пов'язаних з процесом випарювання.
Вторинний пар, що відбирається на бік, називають екстрапаром. Відбір екстрапара при випаровуванні під надлишковим тиском дозволяє краще використовувати тепло, ніж при випаровуванні під вакуумом. Однак випарювання під надлишковим тиском пов'язане з підвищенням температури кипіння розчину. Тому даний спосіб застосовується лише для випарювання термічно стійких речовин. Крім того, для випарювання під тиском необхідні гріють агенти з більш високою температурою.
При випаровуванні під атмосферним тиском вторинний пар не використовується і зазвичай видаляється в атмосферу. Такий спосіб випарювання є найбільш простим, але найменш економічним.
З наявних випарних апаратів найбільшого поширення в харчових виробництвах одержали трубні випарні апарати з природною і примусовою циркуляцією при площі поверхні нагрівання 10 .. 1800 м2. У залежності від розташування гріючої камери апарати бувають з сосною гріючої камерою або винесеної. Крім перерахованих апаратів застосовують різні конструкції плівкових апаратів. При виборі конструкції випарного апарату враховують теплофізичних властивостей розчину, схильність до кристалізації, чутливість до високих температур, корисну різниця температур в кожному корпусі, площа поверхні теплообмінного апарату, технологічні особливості. Випарні апарати виготовляють з вуглецевої сталі, корозійностійкої і двошарової сталі.
Випарні апарати з природною циркуляцією прості по конструкції і застосовуються для випарювання розчинів невисокою в'язкості, не схильних до кристалізації. Ці апарати бувають з сосною і винесеною гріючою камерами. Природна циркуляція виникає в замкнутій системі, що з необігрівальній циркуляційної труби і кіпятільних труб. Випарні апарати з природною циркуляцією характеризується простотою конструкції і досяжні для ремонту й очищення.
Випарні апарати з примусовою циркуляцією розчину дозволяють підвищити інтенсивність циркуляції розчину і коефіцієнт теплопередачі. Циркуляція рідини проводиться пропелерними або відцентровими насосом. Переваги апаратів з примусовою циркуляцією: високі коефіцієнти теплопередачі, а отже, і значно менші площі поверхні теплопередачі, а також відсутність забруднень поверхні теплопередачі. Недолік-витрати енергії на роботу насоса.
Плівкові випарні апарати застосовують при концентруванні розчинів, чутливих до високих температур. Плівкові апарати бувають з висхідною плівкою і сосною або виносний гріючої камерою і падаючої плівкою і сосною або виносний гріючої камерою. Недолік-нестійкість роботи при коливаннях тиску гріючої пари. При порушенні режиму роботи апарат можна перевести на роботу з циркуляцією розчину, як в апаратах з примусовою циркуляцією.
Роторно-плівкові випарні апарати застосовують при концентруванні харчових розчинів, а також суспензій.
Барботажние випарні апарати. Випарювання деяких сильно агресивних і висококиплячих розчинів, наприклад розчинів сірчаної, соляної, фосфорної кислот, розчинів мірабіліту, хлористого магнію та інших, роблять при безпосередньому зіткненні розчину з нагрітими інертними газами. Для таких розчинів передача через стінку тепла, необхідного для випаровування, виявляється практично нездійсненною через труднощі, пов'язаних з вибором конструкційного матеріалу, який повинен поєднувати хорошу теплопровідність з корозійної і термічної стійкістю.
Випарювання при безпосередньому зіткненні розчину і теплоносія здійснюють звичайно за допомогою топкових газів або нагрітого повітря в апаратах з металевим кожухом, футерованих зсередини корозійно-стійкими матеріалами, наприклад діабазовий і керамічною плиткою, кислототривкою і шамотним цеглою і т.д. Барботажние труби, по яких надходять у розчин гази, виготовляються з термосіліда, графіту та інших корозійностійких матеріалів.
2. Особливості процесів багаторазового випаровування і застосування термокомпрессоров в випарних установках
Багаторазове випарювання проводять у ряді послідовно встановлених випарних апаратів. Такі установки називають багатокорпусному. З метою економії гріючої пари в установках багаторазового випаровування в якості пари, що гріє у всіх корпусах, крім першого, використовується пар з пред'ідущего корпусу. Питома витрата гріючої насиченої водяної пари складає: для однокорпусному установки 1, 1 ... 1,2 кг пари на 1 кг випарованої води; для двухкорпусной установки близько 0,55, для трьохкорпусне - близько 0,4, для четирехкорпусной установки близько 0,3 кг пари на 1 кг випарованої води. Багаторазове випарювання можна здійснити при використанні гріючої пари високого тиску або при застосуванні вакууму в випарної установки. Тиск у корпусах установки повинно підтримуватися таким чином, щоб температура надходить в корпус пара була вище, ніж температура кипіння розчину в цьому корпусі. Оптимальний тиск гріючої пари в останньому корпусі визначається техніко-економічним розрахунком. Випарювання під надлишковим тиском пов'язано з підвищенням температури кипіння розчину. Тому потрібно гріючий пар більше високого тиску. Цей спосіб випарювання застосовують при концентруванні термічно стійких розчинів. При випаровуванні під надлишковим тиском потрібно автоматичне регулювання пари і щільності упаренного розчину, але установка в цілому трохи спрощується, так як відпадає необхідність у постійно діючому конденсаторі. Багатокорпусні випарні установки діляться за взаємною напрямку руху пари, що гріє і випарювали розчину на прямоточні, протиточні і комбіновані. Економія первинного пара (і відповідно палива) може бути досягнута також у однокорпусних випарних установках з тепловим насосом. У таких установках вторинний пар на виході з апарату стискається за допомогою теплового насоса (наприклад, термокомпрессора) до тиску, який відповідає температурі первинного пара, після чого він знову повертається в апарат для випаровування розчину.
У хімічній промисловості застосовуються в основному безперервно діючі випарні установки. Лише у виробництвах малого масштабу, а також при випаровуванні розчинів до високих кінцевих концентрацій іноді використовують випарні апарати періодичної дії.
Концентрація розчину в такому апараті наближається до кінцевої лише в кінцевий період процесу. Тому середній коефіцієнт теплопередачі тут може бути трохи вище, ніж в безперервно діючому апараті, де концентрація розчину ближче до кінцевої протягом всього процесу випарювання.
Сучасні випарні установки мають дуже великі поверхні нагрівання (іноді перевищують 2000 м 2 в кожному корпусі) і є великими споживачами тепла.
Малюнок 1 - двокорпусні вакуум-випарна установка: 1 - калоризатор 1-го ступеня, 2 - сепаратор 1-го ступеня, 3 - калоризатор 2-го ступеня, 4 - сепаратор 2-го ступеня, 5 - занурити пробовідбиральний кран; 6-водокільцеві насос ; 7 - інжектор, 8 - конденсатовідвідники; 9-трипозиційний кран; 10 - парасольку
На рис.1 показана схема прямоточною багатокорпусному випарної установки. Вихідний розчин у кількості Gн кг / год з концентрацією ХН мас. % Зі сховища насосом подається в теплообмінник, де підігрівається до температури кипіння і надходить на випарювання в перший корпус, в якому концентрується до заданої концентрації хк1 При цьому з першого апарату видаляється W1 кг / год вторинної пари. Далі розчин надходить у наступні корпусу установки, де концентрується в другому корпусі до концентрації хк2, в третьому до хк3 і так до кінцевої заданої концентрації.
Відповідно з корпусів видаляється вторинної пари W2, W3, .. - Wn, кг / год де п - число корпусів. З останнього корпусу вторинний пар надходить в барометричний конденсатор. Як видно зі схеми, випарювали розчин і вторинний пар рухаються в одному напрямку.
3. Технологічна схема виробництва згущеного молока
Технологічна схема виробництва згущеного молока наведена на аркуші графічної частини № 1.
Технологічний процес виробництва згущених консервів з цукром складається з наступних основних операцій: приймання і підготовка сировини і компонентів, нормалізація, пастеризація, гомогенізація, приготування і додавання цукрового сиропу, згущення, охолодження згущеного продукту, фасування, пакування та зберігання. Приймання молочної сировини та її підготовку проводять, так само як і при виробленні інших молочних продуктів. Компоненти готового продукту за рецептурою готують згідно діючої документації. Після підготовки молоко нормалізують з урахуванням вмісту в готовому продукті жиру, сухого молочного залишку, СОМО. Нормалізовану молочну суміш пастеризують при температурі 85-90 ° С або 105-112 ° С без витримки. У нормалізоване молоко перед пастеризацією можна вносити 25% водний розчин солі-стабілізатора в кількості 0,008-0,01% маси молока. Після пастеризації молоко рекомендується охолодити до 70-75 ° С і направити на згущення. Витяг молока при температурі пастеризації забезпечує отримання готового продукту підвищеної в'язкості.
Перед згущенням допускається гомогенізація молока. Її застосовують в зимовий час, а також для консервів в'язкістю менше 2.5 Па * с. Гомогенізацію проводять при температурі 60-70 ° С і робочому тиску 8-10Мпа.
Цукровий сироп готують шляхом розчинення необхідної кількості цукру у питній воді температурою 60-70 ° С. Після змішування цукру з водою суміш доводять до кипіння і очищають. Цукровий е сиропи рекомендується готувати з концентрацією цукру 65-70%. З метою запобігання розщеплення сахарози, а також зацукровування і загусання сироп не можна витримувати з молоком більше 20 хв. від початку кипіння до початку його змішування з молоком. Температура сиропу при змішування повинна бути 90-95 ° С.
Цукровий сироп може надходити у вакуум-випарну установку в суміші з молоком або поетапно: сироп-молоко-сироп. Перед вступом до випарної апарат молочну суміш з цукром фільтрують. Згущення проводять при температурі кипіння: у двухкорпусной установці 70-80 ° С в першому корпусі і 50-52 ° С у другому корпусі. Тривалість згущення продукту у вакуум-випарної апараті повинна бути мінімальною. Для встановлення готовності відбирають пробу, охолоджують до 18-20 ° С і визначається щільність, масову частку сухої речовини та органолептичні показники. Щільність згущеного молока при температурі 50 ° С дорівнює 1280-1320 кг/м3.Массовая частка сухих речовин по рефрактометр при 20 ° С складає 73.8-74%. Консистенція проби продукту при 50 ° С повинна бути слабовязкой. Продукт повинен легко стікати з шпателя або ареометра при витяганні його з циліндра, в якому визначили щільність проби. Згущений продукт з вакуум-випарної установки направляють на охолодження. Для цієї мети застосовують охолоджувачі-кристалізатори. Продукт охолоджують до температури 18-20 ° С протягом 40-60 хв.
При охолодженні молока починається кристалізація лактози. Цей процес некерований, і результат його є утворення великих кристалів. Для отримання продукту високої якості необхідно, щоб розміри кристалів лактози не перевищували 10мкм. Якщо утворюється кристали більшого розміру, то консистенція згущеного продукту стає борошнистої. Для інтенсифікації кристалізації і освіти дрібних кристалів лактози в згущений продукт вносять затравку-суху мелкокристаллическую лактозу з розміром кристалів 2-3 мкм. Кількість затравки відповідає 0,2% маси продукту. Лактозу перед внесенням прогрівають при 105 ° С не менше 1 год. Після внесення лактози в згущене молоко збільшується число зародків кристалізації, які сприяють утворенню дрібних кристалів. В якості затравки можна використовувати згущене молоко попередньої виробітку. Його кількість повинна становити не менше 10%. Температура кристалізації лактози 25-35 ° С. Про правильно проведеної кристалізації лактози судять за її розмірами. Відповідно до ГОСТ 2903 однорідність консистенції продукту визначають за середніми обсягами і розподілу кристалів по групах, а їх кількість - підрахунком під мікроскопом із застосуванням окулярів - мікрометрів. Величину кристала вимірюють по довжині грані. Всі кристали ділять не 4 групи. За середньою величиною кристалів у кожній та їх кількості обчислюють середній розмір кристалів у згущеному молоці з цукром. При визначенні розмірів кристалів молочного цукру вимірюють не менше 100 кристалів. У залежності від розмірів кристалів виділяють наступні консистенції продукту: до 10 мкм-консистенція, однорідна по всій масі; від 11 до 15 мкм - борошниста; від 16 до25 - піщанистий; більше 25 - хрустка на зубах. З охолодженого згущеного молока відбирають також проби для визначення фізико-хімічних і біохімічних показників. Якщо ці показники відповідають нормативної документації, то продукт направляють на фасування та закочування. Готовий продукт фасують і закочують в бляшані банки № 1, 7,13, металеві труби № 13, а також фанерно-штамповані або дерев'яні заливні бочки і металеві фляги. Якщо продукт не відповідає за вмістом води та жиру вимогам ГОСТу і технічних умов, його нормалізують після згущення водою, знежиреним молоком або вершками. Вода повинна бути кип'яченою і очищеною.
4. Розрахунок двухкорпусной вакуум-випарної установки
Розрахунок двухкорпусной вакуум-випарної установки з термокомпрессором для виготовлення згущеного молока з розробкою випарного апарату.
Вихідні дані:
Продуктивність по испаренной волозі: W = 2000
;
Тиск робочого пара: P = 0,75 МПа;
Температура кипіння молока:
у першому корпусі - tk1 = 70 ° C;
у другому корпусі - tk2 = 52 ° C;
Температура пари, що гріє першого корпусу - tгр1 = 86 ° С;
Концентрація сухої речовини у вихідному продукті - Хн = 12%
в кінцевому продукті - Хк = 35%
Складаємо рівняння матеріального балансу
По всьому речовині
Gн-W = Gk
Gн-W1 = G1
G1-W2 = Gk
За волозі
W = W1 + W2
З цих рівнянь знаходимо кількість молока надходить на згущення
Де Gн-кількість молока надходить на згущення кг / год,
Хн-концентрація сухої речовини у вихідному продукті,%
Хк-в кінцевому продукті,%
Кількість кінцевого продукту
Gk = Gн-W = 3045-2000 = 1045 кг / год;
Визначимо кількість випарованої вологи в кожному корпусі:
Для цього скористаємося ставленням випарованої вологи в першому корпусі до кількості випарованої вологи в другому корпусі:
I: II = 1:1,1
W W 
= 958
Визначаємо кінцеві концентрації розчину по корпусах:
Тепловий 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 першому корпусі
tк1-температура кипіння молока в першу корпусі
tk2-температура кипіння у другому корпусі
r1, r2-теплота пароутворення при відповідному тиску в 1 та 2 корпусах.
Dгр-витрата гріючої пари в першому корпусі, кг / год
Dгр2-витрата пари, що гріє в другому корпусі, кг / год
Qпот, QПОТ2-втрати теплоти в першому і другому корпусі, кДж
Cm-теплоємність молока
Cm = 41,87 W + (13,73 +0,113 (Т-273)) (8)
Рівняння теплопередачі для корпусів
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-корисна різниця температур, ° С
К1, К2-коефіцієнти теплопередачі для корпусів, Вт/м2 ∙ К
tk1, tk2-температура кипіння молока в першому і другому корпусі, ° С
Аналіз навантаження корпусів
Розподіл випарює вологи по корпусах і корисної різниці температур виробляють на підставі рішення системи рівнянь з урахуванням відбору екстра пари на додаткові потреби. Вирішення цього завдання ведеться методом послідовних наближень. Як 1го наближення зазвичай вважають, що кількість випарює вологи дорівнює кількості пари, що гріє. У цьому випадку можемо записати:
W1 = Dгр = a (D0 + E1) = a D0 (1 + u) (15)
W2 = W1-E1-E111 = C W1-u D0 (16)
u = E1 / D0-коефіцієнт інжекції (= 0,8 .. 1)
а = коефіцієнт враховує частку отбираемого екстрапара (= 0,9)
з = коефіцієнт враховує відбір екстрапара, що направляється у другому В.А.
У (16) підставимо замість
W2 = W-W1
W-W1 = C W1-u D0
W1 (С +1) = W + u D0 (17)
З (15) отримаємо
D0 = W1 / а (1 + u),
підставимо в (17) і отримаємо
W1 (С +1) = W + u W1 / а (1 + u) (18)
Після перетворень отримаємо
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 / год (19)
Тоді W2 = 2000-1405 = 595 кг / год
Концентрація після першого корпусу
Х1 = G0Х0 / G0-W1 = 3045.13 / (3045-1405) = 23,9%
За умови рівності площ F1 = F2
Δt2 = W2К1Δt1 / W1 К2 = 16.1500.0, 298 / 0,702 · 1200 = 9 ° С
tгр2 = tk2 + Δt2 = 52 +9 = 61 ° С
Встановлюємо тиск у корпусах
1корпус
tгр1 = 86 ° C
p = 0,6 · 105 Па
Калоризатор tк = 84 ° С Ік = 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 Ік = 247 кДж / кг
2 корпус
tвп2 = 49 ° С p = 1,04 · 104 Па r = 2386 кДж / кг i = 2589 кДж / кг
Визначаємо питому теплоємність 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
Визначаємо теплоту
Q1 = 1405.2354 -3045 · 3,5 (86-70) = 3136850 кДж
Q2 = 595.2386 -1640 · 3,4 (67-52) = 1336030 кДж
Існуючі вакуум-випарні установки мають однакові поверхні нагрівання випарників і розміри корпусів, тому F1 = F2. Рівність поверхні дає можливість визначити поверхню нагріву одного корпусу установки, а другий виготовляти таким же. При цьому краще визначати поверхню нагріву першого корпусу.
Визначаємо площу поверхні теплопередачі калоризатор
F1 = 3136850/1500 · 3,6 · 16 = 36,3 м2
F2 = 1336030/1200 · 3,6 · 9 = 35,3 м2
Витрата гріючої пари в 1м корпусі
Dгр = Q1 / 0,97 (in1-ik1) = 3136850 / 0,97 (2611-350) = 1430 кг / год
Витрата робочого (гострого) пара
D0 = Dгр / а (1 + u) = 1430 / 0,9 (1 +0,9) = 836 кг / год
Основні розміри випарника і пароотделітеля
Поверхня нагріву випарника утворюється кип'ятильні трубками в теплообміннику.
Приймають діаметр кіпятільних трубок d = 0,032 м, l = 2.5м.
Число трубок у випарнику
n = F / π · d · l = 36,3 / (3,14 · 0,032 · 2,5) = 146
Вакуум-випарні установки мають звичайно дві циркуляційні труби, площа труби, площа перерізу яких приймається за 10% світлового перерізу кіпятільних труб.
Площа поперечного перерізу циркуляційні труб
Fц = 0.1 F = 0,1 · 3,14 · 0,0322 · 187 / 4 = 0,15 м2
Діаметр циркуляційні труб
DЦ = f πZ 
= 
= 0,31 м
Визначення розмірів пароотделітеля
Обсяг пароотделітеля визначається за формулою
V = Vвт · W / A = 13.2000 / 6000 = 4,3 м3
Де Vвт-питома обсяг вторинної пари, м3/кг.
А-напруга, що допускається обсягу по испаренной вологи,
Обсяг пароотделітеля циліндричного м3 / (м3 · год) (А = 4000 ... 12000 м3 / (м3 · год)
V = (π D2 / 4) · H
D-Діаметр пароотделітеля, м;
H-висота пароотделітеля, м; (Н = 1,2 D)
D = V π 
= 
= 1,65 м
Н = 1,2 · 1,65 = 1,98 м
Розрахунок трубчастого теплообмінника
Приймають діаметр кіпятільних трубок d = 0,032 м, l = 2.5м.
Визначаємо число ходів у апараті
i = L1 / L = 5/2.5 = 2
Де i-число ходів у апараті,
L1-Загальна довжина апарату, м
L-довжина кіпятільних труб, м
Розміщуємо труби по сторонах правильних шестикутників (по вершинах рівносторонніх трикутників). На діагоналі найбільшого з них розташується труб:
nд =
n-число трубок у випарнику;
Кількість труб на стороні найбільшого шестикутника
nс = 0,5 (nд +1) = 0,5 ∙ (14 +1) = 7.5
Де nд-кількість трубок на діагоналі шестикутників
Приймаються nс = 8
Визначаємо крок труб в кип'ятильнику
D = 1.25 ∙ d = 1.25 ∙ 32 ∙ 10-3 = 40 ∙ 10-3м = 40мм,
Де d-діаметр кіпятільних труб
Визначаємо ширину простінка
Lн = (L-d) = 40-32 = 8мм.
Внутрішній діаметр кожуха апарату
Dв = L (nд-1) + d +2 (L-d) = 40 (14-1) +32 +2 (40-32) = 568
Корпус апарата буде виготовлятися зварним. Зовнішній діаметр приймемо рівним 630 мм (по сортаменту). Коефіцієнт міцності зварних швів приймемо рівним β = 0,7
Список використаної літератури
1. Храмцов А. Г., Нестеренко П. Г., Чеботарьов Е. А. Виробництво згущених концентратів молочної сироватки: Навчальний посібник. - Ставрополь: Інститут розвитку освіти, 1998. - 80 с.
2. Касаткін А.Г. Основні процеси та апарати хімічної технології. - М.: Хімія, 1971. - 784 с.
3. Павлов К.Ф., Романов П.Г., Носков А.А. Приклади завдання за курсом процесів і апаратів хімічної технології. - М., Хімія, 1987. - 552 с.
4. Дитнерскій Ю.М. Основні процеси та апарати хімічної технології: Посібник з проектування. - М.: Хімія, 1983. - 261с.
5. Аболмаков Г.Ф. Приклади і задачі за курсом технологічного обладнання молочної промисловості. - М.-Л., Машинобудування, 1966. - 284 с.
6. Баранцев В.І. Процеси і апарати харчових виробництв .--М.: Легка і харчова промисловість,
7.Бредіхін С.А., Космодем'янський Ю.В., Юрін В.М. Технологія і техніка молока.-М.: Колос, 2003р.
8. Г. М. Крусь., А. Г. Храмцов., З. В. Волокітіна., С. В. Карпичев. Технологія молока і молочних продуктів. М.: «Колос».
9.Кавецкій Г.Д., Васильєв Б.В. Процеси та апарати харчової Технології.-М.: Колос, 2000р.
10.Зімняков В.М., Назаров І.В., Щербина С.В. Практикум з основ розрахунку і конструювання машин та апаратів переробних виробництв .- М.: Пенза, 2003р.
11. Антипов С.Т., І. Т. Кретов., А. М. Остріков., В. А. Панфілов., О. А. Ураков. Машини та апарати харчових виробництв у двох книгах. М.: «Вища школа», 2001.
12. Селягін В.Є., Процеси і апарати харчових виробництв. Розрахунок вакуум-випарної установки .- М.: МГЗІПП. 1997р.
Концентрація розчину в такому апараті наближається до кінцевої лише в кінцевий період процесу. Тому середній коефіцієнт теплопередачі тут може бути трохи вище, ніж в безперервно діючому апараті, де концентрація розчину ближче до кінцевої протягом всього процесу випарювання.
Сучасні випарні установки мають дуже великі поверхні нагрівання (іноді перевищують 2000 м 2 в кожному корпусі) і є великими споживачами тепла.
Малюнок 1 - двокорпусні вакуум-випарна установка: 1 - калоризатор 1-го ступеня, 2 - сепаратор 1-го ступеня, 3 - калоризатор 2-го ступеня, 4 - сепаратор 2-го ступеня, 5 - занурити пробовідбиральний кран; 6-водокільцеві насос ; 7 - інжектор, 8 - конденсатовідвідники; 9-трипозиційний кран; 10 - парасольку
На рис.1 показана схема прямоточною багатокорпусному випарної установки. Вихідний розчин у кількості Gн кг / год з концентрацією ХН мас. % Зі сховища насосом подається в теплообмінник, де підігрівається до температури кипіння і надходить на випарювання в перший корпус, в якому концентрується до заданої концентрації хк1 При цьому з першого апарату видаляється W1 кг / год вторинної пари. Далі розчин надходить у наступні корпусу установки, де концентрується в другому корпусі до концентрації хк2, в третьому до хк3 і так до кінцевої заданої концентрації.
Відповідно з корпусів видаляється вторинної пари W2, W3, .. - Wn, кг / год де п - число корпусів. З останнього корпусу вторинний пар надходить в барометричний конденсатор. Як видно зі схеми, випарювали розчин і вторинний пар рухаються в одному напрямку.
3. Технологічна схема виробництва згущеного молока
Технологічна схема виробництва згущеного молока наведена на аркуші графічної частини № 1.
Технологічний процес виробництва згущених консервів з цукром складається з наступних основних операцій: приймання і підготовка сировини і компонентів, нормалізація, пастеризація, гомогенізація, приготування і додавання цукрового сиропу, згущення, охолодження згущеного продукту, фасування, пакування та зберігання. Приймання молочної сировини та її підготовку проводять, так само як і при виробленні інших молочних продуктів. Компоненти готового продукту за рецептурою готують згідно діючої документації. Після підготовки молоко нормалізують з урахуванням вмісту в готовому продукті жиру, сухого молочного залишку, СОМО. Нормалізовану молочну суміш пастеризують при температурі 85-90 ° С або 105-112 ° С без витримки. У нормалізоване молоко перед пастеризацією можна вносити 25% водний розчин солі-стабілізатора в кількості 0,008-0,01% маси молока. Після пастеризації молоко рекомендується охолодити до 70-75 ° С і направити на згущення. Витяг молока при температурі пастеризації забезпечує отримання готового продукту підвищеної в'язкості.
Перед згущенням допускається гомогенізація молока. Її застосовують в зимовий час, а також для консервів в'язкістю менше 2.5 Па * с. Гомогенізацію проводять при температурі 60-70 ° С і робочому тиску 8-10Мпа.
Цукровий сироп готують шляхом розчинення необхідної кількості цукру у питній воді температурою 60-70 ° С. Після змішування цукру з водою суміш доводять до кипіння і очищають. Цукровий е сиропи рекомендується готувати з концентрацією цукру 65-70%. З метою запобігання розщеплення сахарози, а також зацукровування і загусання сироп не можна витримувати з молоком більше 20 хв. від початку кипіння до початку його змішування з молоком. Температура сиропу при змішування повинна бути 90-95 ° С.
Цукровий сироп може надходити у вакуум-випарну установку в суміші з молоком або поетапно: сироп-молоко-сироп. Перед вступом до випарної апарат молочну суміш з цукром фільтрують. Згущення проводять при температурі кипіння: у двухкорпусной установці 70-80 ° С в першому корпусі і 50-52 ° С у другому корпусі. Тривалість згущення продукту у вакуум-випарної апараті повинна бути мінімальною. Для встановлення готовності відбирають пробу, охолоджують до 18-20 ° С і визначається щільність, масову частку сухої речовини та органолептичні показники. Щільність згущеного молока при температурі 50 ° С дорівнює 1280-1320 кг/м3.Массовая частка сухих речовин по рефрактометр при 20 ° С складає 73.8-74%. Консистенція проби продукту при 50 ° С повинна бути слабовязкой. Продукт повинен легко стікати з шпателя або ареометра при витяганні його з циліндра, в якому визначили щільність проби. Згущений продукт з вакуум-випарної установки направляють на охолодження. Для цієї мети застосовують охолоджувачі-кристалізатори. Продукт охолоджують до температури 18-20 ° С протягом 40-60 хв.
При охолодженні молока починається кристалізація лактози. Цей процес некерований, і результат його є утворення великих кристалів. Для отримання продукту високої якості необхідно, щоб розміри кристалів лактози не перевищували 10мкм. Якщо утворюється кристали більшого розміру, то консистенція згущеного продукту стає борошнистої. Для інтенсифікації кристалізації і освіти дрібних кристалів лактози в згущений продукт вносять затравку-суху мелкокристаллическую лактозу з розміром кристалів 2-3 мкм. Кількість затравки відповідає 0,2% маси продукту. Лактозу перед внесенням прогрівають при 105 ° С не менше 1 год. Після внесення лактози в згущене молоко збільшується число зародків кристалізації, які сприяють утворенню дрібних кристалів. В якості затравки можна використовувати згущене молоко попередньої виробітку. Його кількість повинна становити не менше 10%. Температура кристалізації лактози 25-35 ° С. Про правильно проведеної кристалізації лактози судять за її розмірами. Відповідно до ГОСТ 2903 однорідність консистенції продукту визначають за середніми обсягами і розподілу кристалів по групах, а їх кількість - підрахунком під мікроскопом із застосуванням окулярів - мікрометрів. Величину кристала вимірюють по довжині грані. Всі кристали ділять не 4 групи. За середньою величиною кристалів у кожній та їх кількості обчислюють середній розмір кристалів у згущеному молоці з цукром. При визначенні розмірів кристалів молочного цукру вимірюють не менше 100 кристалів. У залежності від розмірів кристалів виділяють наступні консистенції продукту: до 10 мкм-консистенція, однорідна по всій масі; від 11 до 15 мкм - борошниста; від 16 до25 - піщанистий; більше 25 - хрустка на зубах. З охолодженого згущеного молока відбирають також проби для визначення фізико-хімічних і біохімічних показників. Якщо ці показники відповідають нормативної документації, то продукт направляють на фасування та закочування. Готовий продукт фасують і закочують в бляшані банки № 1, 7,13, металеві труби № 13, а також фанерно-штамповані або дерев'яні заливні бочки і металеві фляги. Якщо продукт не відповідає за вмістом води та жиру вимогам ГОСТу і технічних умов, його нормалізують після згущення водою, знежиреним молоком або вершками. Вода повинна бути кип'яченою і очищеною.
4. Розрахунок двухкорпусной вакуум-випарної установки
Розрахунок двухкорпусной вакуум-випарної установки з термокомпрессором для виготовлення згущеного молока з розробкою випарного апарату.
Вихідні дані:
Продуктивність по испаренной волозі: W = 2000
Тиск робочого пара: P = 0,75 МПа;
Температура кипіння молока:
у першому корпусі - tk1 = 70 ° C;
у другому корпусі - tk2 = 52 ° C;
Температура пари, що гріє першого корпусу - tгр1 = 86 ° С;
Концентрація сухої речовини у вихідному продукті - Хн = 12%
в кінцевому продукті - Хк = 35%
Складаємо рівняння матеріального балансу
По всьому речовині
Gн-W = Gk
Gн-W1 = G1
G1-W2 = Gk
За волозі
W = W1 + W2
З цих рівнянь знаходимо кількість молока надходить на згущення
Де Gн-кількість молока надходить на згущення кг / год,
Хн-концентрація сухої речовини у вихідному продукті,%
Хк-в кінцевому продукті,%
Кількість кінцевого продукту
Gk = Gн-W = 3045-2000 = 1045 кг / год;
Визначимо кількість випарованої вологи в кожному корпусі:
Для цього скористаємося ставленням випарованої вологи в першому корпусі до кількості випарованої вологи в другому корпусі:
I: II = 1:1,1
Визначаємо кінцеві концентрації розчину по корпусах:
Тепловий 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 першому корпусі
tк1-температура кипіння молока в першу корпусі
tk2-температура кипіння у другому корпусі
r1, r2-теплота пароутворення при відповідному тиску в 1 та 2 корпусах.
Dгр-витрата гріючої пари в першому корпусі, кг / год
Dгр2-витрата пари, що гріє в другому корпусі, кг / год
Qпот, QПОТ2-втрати теплоти в першому і другому корпусі, кДж
Cm-теплоємність молока
Cm = 41,87 W + (13,73 +0,113 (Т-273)) (8)
Рівняння теплопередачі для корпусів
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-корисна різниця температур, ° С
К1, К2-коефіцієнти теплопередачі для корпусів, Вт/м2 ∙ К
tk1, tk2-температура кипіння молока в першому і другому корпусі, ° С
Аналіз навантаження корпусів
Розподіл випарює вологи по корпусах і корисної різниці температур виробляють на підставі рішення системи рівнянь з урахуванням відбору екстра пари на додаткові потреби. Вирішення цього завдання ведеться методом послідовних наближень. Як 1го наближення зазвичай вважають, що кількість випарює вологи дорівнює кількості пари, що гріє. У цьому випадку можемо записати:
W1 = Dгр = a (D0 + E1) = a D0 (1 + u) (15)
W2 = W1-E1-E111 = C W1-u D0 (16)
u = E1 / D0-коефіцієнт інжекції (= 0,8 .. 1)
а = коефіцієнт враховує частку отбираемого екстрапара (= 0,9)
з = коефіцієнт враховує відбір екстрапара, що направляється у другому В.А.
У (16) підставимо замість
W2 = W-W1
W-W1 = C W1-u D0
W1 (С +1) = W + u D0 (17)
З (15) отримаємо
D0 = W1 / а (1 + u),
підставимо в (17) і отримаємо
W1 (С +1) = W + u W1 / а (1 + u) (18)
Після перетворень отримаємо
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 / год (19)
Тоді W2 = 2000-1405 = 595 кг / год
Концентрація після першого корпусу
Х1 = G0Х0 / G0-W1 = 3045.13 / (3045-1405) = 23,9%
За умови рівності площ F1 = F2
Δt2 = W2К1Δt1 / W1 К2 = 16.1500.0, 298 / 0,702 · 1200 = 9 ° С
tгр2 = tk2 + Δt2 = 52 +9 = 61 ° С
Встановлюємо тиск у корпусах
1корпус
tгр1 = 86 ° C
p = 0,6 · 105 Па
Калоризатор tк = 84 ° С Ік = 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 Ік = 247 кДж / кг
2 корпус
tвп2 = 49 ° С p = 1,04 · 104 Па r = 2386 кДж / кг i = 2589 кДж / кг
Визначаємо питому теплоємність 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
Визначаємо теплоту
Q1 = 1405.2354 -3045 · 3,5 (86-70) = 3136850 кДж
Q2 = 595.2386 -1640 · 3,4 (67-52) = 1336030 кДж
Існуючі вакуум-випарні установки мають однакові поверхні нагрівання випарників і розміри корпусів, тому F1 = F2. Рівність поверхні дає можливість визначити поверхню нагріву одного корпусу установки, а другий виготовляти таким же. При цьому краще визначати поверхню нагріву першого корпусу.
Визначаємо площу поверхні теплопередачі калоризатор
F1 = 3136850/1500 · 3,6 · 16 = 36,3 м2
F2 = 1336030/1200 · 3,6 · 9 = 35,3 м2
Витрата гріючої пари в 1м корпусі
Dгр = Q1 / 0,97 (in1-ik1) = 3136850 / 0,97 (2611-350) = 1430 кг / год
Витрата робочого (гострого) пара
D0 = Dгр / а (1 + u) = 1430 / 0,9 (1 +0,9) = 836 кг / год
Основні розміри випарника і пароотделітеля
Поверхня нагріву випарника утворюється кип'ятильні трубками в теплообміннику.
Приймають діаметр кіпятільних трубок d = 0,032 м, l = 2.5м.
Число трубок у випарнику
n = F / π · d · l = 36,3 / (3,14 · 0,032 · 2,5) = 146
Вакуум-випарні установки мають звичайно дві циркуляційні труби, площа труби, площа перерізу яких приймається за 10% світлового перерізу кіпятільних труб.
Площа поперечного перерізу циркуляційні труб
Fц = 0.1 F = 0,1 · 3,14 · 0,0322 · 187 / 4 = 0,15 м2
Діаметр циркуляційні труб
DЦ =
Визначення розмірів пароотделітеля
Обсяг пароотделітеля визначається за формулою
V = Vвт · W / A = 13.2000 / 6000 = 4,3 м3
Де Vвт-питома обсяг вторинної пари, м3/кг.
А-напруга, що допускається обсягу по испаренной вологи,
Обсяг пароотделітеля циліндричного м3 / (м3 · год) (А = 4000 ... 12000 м3 / (м3 · год)
V = (π D2 / 4) · H
D-Діаметр пароотделітеля, м;
H-висота пароотделітеля, м; (Н = 1,2 D)
D =
Н = 1,2 · 1,65 = 1,98 м
Розрахунок трубчастого теплообмінника
Приймають діаметр кіпятільних трубок d = 0,032 м, l = 2.5м.
Визначаємо число ходів у апараті
i = L1 / L = 5/2.5 = 2
Де i-число ходів у апараті,
L1-Загальна довжина апарату, м
L-довжина кіпятільних труб, м
Розміщуємо труби по сторонах правильних шестикутників (по вершинах рівносторонніх трикутників). На діагоналі найбільшого з них розташується труб:
nд =
n-число трубок у випарнику;
Кількість труб на стороні найбільшого шестикутника
nс = 0,5 (nд +1) = 0,5 ∙ (14 +1) = 7.5
Де nд-кількість трубок на діагоналі шестикутників
Приймаються nс = 8
Визначаємо крок труб в кип'ятильнику
D = 1.25 ∙ d = 1.25 ∙ 32 ∙ 10-3 = 40 ∙ 10-3м = 40мм,
Де d-діаметр кіпятільних труб
Визначаємо ширину простінка
Lн = (L-d) = 40-32 = 8мм.
Внутрішній діаметр кожуха апарату
Dв = L (nд-1) + d +2 (L-d) = 40 (14-1) +32 +2 (40-32) = 568
Корпус апарата буде виготовлятися зварним. Зовнішній діаметр приймемо рівним 630 мм (по сортаменту). Коефіцієнт міцності зварних швів приймемо рівним β = 0,7
Список використаної літератури
1. Храмцов А. Г., Нестеренко П. Г., Чеботарьов Е. А. Виробництво згущених концентратів молочної сироватки: Навчальний посібник. - Ставрополь: Інститут розвитку освіти, 1998. - 80 с.
2. Касаткін А.Г. Основні процеси та апарати хімічної технології. - М.: Хімія, 1971. - 784 с.
3. Павлов К.Ф., Романов П.Г., Носков А.А. Приклади завдання за курсом процесів і апаратів хімічної технології. - М., Хімія, 1987. - 552 с.
4. Дитнерскій Ю.М. Основні процеси та апарати хімічної технології: Посібник з проектування. - М.: Хімія, 1983. - 261с.
5. Аболмаков Г.Ф. Приклади і задачі за курсом технологічного обладнання молочної промисловості. - М.-Л., Машинобудування, 1966. - 284 с.
6. Баранцев В.І. Процеси і апарати харчових виробництв .--М.: Легка і харчова промисловість,
7.Бредіхін С.А., Космодем'янський Ю.В., Юрін В.М. Технологія і техніка молока.-М.: Колос, 2003р.
8. Г. М. Крусь., А. Г. Храмцов., З. В. Волокітіна., С. В. Карпичев. Технологія молока і молочних продуктів. М.: «Колос».
9.Кавецкій Г.Д., Васильєв Б.В. Процеси та апарати харчової Технології.-М.: Колос, 2000р.
10.Зімняков В.М., Назаров І.В., Щербина С.В. Практикум з основ розрахунку і конструювання машин та апаратів переробних виробництв .- М.: Пенза, 2003р.
11. Антипов С.Т., І. Т. Кретов., А. М. Остріков., В. А. Панфілов., О. А. Ураков. Машини та апарати харчових виробництв у двох книгах. М.: «Вища школа», 2001.
12. Селягін В.Є., Процеси і апарати харчових виробництв. Розрахунок вакуум-випарної установки .- М.: МГЗІПП. 1997р.