Технологический процесс в пищевой технологии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

I. Теоретическая часть

1.1 Обзор теплообменных аппаратов

1.2 Кожухотрубные теплообменники

1.3 Описание технологического процесса

II. Расчеты

2.1 Тепловой расчет

2.2 Конструктивный расчет

2.3 Гидравлический расчет

2.4 Расчет тепловой изоляции

2.5 Механический расчет

Список литературы

Введение

Любой технологический процесс, несмотря на различие методов, представляет собой ряд взаимосвязанных типовых технологических стадий, протекающих в аппаратуре определенного класса. Однако высокие требования к качеству продукции, эффективности производства, снижению его энерго- и материалоемкости, охране окружающей среды определяли специфику, отличающую эти технологические стадии получения пищевых продуктов и аппаратурно-технологическое оформление от подобных процессов в других отраслях народного хозяйства.

Процессы в пищевой технологии в большинстве своем сложны и зачастую представляют собой сочетание гидродинамических, тепловых, массообменных, биохимических и механических процессов.

Технологический процесс в пищевой технологии необходимо анализировать, рассчитать его, определить оптимальные параметры, разработать и рассчитать аппаратуру для его проведения. В нем изучаются закономерности масштабного перехода от лабораторных процессов и аппаратов к промышленным. Знание этих закономерностей необходимо для проектирования и создания современных многоэтажных промышленных процессов пищевой технологии.

Теплоиспользующие аппараты, применяемые в пищевых производствах для проведения теплоообменных процессов, называются теплообменниками. Теплообменники характеризуются разнообразием конструкций, которое объясняется различным назначением аппаратов и условиями проведения процессов.[3]

I. Теоретическая часть

1.1 Теплообменные процессы

Теплообмен - самопроизвольный, необратимый процесс переноса теплоты от более нагретых тел (или участков тел) к менее нагретым.

Теплота (количество теплоты) - энергетическая характеристика процесса теплообмена, которая определяется количеством энергии, отдаваемой или получаемой в процессе теплообмена.

Теплообменные процессы - это процессы, связанные с переносом теплоты от более нагретых тел к менее нагретым. К ним относятся процессы нагревания, пастеризации, стерилизации, охлаждения, конденсации, выпаривания и т. п. Скорость тепловых процессов определяется законами теплопередачи.

В процессах теплопередачи участвует не менее двух сред (веществ) с различными температурами. Среда с более высокой температурой, отдающая при теплообмене теплоту, называется горячим теплоносителем, среда с более низкой температурой, воспринимающая теплоту, называется холодным теплоносителем (хладагентом). Теплоносители и хладагенты должны быть химически стойкими, не вызывать коррозии аппаратуры, не образовывать отложений на стенках аппаратов. В качестве теплоносителей в пищевой промышленности наибольшее распространение получили насыщенный водяной пар, вода, дымовые газы, а в качестве хладагентов - аммиак, фреоны, рассол хлорида кальция, воздух, азот. Выбор теплоносителя или хладагента определяется их назначением, температурами процесса, стоимостью.

К теплообменным относят такие технологические процессы, скорость которых определятся скоростью подвода или отвода теплоты: нагревание, испарение (в том числе выпаривание), охлаждение, конденсация.

1.2 Кожухотрубные теплообменники

Многотрубный теплообменник представляет собой пучок трубок помещенных в цилиндрической камере (кожухе); таким образом, внутренность камеры является межтрубным пространством. Трубки вальцованы в трубные решетки, ограничивающие камеру с обеих сторон. К трубным решеткам крепятся распределительные коробки с патрубками для выпуска рабочей жидкости Ж2, протекающей внутри трубок. Камера снабжена так же патрубками для подвода и отвода второго рабочего тела Ж1. Патрубки, показанные на экскизе сплошными линиями (Ж1), применяются при теплообмене между жидкими средами; при паровом обогреве используются патрубки (для пара П, конденсата К и не конденсирующихся газов Г), показанные пунктиром.

Трубки латунные, медные или стальные применяются диаметром от 10 мм и выше; трубки имеют большие диаметры при вязких или загрязненных жидкостях.

Для помещения в кожухе большей поверхности теплообмена и получения большого коэффициента теплоотдачи выгоднее применять трубки меньшего диаметра.

При поступлении пара в камеру возможна вибрация и поломка тонких трубок. Во избежание этого против парового патрубка устанавливают кольцо, защищающее трубки. Для прохода пара в нем делают отверстия.

Кожух теплообменника обычно стальной, цилиндрический. Распределительные коробки имеют различную конструкцию. Для приема, хранения и выдачи жидких и газообразных сред.

Трубное и межтрубное пространства в аппарате разобщены, а каждое из них может быть разделено перегородками на несколько ходов. Перегородки предназначены для увеличения скорости и, следовательно, коэффициента теплоотдачи теплоносителей. Применяются типовые конструкции кожухотрубчатых теплообменников.

В кожухотрубчатых теплообменниках проходное сечение межтрубного пространства в 2-3 раза больше проходного сечения внутри труб. Поэтому при одинаковых расходах теплоносителей, имеющих одинаковое агрегатное состояние, скорости теплоносителя в межтрубном пространстве более низкие и коэффициенты теплоотдачи на поверхности межтрубного пространства невысокие, что снижает коэффициент теплопередачи в аппарате. Теплопередающая поверхность аппаратов может составлять от нескольких сотен квадратных сантиметров до нескольких тысяч квадратных метров.

Корпус (кожух) кожухотрубчатого теплообменника представляет собой цилиндр, сваренный из одного или нескольких стальных листов. Кожухи различаются главным образом способом соединения с трубной решеткой и крышками. К цилиндрическим кромкам кожуха привариваются фланцы для соединения с крышками или днищами. На наружной поверхности кожуха привариваются патрубки и опоры аппарата.

Трубки кожухотрубчатых аппаратов изготовляют прямыми или изогнутыми (U-образными) диаметром от 12 до 57 мм. Материал трубок выбирается в зависимости от среды, омывающей ее поверхность. Применяются трубки из стали, латуни и из специальных сплавов. Крышки кожухотрубчатых аппаратов имеют форму плоских плит, конусов, сфер, а чаще всего выпуклых или вогнутых эллипсов. [7]

1.3 Описание технологической операции

Достоинствами способа являются простота конструкции установок, их обслуживания и регулирования параметров технологического процесса, небольшие размеры установок, незначительная энергоемкость и потребление пара, больший выход рыбной муки по сравнению с другими способами и возможность получения цельной рыбной муки.

Прессово-сушильный способ наиболее распространен при производстве кормовой рыбной муки. Он не имеет недостатков, характерных для прямой сушки, а при использовании подпрессовых бульонов обеспечивает достаточно высокий выход рыбной муки с повышенным содержанием протеина.

Сырье после измельчения на дробилке подается с помощью шнекового транспортера в загрузочный бункер, а оттуда шнеком-дозатором - в варильник. Режим варки (температура, давление и количество подаваемого пара) устанавливается в зависимости от вида сырья. Разваренная масса подается в винтовой пресс, где происходит частичное удаление жидкой части (подпрессового бульона). Твердый остаток (жом), содержащий 50-55% воды, направляют на сушку, где доводят содержание воды в продукте до 8-10%.

Сушенку измельчают и охлаждают до температуры 30єС в шнековом охладителе. Далее охлажденная мука проходит через вибросито с электромагнитом для окончательного просеивания и отделения металлопримесей, после чего направляется на упаковывание.

Оставшуюся после прессования разваренной массы жидкую часть (подпрессовый бульон) направляют на отделение крупных плотных частиц, которые смешивают с жомом и направляют в сушилку. Жир отделяют в процессе сепарирования и собирают в танки для хранения, а обезжиренный бульон нагревают и подают в выпарной аппарат.

Обезжиренный бульон подают насосом в теплообменник и испаритель. Упаривание производят до содержания сухих веществ 40-50%. После удаления части воды концентрированный бульон подают в нижнюю часть нагревательного корпуса и смешивают с жомом. Состав рыбной муки, жома и бульона зависит от химического состава сырья, регламента технологического процесса, конструкции машин и аппаратов, входящих в состав установки, и т. п.

Достоинствами прессово-сушильного способа являются достаточно простое оборудование, более высокая степень снижения содержания воды в массе перед сушкой, возможность переработки сырья различного химического состава.

К недостаткам можно отнести сложность режимов обработки сырья, трудности при переработке особо жирного сырья, более высокие энергетические затраты из-за необходимости применения вакуум-выпарных установок, невозможность обработки всего объема подпрессовых бульонов.

II. Расчеты

Задание.

Спроектировать кожухотрубный теплообменник для нагревания G, кг/с, продукта от начальной температуры tбн до конечной tбк теплоносителем с начальной температурой tкдн и конечной температурой tкдк.

Исходные данные для расчета:

Производительность G1 = 1,35 кг/с

Начальная температура бульона tбн = 15єC

Конечная температура бульона tбк = tбкип

Давление водяного пара Р = 3,6 ата

Тип аппарата Горизонтальный

Теплоноситель Конденсат водяного пара

2.1 Тепловой расчет

1. Определяем среднюю температуру продукта (бульона) в подогревателе:

tм = 0,5(t2н + t2к)

tм = (25+98)/2 = 61,5 °С.

2. Из таблицы определяются физические свойства бульона при tм:

ср = 3990 Дж/(кг*К),

с = 1322 кг/м3,

л = 0,48 Вт/(м*К),

н = 0,84*10-4 м2/с,

3. По таблице по давлению водяного пара Р определяем характеристики насыщенного пара:

энтальпия пара Я?= 2663,64 кДж/кг,

теплота парообразования r = 2274,27 кДж/кг.

4. Количество тепла, необходимое для подогрева продукта (бульона) до заданной температуры, т. е. до 98°С:

Q = G*cр*(tк2 - tн2)цn, кВт,

Q = 1,39*3,99*(98-25)*1,04 = 421,05 кДж,

где цn - поправочный коэффициент, цn = 1,03-1,05.

5. Средний логарифмический напор, создаваемый в теплообменнике между горячим и холодным теплоносителями рассчитывается:

Дtср = (Дtб - Дtм)/2,3lg (Дtб/Дtм),

где Дtб = t2н - t1н = 25-10 = 15°С, Дtм = t2к - t1н = 98 - 88 = 10°С.

Дtср = (15 - 10)/2,3 lg(15/10) = 12,5 ? 13°С.

6. Задаем скорость движения продукта в трубах при условии, что скорость движения в трубах лежит в пределах щ = (0,6-1,5), м/с:

щ? = 1м/с.

7. Задаем наружный и внутренний диаметры трубок, учитывая, что внутри трубок протекает продукт, а снаружи трубки омываются паром:

dн = 25 мм, толщина трубки dвн = 2 мм.

8. Определяем необходимое количество трубок для обеспечения данной скорости продукта в одном ходу:

n? = 1,27*G/dвн2*щ?*с

n? = 1,27*1,39 / (0,02)2 *1*1322 = 1,7653/0,52 = 3,9

Значение n? округляем до целого десятка n = 10 трубок.

9. Уточняем скорость движения продукта по трубам по округленному числу n:

щ = 3600*G/2825* dвн2 * с, м/с,

щ = 3600*1,39 / 2825*(0,02)2 *1322= 5004/= 3,3 м/с.

10. Определяем значение коэффициента теплоотдачи бульона б2:

б2 = Нu*л/dвн,

Нu = 0,0225*Re0,8 * Pr0,4,

Re = щdвн /н,

Re = 3,3*0,02/0,84•10-4= 786 < 10000, следовательно, имеет место ламинарный режим.

Нu = 0,0225*(786)0,8 *(14546,8)0,4 = 215,2.

б2 = 215,2*0,48 / 0,02 = 5164,8 Вт/(м2 *К) = 5,1 кВт/(м2*К).

11. Необходимая поверхность для нагрева продукта с учетом возможности загрязнений:

F = Q/ б2 * Дtср * Юз,

где Юз - коэффициент загрязнений (Юз = 0,7-0,9),

F = 421,05 / 5,1*13*0,8 =421,05 /53,04=7,9 м2.

Выбираем тип теплообменника ТК ГОСТ 15118-79 для нагревания - охлаждения.

12. Исходя из того, что длина теплообменника лежит в пределах 1,5-4 м, для компоновки трубного пучка принимается число ходов продукта по трубам подогревателя, число ходов может быть 2, 4, 6 (в первом приближении принимается произвольно). Пусть Zм = 6.

13. Средняя длина трубки одного хода:

lґ = F / р* dн * Zм, м,

lґ = 7,9 / 3,14*0,025*10*6 = 7,9/4,71 = 1,6 м.

14. Расход пара на подогрев продукта составляет:

Gп = Q / (й? - й?) * x, кг/ч,

где x - сухость водяного пара.

Gп = 421,05 / (2663,64-2274,27)*0,9 = 1,2 кг/с.

15. Число отверстий под трубки в трубной доске:

N0 = Zм*n,

N0 = 10*6 = 60 отверстий.

2.2 Конструктивный расчет

1. Число труб, размещенных на диаметре трубной решетки (наибольшей диагонали шестиугольника):

nd = 3v (4Fр / 3t*f*в),

где в - отношение высоты или длины теплообменника к его диаметру:

в = Н/D = L/D,

в = 3-5, примем в = 3;

t- шаг размещения трубок, м.

nd = 3v 4*7,9 / 3*0,044*0,144 = 3v 1663 = 11,8 ?12.

2. Внутренний диаметр корпуса:

Dв = N0* dн,

Dв = 60*0,02 = 1,2 м.

Пусть трубки на трубной решетки закреплены сваркой, тогда t = 1,25dн,

t = 1,25*0,02 = 0,025 м.

f - поверхность одного метра трубы принятого диаметра, м2:

f = 2рr(r+h)/3 = 2*3,14*0,01*(0,01+1,6)/3 = 0,03.

3. Внутренние диаметры кожухов, изготовленных сваркой, рекомендуется принимать от 400 до 3000 мм через каждые 200 мм. Если корпус выполняется из труб, то наружный диаметр выбирают равным 159, 273 или 325 мм. Пусть внутренний диаметр кожуха равен 3000 мм = 3 м, а наружный корпуса - 325 мм = 3,25 м.

4. Общее число труб, размещаемых в пределах правильного шестиугольника,

n = 0,75(nd2 - 1) + 1,

n = 0,75*(122 - 1) + 1 = 108,25 ? 108.

5. Диаметр трубной решетки или внутренний диаметр кожуха теплообменника для многоходового теплообменника:

Dвн = 1,1t v n/з, где з = от 0,6 до 0,7.

Dвн = 1,1*0,044*v 108/0,6 = 0,05*13,4 = 0,67 м

6. Полная высота теплообменника, м:

Н = L + 2д +2h,

где д - толщина трубной решетки, м; h - высота предтрубной камеры, м; конструктивно принимают от 200 до 400 мм, примем h = 300 мм = 0,3м.

Н = 1,6 + 2*1,26*10-3 + 2*0,3 = 1,6 + 2,52*10-3 + 0,6 = 2,2 м.

7. Число ходов в межтрубном пространстве:

Жмтр = 0,785[(Dвн - ndн2)сщмтр] / Gмтр,

Жмтр = 0,785[(0,762 - 108*0,0252)1322*3,3] / 1,39 = 221.

8. Расстояние между сегментными перегородками межтрубного пространства:

h = Sмтр/[D(1 - dн/S)],

где Sмтр - проходное сечение межтрубного пространства кожухотрубного аппарата (без перегородок), м2:

Sмтр = 0,785(Dвн2 - ndн2),

Sмтр = 0,785(0,672 - 108*0,0252) = 0,3 м2,

S - живое сечение прохода теплоносителя, м2:

S = G/щс,

S = 1,39/3,3*1322 = 0,0003 м2.

h = Sмтр/[D(1 - dн/S)],

h = 0,3 / 0,67*(1 - 0,025/0,0003) = 0,053 м = 53 мм

2.3 Гидравлический расчет

теплообменник кожухотрубный изоляция решётка

Гидравлический расчет выполняется для определения потерь давления и затрат энергии на преодоление этих потерь.

1. Общие потери давления определяются:

ДС = ДСтр + ДСмс или напора

hп = hтр + hмс,

где ДСтр (hтр ) - потери давления (напора) на преодоление сопротивлений трения при движении теплоносителей через каналы установки,

ДСмс (hмс) - потери давления (напора) на преодоление местных сопротивлений.

2. Конечное уравнение для расчета потерь давления (напора) имеет вид:

ДСобщ = ДСтр + ДС + ДСг,

Нобщ = hтр + hа + hг,

где ДСтр (hтр) - потери давления (напора) а проводящих и отводящих трубопроводах, Па, мм вод. Ст.;

ДС (hа) - потери давления (напора) в теплообменнике, Па, мм вод. ст.;

ДСг - потери давления при подъеме жидкости на высоту hг, Па.

ДСтр = л*l/dэ*сщ2/2,

ДСтр = 0,48*(1,6/0,02)*(1322*3,32)/2 =276,4 кПа,

где л - коэффициент трения, значение которого зависит от режима течения среды и от относительной шероховатости канала, при ламинарном режиме (Re = 786) определяют зону трения:

e = Д/dэ = 0,02*10-3/0,025 = 0,8*10-3 = 0,0008

е - относительная шероховатость стенок трубы (канала), Д - абсолютная шероховатость, м, для новых чистых стальных бесшовных труб Д = 0,01-0,02 мм = 0,02*10-3 м, примем Д = 0,02*10-3 м.

560/e = 560/0,0008 = 700000 > Re

л = 0,11*(0,0008+68/786)0,25 = 0,06

ДС = (л*l/dэ + Уо)*сщ2/2,

где Уо - суммарный коэффициент местных сопротивлений,

Уо = 0,2+1,0+1,0+1,0+1,5 = 4,7.

ДС = (0,06*1,6/0,025 + 4,7)*1322*3,32/2 = 61,47 кПа,

ДСг = сghг,

ДСг = 1322*9,81*1,6 = 12,97 кПа.

ДСобщ = 61,47 + 276,4 + 12,97 = 350,84 кПа = 350840 Па.

3. Мощность, затрачиваемая на перемещение продукта, или мощность на валу насоса:

Nн = G*ДСобщ/сз,

где з - КПД насоса, примем з = 0,6.

Nн = 1,39*350840/1322*0,6 = 61,48 Вт = 0,06148 кВт.

4. Мощность электродвигателя, кВт:

Nдв = Nн*10-3 * здв*зп,

где здв - КПД двигателя,

зп - КПД передачи от двигателя к насосу, пусть зп = 0,8.

Nдв = 61,48 *10-3/0,8*0,6 = 0,13 кВт.

На основе проведенных расчетов подбираем консольный насос марки ХМ2/25 n = 2900 об/мин и электродвигатель для него тип 4А71В2 мощностью 1,1 кВт.

2.4 Расчет тепловой изоляции

Любое нагретое тело теряет тепло в окружающую среду, что существенно увеличивает затраты на данный процесс. Для снижения этих затрат и соблюдения требований техники безопасности используют тепловую изоляцию.

Температура на поверхности изоляции из условий безопасности работы

tиз = 45°С.

Температура окружающей среды:

t0 = 20°С.

Толщина тепловой изоляции:

диз = лиз*( tиз -tст1) / б0*( tиз - t0),

где tст1 = 25°С,

диз = 0,082*(45-25) / 11,49*(45-20) = 1,64/287,25 = 0,006 м = 6 мм.

Примем в качестве теплоизоляционного материала пеностекло (предельная температура использования 300°С):

лиз = 0,082 Вт/(м2*К).

Так как термическое сопротивление теплоотдачи от горячего теплоносителя изолируемой поверхности, а также термическое сопротивление этой поверхности очень малы по сравнению с термическим сопротивлением изоляции, то удельный тепловой поток можно рассчитать:

q = б0*(tиз - t0),

где б0 - суммарный коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности аппарата к воздуху, Вт/(м2*К),

б0 = 9,74 + 0,07*( tиз - t0) = 9,74 + 0,07*(45-20) = 11,49 Вт/(м2*К),

q = 11,49*(45-20) = 287,25 Вт/м2.

2.5 Механический расчет

Корпус теплообменного аппарата выполняется сварным, из листовой стали 20К. Тогда допускаемое напряжение в зависимости от температуры стенки выбираем [у]* = 139 Мпа.

Расчет толщины стенок на внутренне давление:

Толщина стенки при расчете на внутреннее давление проверяется по формуле:

д = (Р*D/2[у]доп*ц) + С,

где д - толщина стенки корпуса, м;

Р - внутреннее избыточное давление в корпусе, МПа;

D - внутренний диаметр корпуса, м;

[у]доп - допускаемое напряжение,

МПа, [у]доп = [у]*з = 139*0,9 = 125,1 МПа,

з - коэффициент, учитывающий конструкцию и условия работы аппарата, з = 0,9 для сосудов, обогреваемых топочными газами [4];

ц - коэффициент прочности сварного шва, для односторонней сварки

ц = 0,65;

С - поправка на коррозию, овальность и т. д., С = 0,001 м. [4]

Внутреннее избыточное давление, которое допускается:

д = 3,92*0,4/2*125,1*0,65 + 0,001 = 0,462/162,63 + 0,001 = 0,0096 м = 9,6 мм.

Расчет толщины стенок на наружное давление:

Толщина стенок на наружное давление при разрежении в аппарате:

д = (Рн*Dн/2*[у]с*ц) + С,

где Рн - наружное избыточное давление, МПа;

Dн - наружный диаметр цилиндра, м;

[у]с - допускаемое напряжение на сжатие, МПа, [у]с = [у]доп = 125,1 МПа;

С - конструктивная прибавка, С = 0,001 м. [4].

д = 3,92*0,025/2*125,1*0,65 + 0,001= 0,0006 м = 0,6 мм.

Расчет толщины трубных решеток:

Толщина трубных решеток выбирается в зависимости от диаметра размещенных в ней труб. Шаг между соседними трубами должен быть не меньше t = 4,8dн = 4,8*0,035 = 0,168, тогда толщина трубной решетки при заданном шаге:

Др = 4,8*t / (t - dн),

Др = 0,168 / (0,168 - 0,035) = 0,168/0,133 = 1,26 мм.

Расчет толщины крышек:

Форма крышек и днищ в теплообменных аппаратах бывает различной (сферической, эллиптической, конической или плоской).

Номинальная толщина стенки эллиптического днища:

д = Р*Dн*К*/2[у]допц + С,

где К - фактор формы днища, К = 1,10, [4], табл. 5,8 с.124

д = 3,92*0,025*1,1/2*125,1*0,65 + 0,001 = 1,7 мм.

Список использованной литературы

1. Солнцев В.Д. Процессы и аппараты пищевых производств химической технологии: Учебно-методическое пособие. - Владивосток: Изд-во ТГЭУ, 2006. - 100с.

2. Гинзбург А.С., Громов М.А, Красовская Г.И. Теплофизические характеристики пищевых продуктов: Справочник. - М.: Пищ. пром-сть, 1980. - 286с.

3. Кавецкий Г.Д., Васильев Б.В. Процессы и аппараты пищевой технологии. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Колос, 1999. - 551 с.

4. Лунин О.Г., Вельтищев В.Н. Теплообменные аппараты пищевых производств. - М.: Агропромиздат, 1987. - 239с.

5. Чубик И.А., Маслов А.М. Справочник по теплофизическим константам пищевых продуктов и полуфабрикатов. - М.: Пищевая промышленность, 1965. - 184 с.

6. Угрюмова С.Д. Теплотехника: Учебник. Владивосток: Издательство ДВГАЭУ,1999. - 296с.

7. Теплообменники [Электронный ресурс]

8. Погонец В.И. Новое оборудование для сушки морепродуктов и основы его расчета. Владивосток: Дальрыбвтуз, 1996. 107 с.

9. Горбатюк В.И. Процессы и аппараты пищевых производств. М.; Колос, 2000. 335 с.

Размещено на Allbest.ru