Лабораторный практикум по оборудованию биотехнологических производств

Министерство образования и науки Российской Федерации ВОСТОЧНО-СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра «Пищевая и аграрная инженерия»

Лабораторный практикум по оборудованию биотехнологических производств

Лабораторный практикум по оборудованию биотехнологических производств разработан Онхоновой Л.О., д.т.н., проф., Бадмаевым З.В., Кокиевой Г.Е., аспирантами кафедры «Пищевая и аграрная инженерия» Восточно-Сибирского государственного технологического университета. Лабораторный практикум предназначен для студентов-биотехнологов дневного, заочного обучения. Ключевые слова: микробиологическое оборудование, конструктивные параметры, технологические параметры, исследования, расчеты, производительность, мощность. Рецензент: Цыренов В.Ж.., д.т.н., проф., зав. кафедрой «Биотехнология».

для студентов специальности 070100 «Биотехнология»

Составители Онхонова Л.О. Бадмаев З.В. Кокиева Г.Е.

Издательство ВСГТУ Улан-Удэ 2004

Подписано в печать 30.06.2004 г. Формат 60х841,16. Объем в усл.п.л. 2,79, уч.-изд.л. 2,5. Тираж 130 экз. Заказ № 89_____________________ Издательство ВСГТУ. г.Улан-Удэ, ул.Ключевская, 40 в. 2

Содержание 1. Лабораторная работа №1…………....4 2. Лабораторная работа №2……………8 3. Лабораторная работа №3……………15 4. Лабораторная работа №4……………19 5. Лабораторная работа №5……………24 6. Лабораторная работа №6……………34 7. Лабораторная работа №7……………41 8. Лабораторная работа №8……………45 9. Лабораторная работа №9……………50

3

Лабораторная работа № 1 «Исследование работы элеватора» 1.1. Цель работы Изучить устройство, принцип работы и правила эксплуатации элеватора, определить и рассчитать основные характеристики, сделать анализ и выводы о работе. 1.2. Общие положения В биотехнологическом производстве для приготовления питательных сред к стерилизаторам, находящимся на верхних этажах здания, сыпучие материалы транспортируют на высоту до 40 м, а также под углом 45…70о. Рабочим органом элеваторов или норий являются ковши, укрепленные на ленте или цепи. Лабораторная установка (рис.1.1) состоит из привода 1, ремня 2, головки 3, башмака 4, приемных носок 5,6,7 и ковшей 9, укрепленных на бесконечную ленту 8, корпуса 10, основания 11. Установка работает следующим образом. Сыпучий продукт подается через нижний носок 6 в башмак против хода движения ковшей – 1-ый способ подачи, где он захватывается ковшами 9. Бесконечная лента огибает верхний приводной 9 и нижний натяжной 8 барабаны, получающие вращательное движение от электродвигателя 1 через клиноременную передачу 2. Натяжение ленты производится обычным натяжным винтовым устройством. Все элементы нории заключены в кожух, который имеет вверху приводную головку 3, нижнюю натяжную головку (башмак) 3 и среднюю часть (кожух) 4, состоящую из двух труб. В нижней части кожуха расположена загрузочная воронка (носок)5, а в верхней части его – разгрузочный патрубок 7. Сыпучее вещество зачерпывается ковшами из башмака или заполняется частично подачей прямо в ковш. Ковш с грузом поднимается вверх и при переходе через 4

верхний барабан опрокидывается, и сырье под действием центробежной силы и силы тяжести частиц высыпается через разгрузочный патрубок 7 в приемное устройство. 1.3. Программа выполнения работы 1.3.1. Изучить правила эксплуатации. 1.3.2. Ознакомиться с конструкцией 1.3.3. Установить конструктивные и технологические параметры элеватора. 1.3.4. Выполнить расчеты и сделать анализ. Перед началом опытов установить основные технические данные: V- вместимость ковшей, υ- скорость перемещения ковшей, ρ - насыпная плотность, Кз – коэффициент заполнения ковшей, ℓ- шаг ковшей, габаритные размеры. Все данные занести в таблицу 1.1. При исследовании работы элеватора предстоит определить его производительность при двух способах. Первый способ- подача продукта осуществляется через носок 6, т.е. против хода ковшей. Методика определения производительности следующая. Включают норию, затем замеренное заранее количество сыпучего продукта загружают в приемный носок 6 и с началом выхода продукта через верхний носок брать пробу до окончания процесса. Затем выключить норию. Повторить опыты минимум 3 раза и выявить среднее значение. Второй способ – загрузка сыпучего продукта в том же количестве, что и при первом способе осуществляется через носок 5, напрямую в ковши. Опыты повторить также троекратно. Данные занести в таблицу 1.2. Производительность нории определяется по формуле:

v - скорость перемещения груза, м/с; ρ-насыпная плотность, кг/м3; Кз - коэффициент заполнения ковшей (для мелкозернистых Кз=0,85…0,95, для крупнозернистых и кусковых Кз=0,5…0,8); ℓ-шаг ковшей, м. Потребная мощность электродвигателя приводного барабана, кВт: QHg , Nэ = 1000η где Q-производительность нории, кг/с; H-высота подъема груза, м; g-ускорение свободного падения, м/с2; η-КПД привода. Тип установки

Таблица 1.1. Данные результатов измерений Q,т/ч ℓ,м V,м3 v,м/с Н,м N,кВт

Лабораторная Таблица 1.2 Данные замеров производительности Способ загрузки Производительность Эффективность 1-ый способ 2-ой способ

Q = 3,6VvρKз / λ ,

где V- вместимость ковша, м3; 5

6

Лабораторная установка ковшового элеватора

3

2.1. Цель работы

2 7 1 10 9 6

5

8 4

11

Рис.1.1. 1.4. Отчет о работе. 1.4.1.Описание и принцип работы установки. 1.4.2.Таблица результатов исследований 1.4.3.Анализ и выводы о работе.

7

Лабораторная работа № 2 «Определение гидравлических сопротивлений трубопровода и подбор центробежного насоса»

Изучить схему коммуникации трубопровода для жидких продуктов и её особенности, конструкцию центробежного насоса; правила эксплуатации трубопроводов и насосов; провести подбор насоса и сделать анализ по работе. 2.2. Общие положения В биотехнологической промышленности жидкие продукты перекачиваются и нагнетаются в оборудование по коммуникациям трубопроводов различной длины и конфигурации, оснащенных арматурой и приборами технологического контроля. Подбирают трубопроводы с возможностью обеспечения минимального сопротивления движению продукта, исключением отрицательного влияния на него. Большие скорости движения продукта отрицательно влияют на его дисперсность и качество. Обычно принимают следующие скорости движения: для молока, сливок, сметаны 0,5…1,5 м/с; сгущенного молока 0,3…0,5 м/с; для сыворотки, пахты, обезжиренного молока 1,0…2,0 м/с, для витаминных, лекарственных, смесей, смесей ферментных препаратов 1,5…2 м/с.. В качестве побудителей движения продукта по трубам применяют центробежные насосы с рабочими органами в виде лопастей и дисков. Они просты по конструкции и легко разбираются для мойки и чистки.

8

Основными показателями, характеризующими работу центробежных насосов, являются высота подачи жидкости, производительность и потребляемая мощность. Сопротивления в трубопроводах, преодолеваемых насосом, возникают при движении жидкости по трубам и расположенным на них коммуникациям (отводам, тройникам, кранам и др.). Значительная часть энергии тратится на преодоление местных сопротивлений при поворотах, расширениях и сужениях потока в кранах и других частях трубопровода, между частицами продукта. Величина этих сопротивлений требует определенного потребного напора насоса и учитывается для правильного выбора его. Величина гидравлических сопротивлений зависит от скорости движения жидкости, ее вязкости, длины трубопровода, от количества и вида местных сопротивлений. Для подбора центробежного насоса, а также проверки соответствия его по техническим характеристикам на определенном участке технологического процесса предприятия, расчетным путем устанавливают суммарные гидравлические сопротивления системы трубопроводов, их арматуры и приборов, по которым перекачивается продукт. Полное гидравлическое сопротивление определяют: ∆P = ∑ ∆Pmp + ∑ ∆Pck + ∑ ∆Рск + ∑ ,

(2.1)

где 1 ∆Р – полное гидравлическое сопротивление, Па ∑∆РМР – сумма гидравлических сопротивлений трения, Па ∑∆РМС – сумма местных сопротивлений, Па ∑∆РСК – сумма дополнительных давлений на подъем жидкости, создание скоростного напора и неучтенных потерь, Па 9

- разность давлений по высоте подъема жидкости, Па Гидравлические сопротивления трения обусловлены вязкостью и режимами движения жидкости и определяются: l υ2 (2.2) ρ ∆ PMP = ξ MP d

2

где ∆Р – гидравлическое сопротивление трения, Па ξМР – коэффициент трения, l – длина трубы, м d – диаметр трубы, м ρ – плотность продукта, кг/м3 υ – скорость движения жидкости в трубе, м/с Если на одной и той же линии трубопровода трубы имеют разные диаметры, то: l1 υ 2 l υ2 ρ + ξ MP 2 2 ρ (2.3) d1 2 d2 2 Величина коэффициента трения зависит от характера движения жидкости и чистоты обработки внутренней поверхности трубы: 64 (2.4) ξ MP = Re Критерий Рейнольдса определяют: υd Re = (2.5) ∆PMP = ξ MP1

γ

2

где γ – вязкость продукта, м /с. При перемещении продукта по трубопроводам должны соблюдаться правильный режим движения продукта и устойчивая ламинарность, которая достигается, если Rе не превышает 1200…1600. 10

Скорость движения уравнению расхода:

продукта

определяют

4M πd 2 где υ - cкорость движения продукта, м/с; М – расход продукта, м3/с; Потери давления в местных сопротивлениях:

υ=

υ1

(2.6)

υ2

Коэффициенты местных сопротивлений зависят от формы входной кромки трубы. Если края острые, то ξ = 0,5, закругленные ξ = 0,06, при выходе из трубы ξ = 1. При внезапном расширении или сужении труб:

ξ MC

 f  = 1 + 1  f2  

2

,

(2.8)

f1 - отношение площадей расширенной и суженной f2 частей. В случае поворота трубопровода:

где

3, 5  d   α , ξ MC = 0,131 + 0,1    R   90  где α – угол поворота, град R – радиус поворота, м Для колена, угольника и тройника:

ξ MC = 0,946 sin 2

11

α

2

+ 2,05 sin 4 α

Для нормального протекания продукта в трубопроводе, необходимо дополнительное давление на создание скоростного напора: ∆PCK =

ρξ MC 2 , (2.7) 2 2 где ∆РМС – потери давления в местных сопротивлениях, Па ξМС1, ξМС2 – коэффициенты местных сопротивлений. ∆PMC =

ρξ MC1 +

по

(2.9)

(2.10)

υ2ρ

(2.11) 2 где ∆РСК – дополнительное давление, Па. Потребляемая мощность центробежным насосом определяется: M (∆P − P0 ) (2.12) N= 3600η M где N – мощность насоса, кВт Р0 – атмосферное давление жидкости, Па ηМ – к.п.д. насоса (ηМ =0,7…0,85). 2.3. Программа выполнения работы 2.3.1. Ознакомиться с заданной или имеющейся системой коммуникаций трубопроводов и их арматурой. 2.3.2. Установить типы и назначение насосов, установленных в линии. 2.3.3. Изучить правила эксплуатации трубопроводов и центробежных насосов. 2.3.4. Измерить конструктивные параметры участков трубопровода, определить виды местных сопротивлений и их качества. 2.3.5. Установить технологические параметры транспортирования продукта и техническую характеристику насоса. 2.3.6. Выполнить расчеты на ЭВМ. 2.3.7. Сделать анализ и выводы по работе. 2.4. Методические указания по выполнению работы Лабораторную работу выполняют в одном из цехов означенного предприятия.

12

2.5.3. Анализ по результатам работы. Контрольные вопросы 1. Какие трубопроводы используются в биотехнологической промышленности? 2. Какая арматура используется на трубопроводах и их назначение? 3. Требования, предъявляемые к трубопроводам и арматуре? 4. Какие типы насосов используются в биотехнологической промышленности? 5. Какие требования предъявляются к насосам и по каким параметрам они подбираются? 6. Как устроены центробежные насосы и принцип их работы? 7. Как устроены самовсасывающие насосы, принцип работы и их отличительные особенности по сравнению с центробежными насосами? 8. Дайте общую характеристику лопастным и дисковым центробежным насосам.

кпд

мощность

производи тельность

Температура продукта

Центробежный насос Расход продукта

тройники

угольники

Кол-во местных сопротив лений повороты

Диаметр трубы

Длина участков

Вид продукта

2.4.1. Работу начинают с изучения системы коммуникаций трубопроводов, по которым жидкие продукты поступают из одного аппарата или резервуара в другой. Также изучают арматуру, установленную на трубопроводах. 2.4.2. Затем изучают правила эксплуатации трубопроводов и центробежных насосов. 2.4.3. После чего вычерчивают схему транспортирования продукта, измеряют длины участков с указанием типа арматуры, измеряют диаметры трубопроводов. 2.4.4. Устанавливают технологические параметры транспортирования продукта, техническую характеристику центробежного насоса. 2.4.5. Результаты измерений, технологические параметры и характеристику насоса оформляют в таблице 2.1. Таблица 2.1 Конструктивные и технологические параметры молокопроводов

2.5. Отчет о лабораторной работе должен содержать: 2.5.1. Основные требования правил эксплуатации трубопроводов и центробежных насосов. 2.5.2. Технологическую линию транспортирования продукта с конструктивными и технологическими параметрами.

13

14

Лабораторная работа № 3 «Изучение работы противоточного регенератора» 3.1. Цель работы: Изучить устройство, принцип работы регенератора, их правила эксплуатации, определить коэффициенты регенерации и показатели экономичности расхода тепла и холода. 3.2. Общие положения. Оборудование для тепловой обработки жидких продуктов классифицируют следующим образом: для подогревания и пастеризации; использования (регенерации) тепла пастеризованного продукта; для стерилизации и замораживания. В большинстве аппаратов для тепловой обработки продуктов осуществляется теплообмен между горячими и холодными средами, разделенными перегородками. В данной работе в качестве объекта исследований рассмотрим противоточный регенератор. Установка представляет собой вертикальный цилиндрический кожух, толщина стенки которого составляет 1,5- 2 мм. Внутри кожуха размещена металлическая труба, выполненная в виде змеевика, вход и выход которой соединены резиновыми трубками. В кожухе предусмотрены два штуцера: для входа и выхода продукта. При заполнении цилиндрической емкости холодным продуктом, противотоком подается горячий продукт. Для фиксирования температур до и после опыта имеются 4 термометра. Эффективность работы регенератора определяется гидравлическими закономерностями движения охлаждаемой и охлаждающей жидкостей. Режим течения охлаждаемой и охлаждающей жидкостей определяют по критерию:

15

Re =

V ⋅d

ν

,

(3.1)

где Re- критерий Рейнольдса; V- скорость движения жидкости, м/с; ν – кинематическая вязкость продукта, м/с; Определяют коэффициенты теплоотдачи от стенки к охлаждающей жидкости α2 и от охлаждающей жидкости к стенке α1, по формулам: P 0,0214 ⋅ λ 0 , 43 ⋅ Re 0,8 ⋅ P2 ( 2 ) 0, 25 , (3.2) α2 = d экв P2 cт где α2- коэффициент теплоотдачи от стенки к охлаждающей жидкости; Р2- критерий Прандтля для средней температуры жидкости; критерий Прандтля для температуры Р2стприграничного слоя; λ- коэффициент теплопроводности жидкости; 1,9 ⋅ λ α1 = , (3.3)

δ

где: λ- коэффициент теплопроводности охлаждаемого продукта, Вт/м·0С ∆- толщина пленки, м. Производительность регенератора определяют по формуле: Κ ⋅ F ⋅ ∆t ср Μ= , (3.4) С п (t н − t к ) ρ п где М- производительность регенератора, м3/с; К-коэффициент теплопередачи, Вт/(м2 ⋅оС); F-поверхность теплообмена, м2 ; ∆tcp –средняя разность температур, оС; Сп –удельная теплоемкость жидкости, Дж/(кг·оС); tн и tк –соответственно начальная и конечная температуры жидкости; ρп –плотность жидкости, кг/м3. 16

Эх =

3.3. Методика проведения работы. В качестве исследуемых жидкостей примем обычную воду. Для проведения исследований необходимо вначале открыть краны для горячей и холодной воды. Замеры температур производим установленными термометрами. Результаты измерений оформляют в виде таблицы:

2

3

5

(3.9) ⋅ 100%, tп − to По формуле (3.9) экономию холода мы рассчитываем при охлаждении пастеризованного продукта.

18

6

7

Расход холода Эх

4

Показатель экономичност и Расход тепла Эт

Регенерации tр

1

Холодной воды tн

Регенератор

Охлажденной воды подвергнутой нагреванию tг.р.

Температура

t п. р . − t o

17

Коэффициент регенерации Е

Таблица3.1 Характеристика работы противоточного регенератора

Горячей воды tг

Тепловой баланс регенератора определяют: M ⋅ C п ⋅ (t н − t к ) ⋅ ρ = М 0 ⋅ С 0 ⋅ (t o.к . − t о.н. ) ⋅ ρ 0 , (3.5) где: Мо-расход охлаждаемой жидкости, м3/с; Со-удельная теплоемкость охлаждающей жидкости, Дж/(кг·0С); tо.к. и to.н.-соответственно конечная и начальная температуры охлаждающей жидкости, 0С. Отношение количества охлаждающей жидкости к количеству охлаждаемой можно определить по формуле: Μ C (t − t к ) ⋅ ρ o (3.6) n= o = п н Μ C o (t o.к − t o.н ) ⋅ ρ о Коэффициент регенерации Е определяют следующим образом: t p − tн Е= (3.7) , tп − tн где tр- температура сырого продукта после нагрева до пастеризованным (температура регенерации), 0С; tн- температура начальная сырого продукта, 0С; tп- температура греющего продукта, 0С; Экономика тепла и холода в процессе регенерации принято оценивать по показателям экономичности расхода Эг и Эх , которые определяют по формулам: tп − t р Эг = ⋅ 100% (3.8) tп − tн

8

Лабораторная работа № 4 «Изучение работы экстракторов»

Экстрактор шнековый непрерывного действия ЭТШВ-600:

4.1.Цель работы Изучить устройство, принцип работы экстракторов, правила эксплуатации, определить и произвести основные расчеты их. 4.2.Общие положения В микробиологической промышленности экстрагирование применяется для извлечения ферментов из культур грибов, выращенных поверхностным способом, моносахаридов из твердой фазы после гидролиза полисахаридов, микробного жира из биомассы дрожжей и др. Для экстрагирования биологически активных веществ применяют экстракторы периодического (экстракторы и диффузионные установки) и непрерывного (диффузоры и диффузионные батареи, колонные экстракторы вертикального, горизонтального и роторного типов) действия. Шнековый вертикальный экстрактор состоит из трех колонн-спускной (загрузочной), подъемно-разгрузочной и поперечно-горизонтальной. Внутри каждой колонны расположены перфорированные шнеки, снабженные индивидуальным приводом с частотой вращения от 0,25 до 2 мин-1. Внутренний диаметр всех колонн 600 мм, длина рабочей зоны 10000 мм.

19

Рис. 4.1 Твердая фаза культуры гриба подается шнековым питателем в верхнюю часть загрузочно-спускной колонны, перемещается перфорированным шнеком вниз и через переходный горизонтальный участок колонны поступает в подъемную колонну. Экстрагент подается через распределительное устройство в параллельную разгрузочно-подъемную колонну противоточно. Культура гриба из загрузочно-спускной колонны поступает через переходный горизонтальный участок колонны в подъемную колонну и после отжима выгружается. Вода поднимается в загрузочно-спускную колонну, непрерывно насыщаясь, и после прохождения через фильтр в верхней 20

ηобщ-общий КПД передачи

части подъемной колонны выводится. Для вращения шнеков установлены электроприводы мощностью 3,2 кВт, частотой вращения 1500…150 мин-1. Основными показателями, характеризующими работу экстракторов, являются производительность, мощность экстрактора.

Мощность, затрачиваемая продукта вертикальным шнеком:

Производительность горизонтального транспортирующего шнека определяется:

где Мвп - момент сопротивления вертикального шнека от трения продукта о шнек и подъема по виткам.

Q = 60 f зап ⋅ f наб ⋅ π ⋅ r1 ⋅ h ⋅ ω ⋅ ρ , 2

(4.1)

на

транспортировку

N тр = М вп / 974 ,

М вп = Рв ⋅ rср ⋅ tg (ϕ + β ) ,

где r1–радиус шнека, м; h - шаг шнека, м; ω - частота вращения, мин-1; ρ - плотность экстрагируемого материала, кг/м3.

где Рв - осевая нагрузка на шнек, кг; rср - средний радиус шнека, м; φ -угол наклона спирали шнека, град.; β-угол трения, град.

Шаг витка рассчитывают по формуле:

Осевая нагрузка на шнек определится как:

h = 2 D ⋅ tgϕ ,

Рв = ( R 2 − r 2 ) ρ н ⋅ Н ,

где φ–угол естественного откоса экстрагируемого материала, град.; D- внутренний диаметр экстрактора, м. Мощность электропривода шнеков (кВт) определяется по формуле:

N = ( N тр + N к ) / ηобщ ,

(4.2)

(4.3)

(4.4)

(4.5)

где ρн - плотность продукта, насыщенного водой, кг,ь3; Н-высота загрузки шнека, м (Н=0,8 всей высоты). Мощность, затрачиваемая на трение продукта о стенки корпуса: N к = P ⋅ f тр ⋅ R ⋅ tgϕ ⋅ π ⋅ ω ⋅ k p /(102 ⋅ 30) ,

(4.6)

где Nтр–мощность, затрачиваемая на транспортировку продукта, кВт; Nк -мощность, затрачиваемая на трение продукта о корпус, кВт;

где Р–суммарная сила давления продукта на стенки корпуса, кг; fтр - коэффициент трения продукта (принимается равным 0,2); kр - коэффициент распора (принимается равным 0,5.

21

22

4.3.Методика проведения работ Работу выполняют в лаборатории кафедры.

6.3.1.Работу начинают с изучения правил эксплуатации экстракторов. 6.3.2.Затем выполняют эскиз экстрактора с указанием основных узлов и деталей. 6.3.4.Определить конструктивные и технологические параметры оборудования. 6.3.5.Производят расчеты по приведенным формулам и заполняют таблицу. Q

N

Р

23

Мвп

Таблица 4.1. h

Лабораторная работа № 5 «Изучение работы ферментатора» 5.1. Цель работы Изучить устройство, правила эксплуатации ферментатора, определить конструктивные и технологические параметры устройства, произвести расчеты, сделать анализ и выводы. 5.2. Общие положения Ферментаторы используются для глубинного выращивания микроорганизмов. Они подразделяются на группы: по способу культивирования (апппараты непрерывного и периодического действия), стерильности (на герметичные и не герметичные), по конструктивным признакам (на ферментаторы с диффузором и турбиной, с вращающимися аэраторами, с механическими мешалками, с наружным циркуляционным контуром, колонные ферменататоры, с эжекционной системой аэрации. В микробиологической промышленности практически все процессы культивирования продуцентов биологически активных веществ, за исключением дрожжей для получения БВК на парафинах, гидролизатах и сульфитных щелоках, проводятся периодическим способом в стерильных условиях. Ферментатор с механической мешалкой и барботером представляет собой вертикальный аппарат цилиндрической формы с эллиптическими крышкой и днищем. На крышке аппарата расположен привод перемешивающего устройства и механического пеногасителя, штуцера для загрузки питательной среды, посевного материала, пеногасителя, подачи и вывода воздуха, смотровые окна, люки для погружения моющей механической головки, предохранительный клапан и штуцера для приборов визуального контроля.

24

Ферментатор с механическим перемешиванием барботажного типа вместимостью 63 м2: 1 – электродвигатель; 2 – редуктор; 3 – муфта; 4 – подшипник; 5 – сальник; 6 – вал; 7 – корпус; 8 – турбинная мешалка; 9 – змеековый теплообменник; 10 – муфта; 11 – труба для подвода воздуха; 12 – лопастная мешалка; 13 – барботер; 14 – винтовая мешалка; 15 – опорный подшипник; 16 – штуцер для спуска; 17 – рубашка; 18 – загрузочный штуцер; 19 – штуцер для подачи воздуха.

разборный ромб из перфорированных труб с отверстиями, расположенными в шахматном порядке. Вал приводится во вращение от электродвигателя с частотой вращения 110…250 мин-1. Ферментатор оборудован паровой рубашкой, состоящей из 6…8 ярусов-секций. Диаметр турбинной мешалки ферментатора рассчитывается по формуле: d м = (0,3...0,33) Dвн , (5.1) где Dвн-внутренний диаметр ферментатора, м. Частота вращения мешалки, мин-1: n1 = ω / π ⋅ d м , (5.2) где ω-окружная скорость мешалки, м/с. Значение ее принимается из таблицы 5.1. Таблица 5.1. Перемешивающие Вязкость Окружн устройства среды, Па.с ая скорость мешалки, м/с Лопастные,якорные,рам 0,001…0,0 3,0…2,0 ные 04 2,5…1,5 4…8 1,5…1,0 8…15 Турбинные 0,001…5 7…4,2 5…15 4,2…3,4 15…25 3,4…2,3 Пропеллерные 0,001…2 4,8…16

Рис.5.1. Для выгрузки культуры в днище аппарата предусмотрен спускной штуцер. Внутри аппарата проходит вал с закрепленными на нем перемешивающими устройствами, расположенными в два яруса лопастными мешалками и третьей открытой турбины. Барботер расположен в днище аппарата и представляет собой

Потребляемая мощность без учета влияния вспомогательных устройств: 5 N м = K N ⋅ ρ c ⋅ n3 ⋅ d м , (5.3) где KN-критерий мощности, зависящий от интенсивности перемешивания и характеризующийся центробежным критерием Рейнольдса;

25

26

ρс-плотность среды, n-число мешалок,шт; dм-диаметр мешалки, м. Reц = ρ с ⋅ n ⋅ d 2 м / µ с ,

(5.4)

где с-динамическая вязкость среды. Расчетная мощность на валу мешалки: N p = k1 ⋅ k2 (∑ k + 1) ⋅ N м

(5.5)

где k1-коэффициент заполнения аппарата растущей культурой; k2-коэффициент, учитывающий увеличение потребляемой мощности из-за повышения сопротивления растущей культуры в процессе роста (k2=1,1); ∑k-коэффициент, учитывающий увеличение потребляемой мощности на преодоление сопротивления, вызываемого вспомогательными устройствами. k1 = H ж / Dвн , (5.6) где Рж-высота слоя перемешиваемой жидкости (для турбинных мешалок Нж=0,65 Нап). ∑ k = kп + k м + kтр + k т , (5.7) kп-коэффициент сопротивления отражательных перегородок; kм-коэффициент сопротивления дополнительной мешалки kтр-коэффициент сопротивления трубы для подвода воздуха; kт-коэффициент сопротивления гильзы для термометра. Значения kп,kм,kтр,kт в зависимости от типа мешалки приведены в табл.9.2. Мощность на преодоление трения в сальнике вала: 0 ,1

hc

N c = 2n ⋅ d в ⋅ S c ⋅ Р ⋅ (e − 1) (5.8) -1 где n и dв-частота вращения, мин и диаметр вала, м; Sc-толщина набивки сальника вала, м; 2

27

Sc

P-рабочее давление воздуха в аппарате над уровнем жидкости, Па; hс-высота набивки сальника, м (hс=6 Sс). Для определения Nс можно принять P=0,1 мПа). Определение диаметра приводного вала мешалки производят по приближенной формуле, исходя из прочности его на кручение: M d в = 1,713 кр + с м (5.9)

τ доп

где Мкр-крутящий момент на валу мешалки, Н.м; τдоп.-допускаемое напряжение для материала вала на кручение; см-поправка на коррозию, эрозию и износ материала, м. Крутящий момент на валу мешалки: M кр = 0,163N р / n, (5.10) где Nр- передаваемая расчетная мощность на валу; nзапас прочности. С целью обеспечения жесткости полученную расчетную величину dв умножают на коэффициент 1,25 и получают dв’. для определения диаметра участка вала, расположенного выше нижней турбинки dв’’ величину dв’ умножают на коэффициент 1,07. для определения диаметра участка вала, расположенного нвыше верхней турбинки, dв’’’ при проходе через сальник величину dв’ умножают на коэффициент 1,14. Вал обычно изготовляют из стали Ст.45. предел прочности для Ст.45 на растяжение σв= 610 мН/м2 (около 62 кг/мм2), запас прочности nв =2,6. Допустимое напряжение на растяжение вычисляют путем деления величины предела прочности на растяжение на величину запаса прочности: [σ ] = σ в / n в . (5.11) 28

Допустимое напряжение на кручение [ τ ] =0,6 [ σ ]. Допустимое напряжение для валов перемешивающих устройств [ τ’ ]= 0.5 [ τ ]. Толщина сальниковой набивки (мм):

Н ):

Sс = 0,044 d ''в , (5.12) ’’ где dв - диаметр вала, м. Затем определяют расчетную силу сжатия набивки p’c ( p c = π (d в + S c )S c pe '

''

0.04

hc Sc

,

(5.13)

где p- лопустимое давление в аппарате при стериализации, Па. Окончательную установленную мощность Nуст= (кВт) приводного электродвигателя мешалки вычисляют по формуле: (5.14) N уст = 1,15( N p + N c ) / η , где η- КПД редуктора привода. Затем по величине Nуст подбирают вертикальный привод, тип электродвигателя, его мощность и частоту вращения. Тепловой баланс ферментаторов. В ферментаторе в процессе жизнедеятельности микроорганизмов выделяется тепло. При повышении температуры растущей культуры рост культуры замедляется, а затем возможна и гибель микроорганизма. Для предотвращения этого ферментаторы должны быть оборудованы теплосъемными устройствами ( змеевики, рубашки, тепловые трубы). Количество тепла, отводимого от растущей культуры, и расход охлаждающей воды определяют из теплового баланса.

29

Приход тепла С питательной средой Q1= Gпcпtп Биологическое тепло, выделяющееся при росте культуры, Q2= qp С охлаждающей водой Q3= Gвcвt1в С продуваемым воздухом Q4= Li1

Расход тепла С готовой культурой Q5= Gкcкtк С охлаждающей водой Qв= Gвcвt2в С продуваемым воздухом Q7= Li Потери тепла в окружающую среду Q8= 3600αFa∆t

Где Gп, Gв, Gк- масса питательной среды, охлаждающей воды и готовой культуры, кг; сп, св и ск- удельные теплоемкости питательной среды, охлаждающей воды и готовой культуры, кДж/(кг·К); tп ,tк ,t1в и t2в- температуры питательной среды, готовой культуры, начальная и конечная охлаждающей воды, К; q- среднее количество тепла, выделяющееся при приросте биомассы культуры микроорганизма; кДж/кг; р- прирост биомассы организмов, кг/ч; L- количество продуваемого воздуха, кг/ч; i1 и i2энтальпия свежего и отработавшего воздуха, кДж/кг; αкоэффициент теплоотдачи от поверхности ферментатора в окружающую среду, кВт/(м2·К); Fa- площадь поверхности ферментатора, м2; ∆t- средняя разность температур растущей культуры и окружающего ферментатор воздуха, К. Уравнение теплового баланса ферментатора имеет вид: G в c в ( t 2в − t 1в ) = Q1 + Q 2 + Q 5 + Q 8 − L(i 2 − i1 ). Обозначим Q1+Q2- Q5- Q8- L(i2-i1)= Q, тогда расход охлаждающей воды (кг/ч): Q Gв = . (5.15) c в ( t 2в − t 1в ) Площадь поверхности теплопередачи ферментатора, 2 м: 30

Q , (5.16) 3600К∆t где К- коэффициент теплопередачи, Вт/(м2·К); ∆tсредняя разность температур растущей культуры и охлаждающей воды, 0С. 1 К= . (5.17) (1 / α 1 + δ / λ + 1 / α 2 ) Величина теплоотдачи α2 для воды определяется в зависимости от критерия Re. Определение величины теплоотдачи от стенки к растущей среде α1 усложняется наличием в среде большого количества, раздробленного на мелкие пузырьки и ухудшающего условие теплоотдачи. Поэтому с определенной погрешностью можно воспользоваться эмпирическим уравнением для определения теплоотдачи от поверхности трубы к разным по плотности и вязкости растворам сахара и мелассы при естественной конвекции: α 1 = 28503 ( t ж − t ст ) / µ , (5.18) F=

где tж и tст – температуры растущей культуры и стенки рубашки, 0С; µ- динамическая вязкость среды, Па·с. Вязкость разбавленных мелассных растворов может быть вычислена по формуле: µ = (1,2 + 0,046B − 0.0014Bt )10 −3 , (5.19) где В- концентрация раствора, %; t- температура раствора. На основании опытных данных для ферментаторов, снабженных охлаждающими рубашками, с учетом загрязнения стенок можно принимать К=3000 Вт/(м2·К). Расход воздуха на аэрирование растущей культуры находится в пределах 60-120 м3/(ч·м3).

31

Таблица 5.2 Значения коэффициентов k, учитывающих увеличение мощности мешалки из-за наличия в аппарате вспомогательных устройств Вспомог ательное устройство Четыре отражательн ые перегородки шириной В=0,08 Dвн, расположенн ые у стенок аппарата Одна дополнитель ная горизонтальн ая лопасть, равная по размеру лопасти основного перемешива ющего устройства Труба для передавлива ния раствора Гильза

Тип перемешивающего устройства Турб Пропел Лопа Яко лерное стное рное и инное рамное 1 1?5 0?5

0,35

-

-

-

0,2

0,2

0,2

0,1

0,1

0,1

0,1

0,05

32

для термометра или поплавковый уровнемер Две 0,3 вертикальны е трубы, расположенн ые под углом, превышающ им 90о (в плане) 2,0 Змеевик с правой навивкой, расположенн ый вдоль цилиндричес ких стенок аппарата 2,5… Спираль ный змеевик, 3,0 установленн ый у дна аппарата, при диаметре труб 0,033…0,054 м Детали для крепления диффузора

Лабораторная работа № 6 «Изучение оборудования для производства замороженных биологически активных веществ» 6.1. Цель работы.

0,3

0,3

0,15

Изучить устройство, принцип работы фризера и скороморозильного аппарата; правила эксплуатации указанных видов оборудования; определить и рассчитать основные показатели оборудования. 6.2. Общие положения.

-

-

-

-

-

-

-

33

-

0,95

Основным технологическим процессом производства мороженого с добавлением биологически активных веществ является процесс фризерования, при котором происходит охлаждение смеси, ее интенсивное перемешивание, диспергирование воздуха и насыщение им продукта, замораживание влаги, образование льда и его дробление. Для этих целей в промышленности используются фризеры периодического и непрерывного действия. Основными показателями, характеризующими работу фризера, являются производительность и расход холода. Производительность фризера М (кг/с): mδ M nFM ρ ср M= 6 , (6.1) 10 Ф нер Ф рав где m – число ножей; δм– толщина срезаемого слоя мороженого, м (δМ = 15*10-6-25*10-6 м); n – частота вращения ножей, с-1 (n = 54…600 с-1); Fм– поверхность, с которой срезается слой мороженого, м2; ρср – средняя плотность мороженого, кг/м3; 34

Фнер – коэффициент, показывающий неравномерность срезания слоя (Фнер=1,1…1,2); Фрав – коэффициент, характеризующий размораживание срезанного слоя в зависимости от глубины замораживания (Фрав = 1,2…1,9). Средняя плотность мороженого:

ρ ср =

ρ см

, (6.2) S 1+ 100 3 где ρсм – плотность смеси, кг/м ; S – взбитость мороженого, %. Взбитость мороженого: V − VCM S= M 100% , (6.3) VCM где Vм – удельный объем мороженого, м3/кг; Vсм – удельный объем смеси, м3/кг. Расход холода при работе фризера определяют по уравнению: Q = Qпр + Q мех + Qп , (6.4) где Q – расход холода Дж/с; Qпр – расход холода на охлаждение смеси мороженого и замораживание влаги при фризеровании, Дж/с; Qмех – расход холода на компенсацию тепловыделений от работы мешалки и ножей, Дж/с; Qп – потери холода, Дж/с (20% от ). Расход холода на охлаждение смеси мороженого и на замораживание влаги при фризеровании определяют:

[

]

Qпр = M C cм (t см − t кр ) + С м (t кр − t м ) + 33,5W ВW Л ,

(6.5)

где Qпр – расход холода при фризеровании, Дж/с; М – производительность фризера, кг/с; tсм – начальная температура смеси, °С; tм – температура мороженого при выгрузке из фризера, °С; 35

Wв – содержание воды в смеси, %; Wл – содержание замороженной воды (льда), %; См – удельная теплоемкость смеси, Дж/(кг °С); Ссм – удельная теплоемкость мороженого, Дж/(кг °С). Количество замороженной следующим образом: для невязких продуктов: 100t − 216,12 t для вязких продуктов:

WЛ =

влаги

определяют

(6.6)

100t − 238,1 , (6.7) t где t – температура замораживания, °С. Расход холода на компенсацию тепловыделения от работы мешалки и ножей определяют:

WЛ =

Q мех = ηN ,

(6.8) где η – коэффициент, показывающий какая часть механической энергии превратилась в тепловую (η = 0,65…0,85); N – мощность, потребляемая фризером, Вт. Мощность, потребляемая фризером, определяется:

N = N1 + N 2 + N 3 ,

(6.9) где N1 – мощность, затрачиваемая на срезание слоя мороженого ножами, Вт; N2 – мощность, затрачивания на трение мороженого о стенку цилиндра, Вт; N3 – мощность, затрачиваемая на трение ножа о стенку цилиндра, Вт. 36

N 1 = δ м l nυ мср mtgαPмср ,

(6.10)

где lн – длина ножа, м; υмср – скорость, срезания слоя, м/с; α – угол установки ножа, (α=32…35°); Рмср – механическое напряжение при срезании слоя, Н/м2.

Р мср = Р л

ρ cр ρл

(6.11)

где Рл – механическое напряжение при срезании льда, Н/м2; ρл – плотность льда, кг/м3 (ρл = 900 кг/м3) ; ρср – средняя плотность мороженого, кг/м3. Мощность, затрачиваемую на трение мороженого о стенки цилиндра и при вращении мешалки с ножами, определяют: N 2 = ξ тр r 4 l н tgα тω 2 ρ см Фдоп ,

(6.12)

где ξmp – коэффициент трения; r – радиус мешалки, м; ω – угловая скорость вращения ножей мешалки, рад/с; Фдоп – коэффициент, учитывающий дополнительные затраты мощности при усложнении конструкции мешалки, (Фдоп = 1,2…1,5).

ξ тр = ξ 0

νм , ν см

(6.13)

где ξ0 – коэффициент трения для ламинарного режима при движении смеси, (ξ0= 0,06); νм, νсм – кинематическая вязкость соответственно мороженого и смеси, м2/с. При расчетах величиной N3 можно пренебречь ввиду ее малости по сравнению с N2.

37

После фризерования мороженое фасуется и замораживается (закаливается) в скороморозильных аппаратах. Количество холода, необходимое для замораживания смеси мороженого в скороморозильном аппарате, определяют:

Q1 = MC cм (t1 − t 2 ) + W3 q ,

(6.14)

где Q1 – количество холода, Дж; М – количество смеси, кг; t1, t2 – начальная и конечная температуры смеси, °С; W3 – количество влаги, замороженной в процессе закалки, кг; q – скрытая теплота льдообразования, Дж*кг. Количество влаги, замороженной в процессе закалки, определяют: ′ − WЛ ) MWВ (W зак , (6.15) W3 = 100 * 100 ′ – количество влаги, вымороженной в результате W зак ′ =85…90%). процесса фризерования и закаливания,%, ( W зак 6.3. Программа выполнения работы. 6.3.1. Изучить правила эксплуатации фризеров, их устройство и принцип работы. 6.3.2. Определить конструктивные и технологические параметры оборудования и рассчитать некоторые его характеристики. 6.3.3. Снять параметры работы оборудования.

38

6.4. Методические указания по выполнению работы

Работу выполняют в аппаратном цехе или в цехе мороженого АО «Молоко». 5.4.1. Работу начинают с изучения правил эксплуатации гомогенизаторов. 5.4.2. Выполняют эскиз гомогенизатора с указанием основных конструктивных элементов. 5.4.3. Определяют температурные параметры процесса фризерования. Для определения взбитости смеси мороженого берут пробу смеси мороженого, объем которой должен соответствовать объему готового продукта. Пробу смеси и готовый продукт взвешивают. При наблюдении за работой фризера определяют действительную производительность подсчетом количества порций мороженого за промежуток времени. По технической характеристике фризера находят необходимые данные для расчетов. Проводят расчеты фризера согласно разделу 6.2. Результаты измерений и расчетов оформляют в табл. 6.1. Таблица 6.1 Некоторые характеристики фризера Температура, °С на ч. см ес и

моро ж. при выгр узке

кри о ско п.

Удельный объем, кг/м3 мо исход роженой ног смеси о

Действ. произв. фризера

Взбитость морожено го, %

Рас ход хол ода , Дж /с

В заключение работы проводят анализ работы оборудования. 6.5. Отчет о работе

Отчет о лабораторной работе должен содержать: 6.5.1. Основные правила эксплуатации фризеров и скороморозильных аппаратов. 6.5.2. Эскизы оборудования с указанием основных узлов и деталей. 6.5.3. Таблицу с некоторыми характеристиками фризера. 6.5.4. Анализ результатов расчетов, работы оборудования и выводы.

Мощност ь, Вт по пас пор ту

рас чет ная

6.4.4. Затем переходят к скороморозильному аппарату и выполняют работу по описанной выше методике. 39

40

Лабораторная работа № 7 «Изучение гомогенизаторов». 7.1. Цель работы. Изучить устройство, принцип работы и правила эксплуатации гомогенизаторов, определить и рассчитать основные характеристики, построить графики теоретических зависимостей, сделать анализ и выводы о работе. 7.2. Общие положения. Гомогенизаторы для жидких продуктов предназначены для раздробления крупных частиц в продуктах с целью создания однородной консистенции. Для этих целей применяют гомогенизаторы высокого давления клапанного типа. В них осуществляется одно-, двух-, трехступенчатая гомогенизация. Они обладают высокой степенью раздробления, так средний размер частиц уменьшается с 3,5…4,0 до 0,7…0,8 мкм. Гомогенизации подвергаются витаминные смеси, смеси биологически активных веществ, ферментные препараты, смеси белковых соединений и др. Важнейшими показателями, характеризующими работу гомогенизаторов, являются производительность и степень раздробления частиц при гомогенизации. Производительность гомогенизатора зависит от производительности плунжерного насоса, нагнетающего продукт в гомогенизирующую головку, и она определяется по следующей формуле: M = 60 ⋅ f ⋅ l ⋅ n ⋅ z ⋅η , (7.1) 3 где: М- производительность гомогенизатора, м /ч; f- площадь сечения плунжера, м2; l- длина хода плунжера, м; n- число оборотов вала в минуту, с-1; z- число плунжеров, шт; η- объемный к.п.д. насоса (η = 0,7… 0,9);

41

Эффективность или степень гомогенизации зависит от давления и температуры молока. Для режимов гомогенизации, принятых в промышленности, диаметры частиц после гомогенизации определяют: 3,8 d ср. = , (7.2) Р где: dср.- диаметр частицы, мкм; Р – давление гомогенизации, мПа; При гомогенизации в результате перехода механической энергии в тепловую, температура продукта повышается. Существует линейная зависимость изменения температуры продукта от давления: P , (7.3) ∆t = 39,1⋅10 4 ⋅ 9,8 где ∆t- повышение температуры, 0С; Поскольку гомогенизаторы потребляют механическую энергию, расчет энергетических затрат приобретает особую необходимость. Мощность необходимую для работы гомогенизаторов определяют по формуле: M ⋅P N= , (7.4)

η

где N- мощность гомогенизатора, кВт; η- механический к.п.д. гомогенизатора (η= 0,75); 7.3. Программа выполнения работы. 7.3.1. Изучить правила эксплуатации гомогенизаторов. 7.3.2. Ознакомиться с конструкцией и работой гомогенизаторов. 7.3.3. Установить конструктивные и технологические параметры гомогенизаторов. 7.3.4. Выполнить расчеты и сделать анализ.

42

7.4 Методические указания по выполнению работы. Лабораторную работу выполняют на лабораторном оборудовании кафедры. 7.4.1. Работу начинают с изучения правил эксплуатации гомогенизаторов. 7.4.2. Затем выполняют эскиз гомогенизатора с указанием основных узлов и деталей. 7.4.3. По техническому паспорту и измерениями определяют конструктивные, технологические параметры гомогенизатора и производят расчеты по вышеприведенным формулам. Полученные данные оформляют в таблицу 1. Таблица 7.1. Конструктивные, технологические и расчетные параметры гомогенизаторов. Площадь Число Число Давление Мощность Мощность сечения оборотов валаплунжеров гомогенизац расчетная по z, шт. плунжера n, мин-1 ии Р, мПа N, Вт паспорту f, м2 N0, Вт 1 2 3 4 4 5

7.4.4. Используя данные по расчетным формулам, строим график теоретических кривых (рис.7.1), характеризующих влияние давления гомогенизации на производительность, на повышение температуры продукта, диаметр частицы продукта и потребную мощность.

43

График теоретических зависимостей N

∆t

dср

20

4

2,4

8

15

3

1,8

6

10

2

1,2

4

5

1

0,6

2

0

10

20

30

40

М

50 Р·106Па

Рис.7.1. В заключение работы проводят анализ работы и делают выводы. 7.5. Отчет о работе. Отчет по лабораторной работе должен содержать: 7.5.1. Основные требования правил эксплуатации гомогенизаторов. 7.5.2. Эскиз гомогенизатора с указанием основных узлов и деталей. 7.5.3. Таблицу с результатами измерений и расчетов. 7.5.4. График теоретических зависимостей. 7.5.5. Анализ работы и выводы.

44

Лабораторная работа № 8 «Изучение оборудования для производства плавленых продуктов, обогащенных биологически активными веществами». 8.1. Цель работы: Изучить конструктивные особенности каждой машины, аппарата, их принцип работы, ознакомиться с правилами эксплуатации, составить структурнотехнологическую схему линии производства плавленых продуктов, установить конструктивные и технологические параметры и произвести необходимые расчеты. 8.2. Общие положения. Производство плавленых продуктов, обогащенных биологически активными веществами основано на технологическом процессе переработки твердых сыров в плавленые сыры. Биологически активные вещества добавляются в процессе плавления сырной массы, например, витаминные смеси, кедровое, пихтовое масло и т.д. К оборудованию для выработки плавленых продуктов относятся машины для подготовки натуральных сыров к плавлению и аппараты для плавления сырной массы. К машинам для подготовки сыров к плавлению относятся машины для снятия корок, сыроразделительная машина, волчок и вальцовка. Машина для снятия корок состоит из станины, подвижного стола с установленным на нем ножом, неподвижного упора и системы пневмопривода. Сыроразделительные машины применяют для разрезания сыров. Они представляют собой бункер, в котором находится режущее устройство, представляющее собой диск или барабан с ножами. Толщина срезаемой стружки зависит от частоты вращения диска или барабана и количества ножей.

45

Волчок имеет загрузочную воронку, шнек, который проталкивает сыр к режущему механизму и перфорированной решетке с диаметром отверстий от 2 до 3 мм (для мелких сыров) и от 16 до 18 мм (для крупных сыров). Вальцовка применяется для перетирания массы после волчка. Изготовленные из гранита вальцы имеют разную частоту вращения (нижний 24…42, средний 55…95 и верхний 130…212 с-1), поэтому сырная масса не только размельчается, но и перетирается. С верхнего вальца сырная масса снимается ножом и подается на скатную доску. К аппаратам для плавления сырной массы относятся аппараты с поднимающейся поворотной крышкой, с опускающейся емкостью, а также с двумя емкостями. К аппаратам для плавления сырной массы относится также и агрегат для измельчения сыра и плавления сырной массы. 8.3. Методика проведения работы. Работу начинают с изучения устройства и принципа работы каждой машины, аппарата, входящих в состав технологической линии производства плавления сыров. Необходимо изучить правила эксплуатации и техники безопасности, составить эскизы оборудования, установить их конструктивные и технологические параметры.

46

Продолжительность плавления продукта Z, ч

Количество тепла пошедшего на плавление массыQп, Дж

Количество конденсата Д, кг

Температура конденсата tконд.,0С

Удельное теплосодержание пара i, Дж/кг

Температура пара tп, 0С

Давление пара в рубашке Рр, Па

Температур а продукта, t 0С

Начальная tн Конечная температура нагрева tк

Количество сырной массы М, кг

Таблица 8.1 Параметры работы сыроплавителя.

Таблица8.2 Данные, характеризующие теплообмен в сыроизготовителях. Поверхность теплообмена, F, м2

Средняя разность температур, ∆tср, 0С

1

2

Коэффициент теплопередачи, К, Вт/(м2·0С) 3

8.4. Расчетная часть.

. Производительность валика М (кг/ч) вычисляют по формуле:

π

(

)

(8.1) d 1 − d 2 ⋅ S ⋅ ρ c ⋅ n ⋅ 3600 ⋅η 4 где d1- диаметр вала шнека, м; d2- диаметр шнека, м; S- шаг винта, м; рс – плотность сыра, кг/м3; n- частота вращения шнека, с-1; η- коэффициент обратного проскальзывания продукта (η = 0,7…0,8). Μ=

2

2

47

При производстве плавленого сыра для его предварительного измельчения применяют сырорезки, но зачастую эта операция идет вручную. Расход тепла Q п (Дж) на нагревание и плавление сырной массы в плавильном агрегате определяют по формуле: Q п = М ⋅ с ⋅ ( t к − t н ) + М ⋅ q, (8.2)

М- количество сырной массы, кг; с- удельная теплоемкость сырной массы,Дж; tн- начальная температура сырной массы, 0С; tк- конечная температура (температура плавления) сырной массы, 0С; q- скрытая удельная теплота плавления сырной массы, Дж; . Продолжительность нагревания и плавления сырной массы Zнагр (c) вычисляют исходя из общей формулы теплопередачи: QП , (8.3) Z нагр = k ⋅ F ⋅ ∆t ср где Qп- количество тепла необходимое на нагревание и плавление сырной массы, Дж; k- усредненный коэффициент теплопередачи; F- поверхность нагревания плавильного котла, м2; ∆ tср- средняя разность температур,0С. где

Количество сырной массы, загружаемой в аппарат, М (кг) зависит от его емкости:

где где

М =V ⋅ρ , V- рабочая емкость аппарата, м3; ρ- плотность сырной массы, кг/м3, F-поверхность теплообмена, м2.

48

(8.4)

5. Коэффициент теплопередачи определяют: М ⋅ с ⋅ (t к − t н ) , k= F ⋅ ∆t ср ⋅ Z нагр

(8.5)

8.5. Отчет о работе.

Отчет о лабораторной работе должен содержать: 8.5.1. Цель работы. 8.5.2. Объем работ. 8.5.3. Структурно-технологическую схему линии с описанием конструкции и принципа действия. 8.5.4. Расчетная часть. 8.5.5. Таблицы с результатами измерений. 8.5.6. Анализы и выводы.

49

Лабораторная работа № 9 «Изучение оборудования производства сухих белковых кормовых продуктов». 9.1.Цель работы. Изучить устройство, принцип работы вакуумвыпарных аппаратов, вальцовой и распылительной сушилок, правила их эксплуатации, определить и рассчитать основные показатели оборудования, анализ работы оборудования. 9.2.Общие положения.

Одним из основных процессов производства микробных белковых кормовых препаратов являются сгущение продукта выпариванием и его сушка. Сгущение выпариванием осуществляется путем удаления влаги в виде пара при кипении продукта под вакуумом. Влажность готовых продуктов не должна превышать 10%. В целях снижения расхода пара на сушку, сгущенную дрожжевую суспензию выпаривают до содержания сухих веществ 24…26% на вакуум-выпарных установках при температуре не более 80…85оС, сохраняющей высокое качество продукта (витаминов и во избежание пригорания к поверхности кипятильных труб). Сушильные установки, применяемые в биотехнологическом производстве подразделяют на распылительные и вальцовые. Вальцовые сушилки применяют преимущественно при сушке пастообразных биомасс. Содержание сухих веществ 12,5…25%. Сгущенная биомасса нагревается за несколько минут до 100оС. Влажность сухого продукта составляет 8…10%. Для анализа работы вакуум-выпарной установки, представляющей собой теплообменник, в котором 50

происходит кипение продукта и удаление вторичных паров, наибольший интерес представляет материальный баланс, расход греющего пара и коэффициент испарения. Рассмотрение их позволяет оценить интенсивность и эффективность процессов сгущения микробных белковых кормовых препаратов и установить факторы, от которых они зависят. Уравнение материального баланса при выпаривании имеет вид: G1 S1 (G1 − W )S 2 G 2 S 2 (9.1) = = 100 100 100 где G1,G2-количество исходного и готового продукта, кг; W-количество влаги, подлежащей выпариванию, кг; S1,S2-массовая доля сухих веществ в исходном и готовом продуктах, %. Из уравнения 1.1 можно определить количество испаренной влаги:  S − S1   = G1 − G 2 (9.2) W = G1  2  S2  Концентрацию сухих веществ S2 в готовом продукте определяют: GS G S 2 = 1 1 = 1 S1 (9.3) G1 − W G 2 Расход греющего пара (кг) определяют: W (i 2 − c 2 t 2 ) − G1 (c1t1 − c 2 t 2 ) , (9.4) η (i − c конд t конд ) где i, i2- энтальпия греющего и вторичного пара Дж/кг; с1,с2- удельная теплоемкость исходного продукта до и после процесса, Дж/(кг·К) ; t1, t2- начальная и конечная температуры продукта, оС ; D=

51

tконд- температура конденсата, оС; сконд- теплоемкость конденсата, Дж/(кг·К) ; Коэффициент испарения αи показывает отношение количества теплоты, отдаваемой 1кг греющего пара к количеству теплоты, затрачиваемой на образование 1кг вторичного пара и определяется: i1−cкондtконд (9.5) u i2 −c2t2

α =

С увеличением αи повышается эффективность работы вакуум-аппарата. Сушильные установки, применяемые в биотехнологическом производстве подразделяют на установки для сушки жидких препаратов на вальцовые и барабанные, распылительные дисковые и ленточные; для сушки твердых препаратов- барабанные и ленточные. При эксплуатации вальцовых сушилок возникает необходимость в расчете их производительности по испаренной влаге и определение тепла и пара, продолжительности сушки и толщины пленки. При расчетах вальцевых сушилок необходимо знать температуру испарения продукта на вальцах, которую измерить сложно, особенно температуру сушки. В связи с этим, для упрощения расчетов допускают, что температура кипения исходного продукта равна температуре испарения влаги из продукта. Температуру готового продукта принимают на 5-6оС меньшей температуры поверхности вальцов, которую считают на 5-8оС ниже температуры греющего пара. Из уравнения материального баланса вальцовых сушилок определяют количество испаренной влаги, кг: M 1 S1 = (M Г − W )S 2 = M 2 S 2 , (9.6) где М1- количество исходного продукта, кг; М2- количество готового продукта, кг; S1- содержание сухих веществ в исходном продукте, %; 52

S2- содержание сухих веществ в готовом продукте, %; Одним из основных показателей работы сушилки напряженность поверхности нагрева сушилки по испаренной влаге определяют по формуле: W , (9.7) T= FZ где Т- напряженность поверхности нагрева сушилки, (кг/м2); F- рабочая поверхность нагрева сушилки, м2; Z- продолжительность сушки, ч; Продолжительность нахождения продукта на вальцах или длительность сушки на вальцовых сушилках определяют: ϕ 30l , (9.8) Z= = ω πn в R где Z- длительность сушки, с; φ- угол, пройденный частицей высушиваемого продукта за время сушки на вальцах, рад; ω- угловая скорость движения вальцов, рад/с; ℓ- путь, пройденный частицей высушиваемой частицей по окружности, м; nв- частота вращения вальцов, мин-1(с-1); R- радиус барабана, м. Необходимую частоту вращения вальцов сушилки (с1 ) устанавливают по формуле: 30l (9.9) nв = RπZ Потребляемую мощность при работе вальцовой сушилки определяют:

Nв =

υLP(1 + µtgα ) 102η m

53

(9.10)

кВт;

где Nв- мощность, потребная на вращение вальцов,

ν- окружная скорость вращения вальцов, м/с; Р- сила, необходимая для снятия пленки шириной 1см (для микробных белковых препаратов Р=3,64 - 4,5 кг/см); L- суммарная длина ножей, см; µ- коэффициент трения между ножами и поверхностью вальцов(µ=0,1…0,2); α- угол наклона ножа (угол между ножом и касательной к окружности вальца, проведенной в точке прикосновения ножа к вальцу); ηм- коэффициент полезного действия приводного механизма (ηм=0,8…0,85). При распылительной сушке продукт распыляется и высушивается в атмосфере горячего воздуха. Обезвоживание продукта происходит в результате испарения влаги с поверхности в виде мельчайших капель. Основные расчеты и анализ устройств для распыления продукта в сушильной башне включают определение диаметра и количества капелек при распылении, скорость движения воздуха и мощность, затрачиваемую на работу диска. Диаметр капелек d (м) определяют: d = 98,5

10 3 n

α Rρ

,

(9.11)

где n- частота вращения диска, мин-1; α- поверхностное натяжение продукта, кг/м; R- радиус диска, м; ρ- плотность жидкости, кг/м3; Количество капелек К (шт), образовавшихся в процессе распыления, при условии что они одинакового диаметра, определяют по формуле:

54

9.3. Программа выполнения работы.

55

Расход греющего пара D, кг

6

7

8

5

6

7

4

56

Путь частицы ι,м

в готовом продукте S2

Угол пройден-ный частицей φ, град

3

Продолжительность сушки Z,ч

2

Рабочая поверхно-сть сушилки F,м

1

Содержание сухих веществ, % в исходном продукте S1

Количество продукта, кг готового М2

9.4. Методические указания по выполнению работы. 9.4.1. Работу начинают с изучения конструкции и принципа работы и правил эксплуатации вакуум-выпарных аппаратов и сушилок.

5

Коэффициент испарения αи

Таблица 9.2. Параметры вальцевой сушилки

исходного М1

9.3.1. Изучить правила эксплуатации вакуумаппаратов и вальцовых распылительных сушилок. 9.3.2. Ознакомиться с конструкцией аппаратов и сушилок. 9.3.3. Установить конструктивные и технологические параметры оборудования. 9.3.4. Выполнить расчеты и сделать анализ.

конечная t2 4

Количество испарен. влаги W, кг

2

Температура конденсата tконд , оС

1

Температур а продукта, о С начальная t1

Количество продукта, кг

готового G2

где Wи- производительность сушилки по испаренной влаге, кг/ч; При дисковом распылении мощность, затрачиваемую на работу диска, определяют: 2 2,25υ окр G N= , (9.14) 1000 * 2d * 3600 где N- мощность, кВт; νокр- окружная скорость вращения диска, м/с; d- диаметр диска, м; G- производительность сушилки по исходному продукту, кг/ч;

9.4.2. После чего выполняют эскизы оборудования с указанием основных узлов и деталей. 9.4.3. По техническим паспортам, измерениям устанавливают конструктивные и технологические параметры вакуум-выпарных аппаратов и сушилок, по которым производят расчеты согласно разделу 9.2. Полученные данные и результаты расчетов оформляют в табл. 9.1, 9.2, 9.3. Таблица 9.1. Параметры вакуум-выпарного аппарата

исходного G1

6 *10 3 * M , (9.12) πd 3 ρ где М- производительность сушилки по исходному продукту, кг/ч; Скорость движения воздуха νв(м/с) в сушильной башне определяют по формуле: υ в = 0,0127 Wu (9.13)

K=

8

9

Количество испаренной влаги W, кг

Напряженность поверхности нагрева Т, кг/м2·ч

11

12

10

Необходимая частота вращения nв, об/мин Мощность сушилки Nв, кВт

Частота вращения барабана n б, об/мин

Радиус барабана R, м

Продолжение табл.9.2.

13

14

2

3

4

6

7

Мощность диска N, кВт

5

Скорость воздуха νв, м/с

Количество капелек К, шт.

1

по испар. влаге W

по исх. продукту М

Частота Радиус Производительнос вращения диска ть сушилки, кг/ч диска n, R, м об/мин

Диаметр капелек d, м

Таблица 9.3. Параметры распылительной сушилки

Список литературы. 1.К.А.Калунянц и др. Оборудование микробиологических производств. - М.: Агропромиздат, 1987, с.397. 2.Липатов Н.Н. Руководство к лабораторным и практическим занятиям по курсу оборудования предприятий молочной промышленности. /Изд.2-ое, доп. И перераб. Учебное пособие для вузов по специальности «Технология молока и молочных продуктов»./-М.:1978, 287.

8

9.5. Отчет о работе

Отчет о лабораторной работе должен содержать: 9.5.1.Основные требования правил эксплуатации оборудования; 9.5.2.Эскизы оборудования с указанием узлов и деталей; 9.5.3.Таблицы с результатами измерений и расчетов; 9.5.4.Анализы и выводы.

57

58