Технологическая схема пастеризации

Реферат

Пояснительная записка 20 страниц, 1 рисунок, 10 источников. Теплопередача, теплообменник, температура, теплоотдача, поверхность.

Объектом исследования является кожухотрубчатый теплообменник и теплообменный аппарат для нагревания и охлаждения цельного молока.

Цель работы: рассчитать и подобрать оптимальное число  труб 25×2 мм, обеспечивающих объемный расход молока при Re˃, и величину площади поверхности теплообмена. По полученным данным подобрать теплообменник.

В результате проведенной  работы рассчитан и подобран шестиходовой теплообменник поверхностью 46; четырехходовой теплообменник поверхностью 97. 

Содержание

Введение…………………………………………………...…………………..……..5

1. Физико-химические свойства………………………………………….…………7

2. Технологическая схема и ее описание…………………………………………..9

3. Технологические расчеты……………………………………………….………10

3.1. Расчет горизонтального кожухотрубчатого теплообменника……….10

3.2. Расчет теплообменного аппарата………………………………….…...13

       Заключение……………………………………………………………………..…...18

Список литературы…………………………………………………………..…….19

 

Введение

Процесс пастеризации представляет собой доведение температуры  продукта до определенного технологическими требованиями значения и выдержке его  при этой температуре некоторое  время, а также последующее охлаждение продукта до температуры хранения.

По виду рабочего цикла  пастеризаторы можно разделить  на периодические (дискретные) и непрерывного действия. Пастеризаторы дискретного действия ввиду больших эксплуатационных затрат редко применяются в промышленности, например, автоклавы в консервной промышленности. Пастеризаторы непрерывного действия широко применяются в молочной, соковой, пивоваренной промышленности. Пастеризаторы дискретного действия в настоящий момент широко используются при производстве кетчупов.

По типу обрабатываемого  сырья пастеризаторы можно разделить  на пастеризаторы жидкостей, паст и  пастеризаторы заключенной в  тару продукции.

По типу условий пастеризации - на асептические (стерильные) и неасептические (нестерильные). Асептические пастеризаторы можно разделить на пастеризаторы с непосредственным нагревом продукта (обычно стерильным паром), и с нагревом продукта с помощью теплообменного агрегата ("горячий контур"). В пастеризаторах с непосредственным нагревом продукта охлаждение продукта производится в вакуумных камерах (деаэраторах), в пастеризаторах с нагревом продукта с помощью теплообменного агрегата - в секции регенерации теплообменника (не всегда, встречаются конструкции в которых охлаждение производится оборотной/ледяной водой)

Часто пастеризатор, как  технологическая установка, используется для изменения каких либо свойств продукта. В составе пастеризатора может быть гомогенизатор, деаэратор, сепаратор и нормализатор жирности (применительно к молоку), бактофуга и некоторое другое оборудование. Современные пастеризаторы являются высокоавтоматизированными установками, построенными на базе стандартов S88 и S95.

 

1. Физико-химические свойства сырья

                                                   Молоко

Молоко характеризуется  следующими основными физико – химическими показателями: общей (титруемой) и активной кислотностью, плотностью, вязкостью, поверхностным натяжением, осмотическим давлением, температурой замерзания, электропроводностью, диэликтрической постоянной, температурой кипения, светопреломления. По изменению физико – химических свойств можно судить о качестве молока.

Титруемая кислотность является важнейшим показателем свежести молока. Она показывает концентрацию составных частей молока, имеющих кислотный характер. Она выражается в градусах Тернера (Т˚) и для молока составляет 16 – 18 Т. Основными компонентами молока, обуславливающими титруемую кислотность, являются кислые фосфорнокислые соли кальция, натрия, калия, лимоннокислые соли, углекислота, белки.

Активная кислотность (рн) определяется концентрацией водородных ионов, является одним из показателей качества молока. Для свежего молока рн находится в пределах 6,4 – 6,7 т.е. молоко имеет слабокислую реакцию.

Плотность молока – это  отношение массы молока при температуре 20˚С к массе того же объема воды при температуре 4˚С. Плотность молока находится в пределах 1,027 – 1,032 .

Осмотическое давление молока составляет около 0,74 Мпа.

Температура замерзания как и осмотическое давление, молока практически не меняется. Поэтому по криоскопической температуре можно судить о фальсификации молока.

Криоскопическая  температура молока ниже нуля и составляет в среднем от -0,54 до -0,55˚С.

Вязкость молока почти  в 2 раза больше вязкости воды и при 20˚С составляет 1,67 – 2,18 сП для разных видов молока. Наибольшее влияние на вязкость оказывают количество и дисперсность молочного жира и состояние белков.

Поверхностное натяжение  молока приблизительно на 1/3 ниже поверхностного натяжения воды. Оно зависит от содержания жира и белков.

Оптические свойства (светопреломление) молока выражают коэффициентом рефракции, который составляет 1,348.

Коэффициент светопреломления зависит от содержания сухих веществ, поэтому по нему контролируют СОМ  О, содержание белка и определяют йодное число методами рефрактометрии.

Диэлектрическая постоянная молока определяется качеством и  энергией связи влаги. Для воды она равна 81, для молочного жира – 3,1 – 3,2.

Температура кипения молока немного выше температуры кипения воды и составляет 100,2˚С.

Молоко - плохой проводник  электричества. Удельная электропроводность молока в среднем составляет 46× с колебаниями от 30×. Ее обуславливает главным образом ионы кальция, натрия, калия и  др.

 

2. Технологическая схема и ее описание

Технологическая схема пастеризации представлена на рисунке 2.1. Из емкости Е1 с помощью насоса молоко в горизонтальный кожухотрубчатый подогреватель с t=18˚Cи нагревается до t=70˚Cза счет греющего пара который поступает из магистрального трубопровода, конденсат пара уходит в линию конденсата и возвращается на ТЭЦ.

Рисунок 2.1. Технологическая схема пастеризации: Е1, Е2 – емкость; П – подогреватель; Х – холодильник; Н – насос; Д – диафрагма; Г – градирня; ВР - вентиль регулирующий; В3 - вентиль запорный

Нагретое молоко t=70˚C, поступает в холодильник, где охлаждается до t=20˚C, водой с ˚С и . Нагретая вода поступает в градирию, где охлаждается и возвращается в процесс. Молоко поступает в емкость Е2 и насосом направляется на разлив.

 

3. Технологические расчеты

Проект установки для  пастеризации молока производительностью 3.

Исходные данные: в пастеризаторе молоко нагревается от 18˚С до 70˚С; давление греющего пара 1атм; в холодильнике молоко охлаждается до 20˚С водой с температурой .

3.1. Расчет горизонтального кожухотрубчатого теплообменника

Рассчитываем горизонтальный кожухотрубчатый теплообменник для нагрева 3кг/с молока от 18 до 70˚С. Греющий водяной насыщенный пар имеет абсолютное давление р=1атм.В водяном паре содержится 0,5% воздуха. Температура конденсации водяного пара tконд=99,1˚С

Температурная схема

99,1-99,1;

18-70;

Δtм=81,1;    Δtб=29,1.

Так как отношение Δtб/Δtм ‹ 2,средняя разность температур рассчитывается по формуле

                 (3.1)

Средняя температура молока

                        (3.2)

Объемный расход молоко

                (3.3)

Где p=1027 плотность молока при 46,9˚С

Расход теплоты на нагрев молока

       (3.4)

где

расход сухого греющего пара с учетом 5% потерь теплоты

                                (3.5)

Где r.

Ориентировочно определяем максимальную величину площади поверхности теплообмена. Минимальное значение коэффициента теплопередачи для случая теплообмена от конденсирующегося пара органических веществ к воде(конденсаторы, подогреватели

 При этом

                                (3.6)

Определение скорости молока. Для обеспечения турбулентного  течения молока при Re>10000 скорость в трубах должна быть больше

                        (3.7)

Где динамический коэффициент вязкости молока при 46,9˚С.

Число труб 25×2 мм, обеспечивает объемный расход молока приRe>10000

                        (3.8)

Условию n<15 и F<23удовлетворяет шестиходовой теплообменник диаметром кожуха 600мм, числом труб на один ход 196/6=33

Расчет коэффициента теплоотдачи  для молока

Уточняем значение критерия Рейнольдса

                    (3.9)

Критерий Прандтля для  молока при 46,9˚С

                  (3.10)

Расчет критерия Нуссельта

                 (3.11)

                (3.12)

Коэффициент теплоотдачи  при конденсации водяного пара на пучке горизонтальных труб рассчитывается по формуле

                           (3.13)

Где ε – коэффициент , для шахматного расположения труб в пучке и при числе рядов труб по вертикали e=0,6;

-коэффициент, зависящий от содержания воздуха в паре

;

Задаемся длинной труб L=3м. Если по окончании расчета будет принята другая длинна труб , то расчет необходимо скорректировать. Имеем

                            (3.13)

Принимаем тепловую проводимость загрязнений со стороны греющего пара , со стороны молока .

Коэффициент теплопроводности стали . Тогда

                          (3.14)

Коэффициент теплопередачи

                     (3.15)

Расчетная площадь поверхности  теплообмена

                                 (3.16)

Коэффициент теплоотдачи >,поэтому расчетным диаметром при определении поверхности следует принимать внутренний диаметр труб d=0,021 м. Аппарат с L=3м имеет площадь поверхности теплообмена . Такой теплообменник имеет большой запас, поэтому рассмотрим теплообменник с длинной трубы L=2м, но при этом необходимо пересчитать коэффициент теплоотдачи и коэффициент теплоотдачи К;

                           (3.17)

                              (3.18)

Коэффициент теплопередачи  не изменился. Поверхность теплообмена  F=3,14теплообменник имеет запас поверхности

К установке принимаем  шестиходовой теплообменник диаметром кожуха 600мм, диаметром трубы25×2мм, числом труб n=196,поверхностью 46

3.2. Расчет теплообменного аппарата

Рассчитываем теплообменный аппарат для охлаждения молока. Расход молока 3. Охлаждающий агент вода. Начальная и конечная температуры молока Начальная и конечная температуры воды .

Температурная схема

                                                        70-20    

            36-14

             

Средняя разность температур

                        (3.1)

Средняя температура молока

                  (3.18)

Средняя температура воды

                          (3.2)

Количество теплоты отнимаемой от молока с учетом потерь тепла  в размере 5%, равно

Q=1,05       (3.19)

Где

Расход воды равен

                             (3.20)

Где

Определение объемных расходов воды и молока

                               (3.21)

Где

Объемный расход воды равен

                              (3.22)

Где

Подбор теплообменных  аппаратов. Ориентировочно определяем максимальную величину площади поверхности  теплообмена. Минимальное значение коэффициента теплопередачи для  случая теплообмена от жидкости к  воде При этом

                           (3.6)

Для обеспечения турбулентного  течения воды при скорость в трубах должна быть больше

                          (3.7)

Где динамический коэффициент вязкости воды при 28,5˚С

Число труб диаметром 25×2мм, обеспечивающих объемный расход воды при Re>10000

                              (3.8)

Условию n<50 и F<72 удовлетворяет четырехходовой теплообменник диаметром корпуса 600мм с числом труб на один ход трубного пространства n=206/4=51,5

Уточняем 

                    (3.9)

Для переходного режима вид  критериального уравнения

                            (3.23)