Антипов С.Т. и др. Машины и аппараты пищевых производств. Книга 2. Том 2

Подождите немного. Документ загружается.

Глава 20 Аппараты для ведения процессов диффузии и экстракции 321

пищевых сред

Материал вначале поступает на перфорированные свободно вращающиеся пла-

стины 7, а затем на днище 5 ротора, благодаря чему уменьшаются давление выше-

лежащих слоев на нижележащие, и предотвращается уплотнение слоя. За счет рав-

номерного распределения по высоте камер перфорированных пластин 7 достигается

равный слой экстрагируемого материала между осями пластин 7, что уменьшает

слеживаемость слоя и повышает проницаемость слоя материала растворителем.

Перфорация пластин 7 позволяет растворителю равномерно распределяться по всей

площади камеры.

Угол между пластинами 7 составляет 120°. Это позволяет разгружать проэкс-

трагированный материал под действием силы тяжести в разгрузочное устройство.

По ходу движения материал орошается мисцеллами убывающей концентрации,

подающимися рециркуляционными насосами из мисцеллосборников 10 на оросите-

ли 11. Сборники 10 мисцеллы расположены таким образом, что мисцелла имеет

возможность перетекать по ним в сторону увеличения концентрации, что способст-

вует организации принципа противотока. Мисцелла, проходя через слой материала,

фильтруется из мелких частиц. При проходе камеры экстрактора над разгрузочным

устройством происходит выгрузка нижнего слоя материала из камеры, а затем и

верхнего слоя. Повышение производительности экстрактора достигается за счет

снижения уплотнения слоя, повышения проницаемости слоя для растворителя при

полностью заполненной камере экстрактора, увеличения стока жидкой фазы из слоя.

Экстрактор для растительного маслосодержащего сырья отличается тем, что с

целью повышения производительности он снабжен размещенными равномерно в

каждой камере, одно над другим, средствами для разуплотнения экстрагируемого

материала, каждое из которых представляет собой укрепленные на горизонтальной

оси между обечайкой с возможностью вращения под углом одна к другой перфори-

рованные пластины, причем угол между пластинами составляет 120°.

* # *

В этой главе наиболее важными являются следующие моменты.

Процесс извлечения растворимых веществ из клеток свеклы обуслов-

лен двумя стадиями процесса - диффузией вещества в ткани данного сырья

и массоотдачей с поверхности частиц к экстрагенту.

Коэффициент молекулярной диффузии отражает интенсивность

теплового движения молекул, а коэффициент конвективной диффузии -

интенсивность действия гидродинамических факторов.

Экстракция растительных масел ведется либо способом погружения

экстрагируемого материала в противоположно движущийся растворитель,

либо способом ступенчатого орошения растворителя противоточно пере-

мещающегося продукта.

4. Производительность диффузионных аппаратов преимущественно оп-

ределяется габаритными размерами транспортирующих органов, плотно-

стью диффундируемого материала и коэффициентом заполнения аппарата.

i;(k 710

322 Часть II Машины и аппараты-преобразователи

пищевых сред

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

В чем заключается сущность процесса экстракции и что является движущей силой диффузион-

ного процесса?

Какие основные требования должны быть выполнены при конструировании диффузионных ап-

паратов?

Какова классификация диффузионных аппаратов сахарного производства?

Чем диффузионные аппараты отличаются от экстракционных?

Что такое откачка диффузионного сока и чем она определяется?

6. По какому принципу работают экстракционные установки для получения спиртовых настоек и

морсов?

Каково устройство и каков принцип действия шнекового экстрактора НД-1250?

8. Каковы основные параметры технической характеристики экстрактора МЭЗ-350?

9. Нем отличаются одноколонные диффузионные аппараты КДА-30 и КДА-66?

10.

По какому режиму работает диффузионный аппарат КДА?

11.

Каково основное требование для надежной работы наклонного диффузионного аппарата?

12.

Каковы достоинства и недостатки наклонных диффузионных аппаратов?

13.

Как получают диффузионный сок в наклонном диффузионном аппарате?

14.

От каких параметров зависит длительность процесса диффундирования в диффузионном аппарате?

15.

Как устроен ротационный диффузионный аппарат типа РДА-59М?

16.

Чем отличаются расчеты производительности вертикального наклонного и ротационного диф-

фузионных аппаратов?

17.

В чем заключается предварительная подготовка воды для питания диффузионной установки?

18.

Каково устройство и каков принцип действия аппарата для экстракции желатина?

19.

Как работает аппарат для обезжиривания кости?

20.

Каков принцип обесклеивания костного шрота в диффузоре?

УПРАЖНЕНИЯ

Предложите в виде эскизов Ваши решения инженерных задач, связанных с развитием конструкций:

- аппаратов для получения диффузионного сока;

- установок для экстракции настоек и морсов;

- аппаратов для экстракции растительного масла;

- аппаратов для экстракции бульонов и желатина.

Эти решения должны предполагать совершенствование, модернизацию оборудования с целью дос-

тижения одного или нескольких следующих результатов:

- повышение производительности;

- повышение качества продукции;

- улучшение условий труда рабочего с точки зрения эргономики, техники безопасности и охраны

труда;

- экономию времени на санитарное обслуживание оборудования;

- экономию времени на техническое обслуживание оборудования;

- экономию энергоресурсов;

- экономию конструкционных материалов;

- повышение технологичности конструкции с точки зрения изготовления и ремонта;

- улучшение дизайна оборудования;

- снижение себестоимости продукции другими, кроме перечисленных выше, путями.

Вместе с этими, преимущественно машиноведческими, аспектами рассмотрите возможность раз-

вития конструкций машин и аппаратов с точки зрения повышения качества самих технологических про-

цессов, которые реализуются этим оборудованием. Речь идет об увеличении точности, устойчивости,

надежности, управляемости и стабильности технологических процессов, а также о снижении их чувст-

вительности к возмущающим факторам окружающей среды.

По результатам Вашей работы сделайте заключение о том, в какой мере Ваши предложения повы-

шают готовность машин и аппаратов к эффективной автоматизации данных технологических процессов.

Гипотезы - это леса, которые возводят перед зданием

и сносят, когда здание готово; они необходимы

для работника; он не должен только принимать

леса за здание.

ГЁТЕ ИОГАНН ВОЛЬФГАНГ (1749-1832),

немецкий

поэт,

мыслитель, естествоиспытатель

Глава 21

ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ВЕДЕНИЯ ПРОЦЕССА

КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ПИЩЕВЫХ СРЕД

Кристаллизация - процесс выделения твердой фазы в виде кристаллов из рас-

творов и расплавов. Кристаллизацией завершается производство сахара, глюкозы,

лимонной кислоты, поваренной соли, а также жировых смесей и жиросодержащих

эмульсий (масло сливочное, маргарины, кулинарные, хлебопекарные и кондитер-

ские жировые продукты).

Особенности процесса кристаллизации связаны с образованием центров кри-

сталлизации и ростом кристаллов. Образование центров кристаллизации в растворах

осуществляют двумя способами: созданием условий для их самопроизвольного об-

разования и вводом в раствор искусственных центров кристаллизации. Способность

жировых продуктов кристаллизоваться в значительной мере зависит от температуры

кристаллизации (плавления).

Кто знает мало и знает об этом, тот знает много.

СТЮАРТДУГАЛЬД (1753-1828),

английский философ и экономист

21.1 НАУЧНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОЦЕССА КРИСТАЛЛИЗАЦИИ

ПИЩЕВЫХ СРЕД

Переход вещества из раствора в твердую фазу осуществляется путем диффузии

растворенного вещества через пограничный слой, окружающий поверхность кри-

сталла. Скорость процесса кристаллизации может определяться скоростью диффу-

зии растворенного вещества через пограничный слой, либо скоростью слияния ве-

щества с телом кристалла, либо зависимостью от обеих стадий одновременно.

В процессе кристаллизации сахарозы кристаллы окружены пограничным слоем

межкристального раствора толщиной 5. Избыток молекул сахарозы из этого слоя

пересыщенного раствора быстро выделяется на поверхность кристаллов, и раствор

становится насыщенным с концентрацией сахарозы у

. На некотором расстоянии от

граней кристаллов в окружающем растворе сохраняется пересыщение с концентра-

цией сахарозы у„.

Вследствие разности концентраций (у„

—

) сахароза диффундирует через по-

граничный слой раствора. Приблизившись к граням кристаллов, молекулы сахарозы

переходят в кристаллическую решетку - происходит фазовый переход.

Скорость роста кристаллов можно выразить с помощью уравнения молекуляр-

ной диффузии

324 Часть II Машины и аппараты-преобразователи

пищевых сред

dM/dz = [DF(y„-y

)]/8,

где dM - количество вещества, выкристаллизованного в единицу времени dx; D -

коэффициент диффузии; F - площадь поверхности кристаллов, на которых выкри-

сталлизовывается вещество; у„ - концентрация вещества в объеме пересыщенного

раствора;

у„

- концентрация вещества у поверхности кристалла (принимается равной

концентрации раствора); 8 - толщина пограничного слоя раствора, в котором кон-

центрация изменяется от

у„

до

>>„.

После интегрирования получим уравнение вида

M = [D(y„-y

)Fx]/o,

тогда скорость кристаллизации будет равна

M/(Fx)=D{y

-y

)/6.

Толщина пограничного слоя при ламинарном характере обтекания кристалла

пересыщенным раствором

6_(p/vf

где р - динамическая вязкость насыщенного раствора; v - скорость движения кри-

сталла в растворе.

Согласно закону Стокса v = а зависимость коэффициента диффузии от аб-

солютной температуры Т и динамической вязкости р по Эйнштейну имеет вид D =

кТ1\а,

где к - постоянная величина, зависящая от природы диффундирующего веще-

ства, тогда

M/{Fx)=kT{y

-y

)/v

Основными факторами, определяющими скорость кристаллизации, являются

степень пересыщения раствора, температура, образование центров кристаллизации,

интенсивность перемешивания, наличие примесей в растворе.

Движущей силой процесса кристаллизации является величина отклонения сис-

темы от состояния равновесия, а направление процесса определяется изменением

избыточной свободной энергией Е, которой обладает раствор или его отдельные

компоненты. Свободную энергию, отнесенную к одному молю химически индиви-

дуального вещества, вводимого в систему или выводимого из нее, называют хими-

ческим потенциалом \х

. Ели раствор содержит п

молей сахарозы и п

молей воды,

то при постоянных давлении Р и температуре Г справедливы соотношения:

1Х

={дЕ/дп

)РТп

;

={дЕ1дп

)РТп

Тогда для раствора сахарозы

E =

+ИЛ>

а для одного моля раствора

где х

, х

- мольные доли сахара и воды.

Глава

Оборудование для ведения процесса

кристаллизации пищевых сред

325

Движущей силой процесса кристаллизации является разность химических по-

тенциалов молекул сахарозы в перенасыщенном ц" и насыщенном р" растворах:

Лр = р:-р?.

Химический потенциал сахара в растворе зависит от концентрации. Для насы-

щенного раствора

=4+RTlnC

где р" - стандартный химический потенциал при концентрации вещества в раство-

ре,

равной 1 моль/л.

Для пересыщенного раствора

=ц°+Л77лС„,

движущей силой кристаллизации будет

p"-p? =n°

+RTlnC/C

Кристаллизация лактозы осуществляется при производстве молочного сахара,

сгущенного молока, а также сухих молочных продуктов. Скорость, с которой рас-

творяются в воде различные кристаллические формы лактозы, а также их раствори-

мость, неодинаковы для различных форм. Кристаллографическая структура лактозы

относится к моноклинной сингонии и аксиальному виду симметрии.

Модель нестационарной кристаллизации лактозы можно представить в виде

системы дифференциальных уравнений:

=dN/dx; 0

=dA/dx;

=dM/dx; <P

=dT/d%,

где (P

, Ф

, Фм, Фт~ функции, связывающие независимое время т и исходные пере-

менные N, А, М, Тс производными последних; N - численная концетрация кристал-

лов,

кг"

; А - удельная площадь поверхности кристаллов, м

/кг; М - относительная

масса кристаллов; Г - абсолютная температура, К.

В модель входят соотношения для растчета среднего размера кристаллов L (мм)

-м,

jA/(p-N),

где С - относительная массовая концентрация гидрата кристаллизующегося вещества;

Со - начальное значение относительной массовой концентрации пересыщенного рас-

твора; М

- относительная масса затравки; р - поверхностный коэффициент формы.

Механизм образования центров кристаллизации (зарождение кристаллов) в

объеме переохлажденных жировых компонентов объясняется теорией гетерофазных

флуктуации вблизи точки плавления вещества. При охлаждении возникают местные

и временные флуктуации, которые представляют собой скопления с ориентирован-

ным расположением молекул. Состояние этих скоплений неустойчивое: наряду с

образованием наблюдается и их распад. Возникающее структурное образование

становится зародышем для роста кристалла.

326

Часть II Машины и аппараты-преобразователи

пищевых сред

Основные элементы жировых кристаллов строятся из расположенных друг воз-

ле друга молекул триглицерида с отличающейся модификацией кристаллов с раз-

личной температурой кристаллизации (плавления). В числе этих форм кристаллов

две являются метастабильными, их называют модификациями а и р", и одна ста-

бильная фаза - р.

Для жирового сырья и жировых продуктов следует учитывать наличие значи-

тельного числа жировых компонентов с различной температурой кристаллизации

(плавления), а также многообразие триглицеридного состава каждого жирового ком-

понента. Процесс кристаллизации связан с режимами полиморфного преобразования

и зависит от скорости охлаждения, а также скорости и степени кристаллизации.

Сущность процесса термомеханической обработки высокожирных сливок за-

ключается в изменении структуры продукта. Последовательность протекающих

процессов здесь можно представить в виде: охлаждения высокожирных сливок, ин-

тенсивного образования центров кристаллизации, отвердевания части жира, смены

фаз жировой эмульсии, разрушения кристаллов агрегатов жира и их равномерного

распределения по всей массе.

Кристаллизаторы могут быть периодического или непрерывного действия, причем

на предприятиях в основном используют кристаллизаторы периодического действия.

В качестве кристаллизаторов периодического действия часто используют уни-

версальные емкостные аппараты с рубашкой и мешалкой. В кристаллизаторе с ван-

ной открытого типа предусмотрены рубашка для хладоносителя и мешалка.

В кристаллизаторах непрерывного действия центры кристаллизации образуются

на охлаждаемой поверхности вращающегося полого вальца (барабана) в результате

понижения температуры нанесенной на нее пленки (раствора). Образовавшиеся кри-

сталлы удаляют с поверхности барабана неподвижным ножом.

Классификация оборудования для ведения процесса кристаллизации пищевых

сред приведена на рис. 21.1.

В основу классификации оборудования для ведения процесса кристаллизации

пищевых сред положены признаки, характеризующие различные процессы структу-

рообразования, в соответствии с которыми оборудование можно разделить на сле-

дующие группы:

- аппараты для кристаллизации сахарозы, к которым относятся вакуум-

аппараты, кристаллизаторы и помадовзбивальные машины, используемые в сахар-

ном и кондитерском производствах;

- аппараты для кристаллизации лактозы, к которым относятся кристаллизато-

ры-охладители, вальцовые кристаллизаторы и вакуум-охладители, используемые в

производстве молочного сахара, сгущенного молока и сухой молочной продукции.

Мне лично ощущение высшего счастья дают

произведения искусства. В них я черпаю такое ду-

ховное блаженство, как ни в какой другой области...

Достоевский дает мне больше, чем любой научный

мыслитель, больше, чем Гаусс.

ЭЙНШТЕЙН АЛЬБЕРТ (1879-1955),

физик-теоретик

21.2 КЛАССИФИКАЦИЯ ОБОРУДОВАНИЯ

Оборудование для ведения процесса кристаллизации пищевых сред

Аппараты для кристаллизации сахарозы

Аппараты для кристаллизации лактозы

Аппараты для кристаллизации жира

и жировой продукции

ел

рь

хлади

глизат

тгели

о я

р.

ато

акуум-о

овые

акуум-о

СТ£

Кр

Рис.

21.1 Классификация оборудования

для

ведения процесса кристаллизации пищевых сред

328

Часть II Машины и аппараты-преобразователи

пищевых сред

- аппараты для кристаллизации жира и жировой продукции, к которым можно

отнести маслоизготовители, маслообразователи, кристаллизаторы и декристаллиза-

торы, которые используются в маслоделии и в производстве различной жировой

продукции.

Вакуум-аппараты работают при давлении ниже атмосферного и предназначены

для уваривания утфелей. Форма корпуса вакуум-аппарата зависит от его конструк-

ции и бывает цилиндрической (с расширенной верхней частью), сферической или

прямоугольной с полукруглой крышкой. Греющие камеры вакуум-аппаратов могут

иметь различную конструкцию. Наибольшее распространение получили вакуум-

аппараты с подвесными греющими камерами, верхние и нижние трубные решетки

которых имеют различную конфигурацию (конические, сферические, двускатные и

др.).

Пар поступает в межтрубное пространство греющих камер, а увариваемый

продукт перемещается внутри труб.

Диаметр греющей камеры в большинстве конструкций вакуум-аппаратов мень-

ше диаметра корпуса аппарата, таким образом, между стенками греющей камеры и

корпусом вакуум-аппарата образуется кольцевое пространство, по которому цирку-

лирует утфель.

Сепарирующие устройства в вакуум-аппаратах, так же как и в выпарных аппа-

ратах, предназначены для отделения от вторичного пара капель продукта. Так как в

вакуум-аппаратах продукт имеет большую вязкость, то используются сепараторы

только инерционного типа, которые устанавливаются над утфельным пространством

в верхней части корпуса аппарата.

При выборе кристаллизационного оборудования необходимо учитывать кине-

тические особенности и массообменные закономерности процессов кристаллизации

жировых продуктов. В производстве жировой продукции различного назначения

широко применяются как промежуточные, так и базовые кристаллизаторы.

Наибольшее распространение получили маслообразователи цилиндрические

(обычно трехцилиндровые) и пластинчатые. Применяются также вакуум-

маслообразователи.

...работа настоящих исследователей -

это непрерывная и жестокая борьба

сомнениями.

ПИСАРЖЕВСКИЙ ОЛЕГ НИКОЛАЕВИЧ (1908-1964),

писатель, популяризатор науки

21.3.

ВАКУУМ-АППАРАТЫ

Уваривание утфеля I кристаллизации осуществляется в периодически дейст-

вующих вертикальных вакуум-аппаратах (кристаллизаторах) вместимостью 40, 60,

80 т. Полный цикл уваривания утфеля в вакуум-аппаратах состоит из четырех эта-

пов:

сгущение сиропа до заводки кристаллов, заводка кристаллов сахара, наращива-

ние кристаллов сахара, сгущение и выгрузка утфеля.

Утфели увариваются при температурах 70...80 °С при остаточном давлении в

надутфельном пространстве аппаратов около 0,015 МПа. Перепады температуры в

вакуум-аппаратах составляют 30...50 °С при обогреве паровых камер вторичным

паром выпарных установок и около 80 °С при обогреве свежим паром.

Вакуум-аппарат ПВА-400 (рис. 21.2, а) имеет цельносварной корпус 4, внутри

которого подвешены греющая камера 3 на опоре 9 и кронштейне 10 и ловушка-

Глава

Оборудование для ведения процесса

кристаллизации пищевых сред

329

сепаратор 7. В нижней части аппарата для спуска утфеля установлен клапан 1 с гид-

равлическим приводом 11, размещенных на днище 2. Под крышкой 6 установлена

труба кольцевая 5 для пропарки аппарата. Пар в греющую камеру 3 поступает через

штуцера 8 с мембранами

/3,

.которые прикреплены коническими патрубками 14 к

корпусу 12 греющей камеры.

Греющая камера (рис. 21.2, б) состоит из двух конических трубных решеток 3 и

8, в которые завальцованы трубы 5 и приварена циркуляционная труба 4. Штуцера с

мембранным устройством присоединены к фланцам 2, а аммиачные газы отводятся

при помощи оттяжек. Конденсат удаляется по трубе 1. Паровая камера в аппарате

подвешивается при помощи кронштейнов 6. Между корпусом 7 греющей камеры и

корпусом аппарата имеется кольцевое пространство для циркуляции утфеля.

Б-Б

А-А

Рис.

21.2 Вакуум-аппарат ПВА-400:

общий вид;

б -

греющая камера;

в -

спускное устройство

Спускное устройство для утфеля представлено на рис. 21.2, в. Состоит оно из

корпуса 6 с днищем 5, запорного клапана 13, штуцера 14, штока 9 с поршнем 2, гид-

роцилиндра 1 и привода для клинового стопора 16. Клапан установлен на штоке 3

при помощи шарообразной пяты 12 и втулки 11. Такое соединение способствует

самоустановлению клапана и обеспечению плотности между проточенной частью

буртика клапана и уплотнением 10. Для того чтобы шток 9 и поршень 2 гидропри-

II*

!ак 7111

330

Часть II Машины и аппараты-преобразователи

пищевых сред

вода 77 не поворачивались вокруг вертикальной оси при подъеме и опускании кла-

пана, направляющая втулка 7 имеет паз, а к штоку прикреплена длинная шпонка 8,

которая перемещается в пазу направляющей втулки. В период уваривания утфеля в

вакуум-аппарате рабочий цилиндр гидропривода не должен находиться под давле-

нием, и клапан необходимо жестко стопорить. Для этого на штоке клапана установ-

лена гайка 75 со скосом, под которую заходит клиновой стопор, который при помо-

щи шарнира соединен со штоком 3, приводимым в движение поршнем, установлен-

ным в гидроцилиндре 4.

в)

Рис.

21.2 (Продолжение)

Техническая характеристика аппарата типа ГТВ А-400

Полезный объем аппарата, м 28

Масса утфеля, сваренного за одну варку, т 40

Диаметр аппарата (внутренний), мм 3800

Высота аппарата, мм 7565

Диаметр греющей камеры, мм 3434

Площадь поверхности нагрева греющей камеры, м

200

Рабочее давление, МПа:

в вакуум-аппарате 0,093

в греющей камере 0,3

Давление в гидроцилиндрах спускного устройства, МПа 1,0

Масса, кг 19 697

Вакуум-аппараты типов ВАЦ, ЯВА и ВАР различаются лишь конструкцией

греющей камеры. Греющая камера аппарата ВАЦ-600-700 изображена на рис. 21.3, а

и состоит из двух частей - наружной 4 и внутренней 5. Продукт подводится в грею-