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

Подождите немного. Документ загружается.

Глава

Оборудование для ведения процесса

кристаллизации пищевых сред

361

Рис.

21.18 Устройство для вакуумного концентрирования жидкости с дуговыми излучателями

Рис.

21.19 Устройство для вакуумного концентрирования жидкости с линейными излучателями

Рис.

21.20 Устройство для вакуумного концентрирования жидкости с излучателями

в виде сектора цилиндрической поверхности

12*

)ак 710

362

Часть II Машины и аппараты-преобразователи

пищевых сред

На рис. 21.18. изображено предлагаемое устройство с дуговыми излучателями; на

рис.

21.19. - устройство с линейными излучателями; на рис. 21.20. - устройство с излу-

чателем в виде сектора цилиндрической поверхности.

Устройство для вакуумного концентрирования жидкостей в непрерывном пото-

ке содержит горизонтально расположенный цилиндрический корпус 1 с входным 2

и выходным 3 патрубками для продукта и патрубком 4 отвода пара, горизонтальный

приводной вал 5 с закрепленными на нем дисками б, выполненными с одинаковым

диаметром и толщиной, увеличивающейся к оси приводного вала 5, и установлен-

ными с образованием ломаной поверхности, С-образные перегородки 7, установ-

ленные в нижней части корпуса 1 между дисками б, и нагреватель, выполненный в

виде одного или нескольких источников 8 инфракрасного излучения.

Диски 6 образуют поверхность, удовлетворяющую уравнению, гарантирующую

равномерную освещенность при данной конфигурации и размещении источников 8

инфракрасного излучения. При выполнении источников 8 инфракрасного излучения

линейными и параллельными оси вала 5 диски 6 образуют поверхность, удовлетво-

ряющую уравнению, также гарантирующую равномерную освещенность. При вы-

полнении источника 8 инфракрасного излучения в виде части соосной валу 5 ци-

линдрической поверхности диски 6 образуют равномерно освещенную поверхность,

удовлетворяющую уравнению. Внешняя кромка дисков 6 выполнена заостренной с

углом а при вершине не меньше 10°, а при наличии излома во впадинах дисков б

угол (р при их вершине - не меньше 160°. На рис. показаны диски б, образующие

впадины с гладким профилем. На рис. показаны диски 6 с убывающей по направле-

нию от входного патрубка 2 к выходному патрубку 3 максимальной толщиной.

Концентрируемую жидкость, например молоко, подают в корпус 1 по патрубку

где она перемещается по каналу, образованному дисками 6 и С-образными пере-

городками 7. При вращении дисков 6 приводным валом 5 за счет смачивания по-

верхностей дисков 6 концентрируемая жидкость в виде тонкой пленки на их по-

верхности поступает в верхнюю часть корпуса 1. На части траектории перемещения

пленки жидкость подвергается воздействию источников инфракрасного излучения

8, что приводит к нагреву жидкости в тонкой пленке до температуры кипения наи-

более легкой фракции, например воды, и ее выпариванию. Выполнение дисков 6 с

образованием поверхности в зависимости от формы выполнения источников 8 ин-

фракрасного излучения обеспечивает равномерную освещенность этой поверхности

и, соответственно, равномерный нагрев жидкости в пленке и равномерное выпари-

вание по всей площади пленки отгоняемой фракции, исключающие первоочередное

упаривание жидкости на любом участке и образование золы локального перегрева

после полного испарения отгоняемой фракции, что особенно важно при концентри-

ровании термолабильных веществ, таких как молоко, локальный перегрев которого

может привести к коагуляции белка и потере потребительских свойств; экстракты

чая и кофе, локальный перегрев которых приводит к потере вкусо-ароматических

веществ и снижению органолептических показателей и биологической ценности;

вина, локальный перегрев которых приводит к потери крепости, вкусо-

ароматических и биологически активных веществ, искажению цветности и сниже-

нию их потребительских качеств; растительные и природные масла, локальный пе-

регрев которых приводит к окислению и ухудшению качества, смеси природных

углеводородов, локальный перегрев которых может привести к самовоспламенению.

Глава

Оборудование для ведения процесса

кристаллизации пищевых сред

363

Обработанная излучением пленка возвращается в основную массу обрабатываемой

жидкости и за счет высоких тангенциальных напряжений в зазоре между дисками 6

и перегородками 7 эффективно с ней перемешивается, обеспечивая равномерный

нагрев продукта по всему объему. Выпаренная газовая фаза отводится из корпуса 1

по патрубку 4, разряжение в котором определяет температуру кипения отгоняемой

фракции жидкости и необходимый энергоподвод для ее испарения. По мере пере-

мещения по корпусу 1 жидкость многократно обрабатывается в тонкой пленке до

заданной расходом, частотой вращения вала 5 и удельным энергоподводом от ис-

точников 8 концентрации. При значительном упаривании целесообразно выполнять

диски 6 с уменьшающейся от патрубка 2 к патрубку 3 максимальной толщиной, что

уменьшает проходное сечение канала для обрабатываемого продукта и исключает

снижение линейной скорости перемещения концентрата и образование застойных

зон.

Полученный концентрат отводится из корпуса / по патрубку 3.

Устройство для вакуумного концентрирования жидкостей в непрерывном потоке

отличается тем, что оно снабжено С-образными перегородками, установленными в

нижней части корпуса между дисками, нагреватель выполнен в виде, по меньшей ме-

ре,

одного источника инфракрасного излучения, установленного на внутренней по-

верхности в верхней части корпуса, а диски выполнены толщиной, увеличивающейся

к оси приводного вала, и установлены с образованием ломаной поверхности; отлича-

ется тем, что источники инфракрасного излучения установлены в плоскостях, пер-

пендикулярных оси вала, и выполнены по дугам, соосным с дисками; отличается

тем, что диски образуют поверхность, удовлетворяющую уравнению в декартовых

координатах; отличается тем, что источники инфракрасного излучения установлены

параллельно оси вала и выполнены линейными; отличается тем, что диски образуют

поверхность, удовлетворяющую уравнению в декартовых координатах; отличается

тем, что источник инфракрасного излучения выполнен в виде части цилиндрической

поверхности, соосной с валом; отличается тем, что диски образуют поверхность

удовлетворяющую уравнению в декартовых координатах; отличается тем, что кром-

ки дисков выполнены заостренными; отличается тем, что диски выполнены так, что

образуют поверхность с углом при вершине изломов на гребнях профиля не менее

10°;

отличается тем, что диски выполнены так, что образуют поверхность с гладким

профилем впадин, отличается тем, что диски выполнены так, что образуют поверх-

ность с изломом профиля во впадинах.

Маслообразователь непрерывного действия (А.с. № 741829, А01 J15/12) от-

носится к оборудованию молочной промышленности, в частности к маслообразова-

телям непрерывного действия.

На рис. 21.21 изображен предлагаемый маслообразователь, поперечный разрез

обоих цилиндров; на рис. 21.22 - то же, продольный разрез по обрабатывающему

теплообменному цилиндру.

Маслообразователь содержит цилиндры 1 и 2, закрепленные на станине 3, в ко-

торой размещен привод. Цилиндр 2 включает корпус 4, снабженный рубашкой 5,

тепловой изоляцией 6, крышкой 7 с входным и выходным патрубками соответст-

венно 8 и 9, и вытеснительный барабан с ножами-скребками 11. Вытеснительный

барабан выполнен коническим и снабжен отражательными лопастями 12, укреплен-

ными на внутренней поверхности конуса, лопастной мешалкой 13, установленной

по его оси, и текстурационной перфорированной камерой 14 для выхода готового

продукта. Вытеснительный барабан 10 и лопастная мешалка 13 связаны с приводами

364

Часть II Машины и аппараты-преобразователи

пищевых сред

при помощи разъемных соединений 75 и 16. Герметичность продуктовой полости

обеспечивается уплотнением 77. Полость между цилиндром и конусом дополнена

теплоизоляционным материалом 75.

Высокожирные сливки, предварительно охлажденные в цилиндре 7, поступают

в цилиндр 2 через входной патрубок 8. Охлаждающая жидкость подается в рубашку

которая снабжена тепловой изоляцией 6. При движении в кольцевом зазоре меж-

ду корпусом 4 и вытеснительным барабаном 10 продукт охлаждается, соскребается

и перемешивается ножами-скребками 77. Охлажденный до температуры кристалли-

зации молочного жира продукт поступает внутрь вытеснительного барабана, где

перемешивается и продвигается последовательно между отражательными лопастями

12 и лопастями мешалки 13. Готовое сливочное масло выходит через текстурацион-

ную камеру 14 и выходной патрубок 9 в крышке 7. Теплоизоляционный материал 18

исключает нагрев готового масла вновь поступающими в цилиндр массами продукта.

18 , 15 Ю 17

Рис.

21.21 Маслообразователь

2 I

Рис.

21.22 Продольный разрез по обрабатывающему теплообменному цилиндру

Маслообразователь непрерывного действия отличается тем, что, с целью по-

вышения производительности интенсификация теплообмена и снижения металло-

емкости, вытеснительный барабан последнего по ходу технологического процесса

цилиндра выполнен коническим и снабжен лопастной мешалкой, установленной по

его оси, отражательными лопастями, жестко укрепленными на внутренней поверх-

ности конуса, а также текстурационной перфорированной камерой, расположенной

на выходном участке конического барабана коаксиально валу мешалки.

Глава

Оборудование для ведения процесса

кристаллизации пищевых сред

365

* * *

В этой главе наиболее важными являются следующие моменты:

Образование центров кристаллизации в растворах осуществляют либо

созданием условий для их самопроизвольного образования, либо вводом

раствор

искусственных центров кристаллизации.

Движущей силой процесса кристаллизации является величина отклоне-

ния системы от состояния равновесия, а направление процесса определяется

изменением избыточной свободной энергии.

Оборудование

для ведения

процесса кристаллизации

пищевых сред представляет

собой аппараты для кристаллизации

сахарозы,

лактозы и

жира

(жировой

продукции).

4. Инженерные расчеты приведенных аппаратов для кристаллизации пи-

щевых сред дают возможность проектировать и создавать технику будущего.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

Дайте определение процесса кристаллизации пищевых сред.

Что является движущей силой процесса кристаллизации пищевых сред?

Чем объясняется механизм образования центров кристаллизации в объеме переохлажденных жировых

компонентов?

Какими основными факторами определяется скорость кристаллизации?

В чем заключается сущность процесса термодинамической обработки высокожирных сливок?

6. Какая существует классификация оборудования для ведения процесса кристаллизации пищевых сред?

Приведите сравнительную характеристику и принцип действия маслоизготовителя и маслообразователя.

8. Как рассчитать производительность сбивателя и текстуратора в маслоизготовителе?

9. Для чего применяется кристаллизатор с компенсирующим устройством?

10.

Дайте анализ промышленных кристаллизаторов, используемых в современных линиях производства

жиросодержащих продуктов.

11.

Как рассчитать степень кристаллизации молочного жира и сливок?

12.

Рассчитайте массу выкристаллизовавшегося сахара в помадосбивальной машине.

13.

Из каких этапов состоит полный цикл уваривания утфеля в вакуум-аппарате?

14.

Дайте сравнительную характеристику вакуум-аппартов (кристализаторов).

15.

Из каких составляющих складывается материальный баланс вакуум-аппарата?

16.

Опишите принцип действия кристаллизатора-охладителя для кристализации мальтозы.

17.

Как осуществляется периодический способ кристаллизации сгущенных молочных консервов с сахаром?

18.

Приведите расчет количества влаги, испарившейся во время кристаллизации.

19.

Как подбирают оборудование для кристаллизации молочного сахара?

УПРАЖНЕНИЯ

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

- вакуум-аппаратов;

- кристаллизаторов;

- помадосбивальных машин;

- кристаллизаторов-охладителей;

- вальцовых кристаллизаторов;

- вакуум-охладителей;

- маслоизготовителей;

- маслообразователей;

- декристализаторов.

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;

366

Часть II Машины и аппараты-преобразователи

пищевых сред

- повышение технологичности конструкции

точки зрения изготовления

ремонта;

- улучшение дизайна оборудования;

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

Вместе

этими, преимущественно машиноведческими, аспектами рассмотрите возможность раз-

вития конструкций машин

аппаратов

точки зрения повышения качества самих технологических про-

цессов, которые реализуются этим оборудованием. Речь идет

об

увеличении точности, устойчивости,

надежности, управляемости

стабильности технологических процессов,

также

снижении

их

чувст-

вительности

возмущающим факторам окружающей среды.

По результатам Вашей работы сделайте заключение

том,

какой мере Ваши предложения повы-

шают готовность машин

аппаратов

эффективной автоматизации данных технологических процессов.

ТРУДОЛЮБИВЫЙ МЕДВЕДЬ

(басня)

Увидя, что мужик, трудяся над дугами,

Их прибыльно сбывает с рук

(А дуги гнут с терпеньем и не вдруг),

Медведь задумал жить такими же трудами.

Пошел по лесу треск и стук,

И слышно за версту проказу.

Орешника, березняка и вязу

Мой Мишка погубил несметное число,

А не дается ремесло.

Вот идет к мужику он попросить совета

И говорит: «Сосед, что за причина эта?

Деревья-таки я ломать могу,

А не согнул ни одного в дугу.

Скажи, в чем есть тут главное уменье?» -

«В том, - отвечал сосед, -

Чего в тебе, кум, вовсе нет:

В терпенье».

Крылов Иван Андреевич

(1749

1844), русский писатель,

баснописец, журналист, сатирик

Главное,

делайте все с увлечением,

это украшает жизнь.

ЛАНДАУ ЛЕВ ДАВИДОВИЧ (1908-1968),

физик-теоретик, академик

АН

СССР

Глава

ОБОРУДОВАНИЕ

ДЛЯ

ВЕДЕНИЯ ПРОЦЕССА

РЕКТИФИКАЦИИ ПИЩЕВЫХ СРЕД

Ректификация

процесс разделения жидких летучих смесей

на

компоненты

или группы компонентов (фракции) путем многократного двустороннего тепло-

массообмена между противоточно движущимися паровым

жидкостным потоками.

Необходимое условие процесса ректификации

различная летучесть (упругость

пара) отдельных компонентов.

При

взаимодействии противоточно движущихся

по-

токов

процессе ректификации происходит диффузия легколетучего компонента

из

жидкости

пар

труднолетучего компонента

из

пара

жидкость. Способ контакти-

рования потоков может быть ступенчатым

(в

тарельчатых колоннах)

или

непрерыв-

ным

(в

насадочных колоннах).

Считай несчастным тот день или тот час,

в который ты не усвоил ничего нового

и ничего не прибавил

своему образованию.

КОМЕНСКИЙЯН АМОС (1592-1670),

чешский мыслитель-гуманист, педагог,

писатель,

основоположник дидактики

22.1 НАУЧНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОЦЕССА РЕКТИФИКАЦИИ ПИЩЕВЫХ СРЕД

Диффузионный процесс массообмена

при

ректификации определяется площа-

дью поверхности контакта

фаз F

(м

), средней движущей силой процесса АС (кг/кг)

и коэффициентом массоотдачи, отнесенным

к 1 м

поверхности фазового контакта,

К [кг/(м

-с)].

При

этом количество вещества, перешедшего

из

одной фазы

другую,

М (кг/с) определяется

как

М = KFAC.

При достаточно большом пути контакта противоположно движущихся потоков

по

ректификационной колонне можно получить

конечном итоге пар, обогащенный лег-

колетучим компонентом, конденсация которого дает дистиллят,

а из

нижней части

ко-

лонны отводится кубовый остаток, представляющий собой труднолетучий компонент.

Жидкостный поток

колонне (флегма) образуется

результате частичной кон-

денсации пара, выходящего

из

верхней части колонны,

или

вводится

колонну

виде питания. Отношение количества флегмы /(кг)

количеству дистиллята

D (кг)

называется флегмовым числом

= f/D

= {G-D)/D,

где

G -

количество пара, выходящего

из

колонны,

кг.

368

Часть II Машины и аппараты-преобразователи

пищевых сред

Флегмовое число может изменяться от 0 до со. При / = 0 полностью выводится

и не возвращается в колонну. При/= со весь конденсат пара, выходящего из колон-

ны,

полностью поступает на орошение колонны.

Летучесть отдельных компонентов разделяемой смеси характеризуют коэффи-

циентом испарения к = у/х (отношение мольной доли данного вещества в паровой

фазе у к мольной доле его в жидкой фазе х при условии, что рассматриваемые фазы

бинарной смеси находятся в равновесном состоянии).

При атмосферном давлении нераздельно кипящая смесь системы этанол - вода

содержит 97,2 об. % (95,57 масс. %) этанола при температуре кипения 78,15 °С. При

том же давлении температура кипения этанола равна 78,3 °С, а воды - 100 °С. При

повышении давления растворы с низкой концентрацией спирта (примерно до

30...40 масс. %) образуют пары с большим содержанием спирта, а растворы с высо-

кой концентрацией спирта - пары с меньшим содержанием спирта.

Уравнение материального баланса ректификационной колонны по всему про-

дукту имеет вид

М = D + R ,

где М, D и R - соответственно количество исходного продукта, дистиллята и остат-

ка, кг или Кмоль;

по одному из компонентов (чаще легколетучему)

МХ

+RX

где Х

, Хр и XR - содержание компонента соответственно в исходном продукте, дис-

тилляте и остатке, масс. % или мол. %.

Совместное решение этих двух уравнений позволяет установить связь между

количеством сырья, выходом верхнего и нижнего продукта и их концентраций.

При кипении смеси в пар переходит разное количество компонентов. Быстрее

переходит в пар легколетучий компонент, и медленнее - труднолетучий. Таким об-

разом, образующийся пар обогащается легколетучим компонентом, а при его кон-

денсации будет получена жидкая смесь с повышенным содержанием легколетучей

низкокипящей жидкости. В соответствии с первым законом Коновалова пар, нахо-

дящийся в равновесии с раствором, всегда содержит в избытке тот компонент, при-

бавление которого к раствору понижает температуру кипения.

При определенной концентрации смеси имеют постоянную, максимальную или

минимальную температуру кипения. Такие смеси получили название азеотропных

или нераздельно кипящих, для которых справедлив второй закон Коновалова, в со-

ответствии с которым при постоянной минимальной или максимальной температуре

кипения состав равновесного пара над смесью равен составу жидкости.

Идеальные смеси следуют закону Рауля: парциальное давление каждого компо-

нента, например парциальное давление РА компонента А, пропорционально моль-

ной доле х

этого компонента в жидкости

РЛ=РЛ-ХЛ>

•

где р\ - коэффициент пропорциональности, равный давлению насыщенного пара

компонента А при данной температуре.

Глава 22 Оборудование для ведения процесса

ректификации пищевых сред

369

При изменении давления в системе изменяются условия равновесия. Эти измене-

ния подчиняются первому закону Вревского, по которому при повышении давления и

температуры кипения смеси в паре возрастает относительное содержание того компо-

нента, испарение которого связано с необходимостью большей затраты энергии.

Второй закон Вревского утверждает, что при повышении давления и темпера-

туры смесей, имеющих максимум давления в азеотропной смеси, возрастает относи-

тельное содержание того компонента, испарение которого связано с необходимо-

стью меньшей затраты энергии. При повышении давления и температуры кипения

смесей, имеющих минимум давления в азеотропной смеси, возрастает относитель-

ное содержание того компонента, испарение которого связано с необходимостью

меньшей затраты энергии.

Да, я мудрее их, потому что я знаю, что ничего не

знаю,

а они, ничего не зная, думают, что все знают.

СОКРЛ

Г (469-399 до

н.э.),

древнегреческий философ

22.2 КЛАССИФИКАЦИЯ ОБОРУДОВАНИЯ

Брагоректификационные установки, применяемые в спиртовой промышлен-

ности, укомплектованы бражной, эпюрационной и ректификационной колоннами.

Ректификационные установки могут быть разделены на следующие группы

(рис.

22.1):

брагоперегонные установки (для получения из бражки спирта-сырца) бывают

двух типов:

- одноколонные установки, в которых флегма освобождается от спирта (выва-

ривается) совместно с бражкой в нижней части колонны (в бражной колонне);

Ректификационные аппараты

Брагоректифика-

Установки для

Брагоперегонные Ректификационные

Брагоректифика-

получения

установки установки

ционные установки

абсолютного

установки установки

непрерывного действия

cnnpfa

ол

F-ч

о.

сч

а.

СЕ

Рис. 22.1 Классификация ректификационных аппаратов

370

Часть II Машины и аппараты-преобразователи

пищевых сред

- двухколонные установки, в которых флегма вываривается отдельно от бражки

в лютерной колонне;

ректификационные установки (для получения спирта-ректификата из спирта-

сырца) периодического и непрерывного действия;

брагоректификационные установки непрерывного действия;

установки для получения абсолютного спирта (из бражки или спирта-

ректификата).

Ректификационные колонны (рис. 22.2), входящие в состав установок, бывают

полными, отгонными и концентрационными.

Полная колонна 1 (рис. 22.2, а) состоит из отгонной (исчерпывающей) и кон-

центрационной частей. Греющий пар подводится в нижнюю часть колонны, а вода

проходит через дефлегматор 2 и холодильник дистиллята 3. Питание в полную ко-

лонну'вводится в среднюю часть (на верхнюю тарелку отгонной части колонны).

Дистиллят отводится из холодильника дистиллята.

Отгонная колонна 1 (неполная) (рис. 22.2, б) имеет только отгонную часть, в

ней отсутствует дефлегматор 2, а питание подается на ее верхнюю тарелку. В этой

колонне поступающее питание истощается низкокипящим компонентом.

Концентрационная колонна 1 (неполная) (рис. 22.2, в) снабжена дефлегмато-

ром 2, а питание поступает под нижнюю тарелку в парообразном виде.

В полной ректификационной колонне 1 создается возможность для получения

практически в чистом виде обоих компонентов разделяемой бинарной (двухкомпо-

нентной) смеси. В неполной отгонной колонне из нижней части отводится практи-

чески чистый труднолетучий компонент, а из верхней - пар, несколько обогащен-

ный легколетучим компонентом. Из верхней части неполной концентрационной ко-

лонны отводится практически чистый легколетучий компонент, а из нижней - оста-

ток S, несколько обогащенный труднолетучим компонентом.

Контактное устройство - основной элемент ректификационной колонны, на

котором осуществляется процесс массообмена между паром и жидкостью. Интен-

сивный массообмен на контактном устройстве достигается путем создания развитой

поверхности контакта фаз и активной гидродинамической обстановки.

В спиртовой промышленности, как правило, применяют тарельчатые кон-

тактные устройства, на которых

осуществляется последовательно

ступенчатый контакт фаз. Тарелки

ректификационных колонн могут

быть (рис. 22.3): колпачковыми,

ситчатыми (решетчатыми), кла-

панными, чешуйчатыми, ситча-

токлапанными, жалюзийно-

клапанными и др. Во всех случаях

на тарелке удерживается слой

жидкости, через который прохо-

дит пар, в результате чего осуще-

ствляется массообмен.

б)

Простейшая одноколпачковая

тарелка одинарного кипячения 1

используется в бражных колоннах

Рис.

22.2 Принципиальные схемы

ректификационных колонн:

а - полная, б - неполная отгонная, в - неполная концентрационная