Тетра Пак. Технология производства молока
Подождите немного. Документ загружается.
поверхности мембраны, снижая ее пропускную способность и в конечном счете вынуждая останавливать
установку и производить мойку
• Главный итог поляризации состоит в том, что по мере фильтрации скорость получения фильтрата
снижается
• Воздействие поляризации может быть снижено применением обратной промывки, направлением
потока в обратном направлении или методом равномерного ТМД (применимого в варианте с керамическими
мембранами).
Значения давления
Давление – это движущая сила фильтрации, причем следует подчеркнуть принципиальную разницу
между:
1 Падением гидравлического давления вдоль модуля Р = Р1 – Р2.
Чем больше величина Р, тем выше скорость прохождения через модуль, тем больше воздействие,
направленное перпендикулярно мембранам, и тем меньше воздействие поляризации. Однако существуют
ограничения, в том числе сопротивление мембраны давлению и стоимость насосов, способных обеспечивать как
высокий расход, так и высокое давление.
2 Трансмембранное давление (ТМД) – это перепад давлений между двумя сторонами мембраны в
какой-то конкретной точке. Основной критерий эффективности мембранной системы (интенсивность потока в
л/м
2
/ч) является функцией ТМД.
ТМД, т.е. сила, проталкивающая фильтрат через мембрану, достигает своих максимальных значений на
входе в модуль и минимальных – на выходе из него. Поскольку уменьшение ТМД носит линейный характер,
среднее ТМД определяется следующей формулой:
Перепад гидравлического давления при прохождении сквозь мембрану (А) и профиль
трансмембранного давления (В) показаны на рис. 6.4.16.
Конструктивные особенности
Успешное функционирование установок мембранной фильтрации в основном зависит от давления,
создаваемого применяемыми насосами. В этой связи следует учитывать следующие рекомендации:
1. Производительность насоса (насосов) должна соответствовать требуемой скорости потока и
характеристикам модуля (модулей), которые могут быть абсолютно различными – в зависимости от
конструкции и размеров модуля.
2. Насос должен быть нечувствительным к изменениям в ограничениях модуля в отношении вязкости.
Он также должен эффективно работать в интервале температур, применяемых для производства и мойки.
3. Насос должен полностью отвечать гигиеническим требованиям, предъявляемым к оборудованию,
предназначенному для использования на молочных заводах.
Применяются насосы нескольких типов, в том числе центробежные насосы и объемные насосы.
Пищевые центробежные насосы обычно применяются как подающие и циркуляционные насосы, а пищевые
объемные насосы используются, как правило, в качестве подающих и циркуляционных насосов высокого
давления для работы с жидкостями повышенной вязкости, то есть на конечных стадиях ультрафильтрации
молочного сгустка.
Разделительные установки мембранного типа могут применяться и для периодического, и для
непрерывного производства. Подаваемый раствор не должен содержать крупных частиц, которые могут
повредить самый первый тонкий слой фильтрующей поверхности. Поэтому зачастую в питающую систему
включается фильтр тонкой очистки (мелкоячеистое сито).
Периодическое производство
Установки для периодического производства (рис. 6.4.17) в основном применяются для фильтрации
небольших объемов продукта – например, в лабораториях и на экспериментальных заводах. Определенное
количество продукта, предназначенного для обработки, заливается в буферный бак. Продукт циркулирует через
мембранный сепаратор до тех пор, пока не будет получена необходимая концентрация.
Непрерывное производство
Схемы конструкций установок, работающих в непрерывном цикле. Конструкции спирального типа
предназначены для функционирования в режимах ОО, НФ и УФ. Они оснащены полимерными мембранами с
порами различного размера.
Установка оснащена керамическими мембранами и предназначена для микрофильтрации.
Поскольку мембраны, предназначенные для обратного осмоса, гораздо менее проницаемы, чем
мембраны двух других систем, установки, которыми они оборудованы, требуют более высокого давления на
входе. Оно обеспечивается тремя последовательно установленными пищевыми нагнетающими насосами
центробежного типа и одним центробежным циркуляционным насосом.
У двух других фильтрационных установок – для нанофильтрации и ультрафильтрации проницаемость
выше, и поэтому они могут обходиться двумя нагнетающими и одним циркуляционным насосами.
Как уже было сказано выше, в основу концепции микрофильтрации заложена последовательная работа
двух элементов, составляющих один фильтрационный контур. В нее входит один центробежный насос для
циркуляции концентрата и другой – для циркуляции фильтрата.
Загружаемый раствор может поступать из разделительной установки с системой обеспечения
постоянного давления на выходе или из уравнительного бака, оборудованного насосом и системой управления
производительностью.
Температура производственного процесса для мембранной
фильтрации
В большинстве случаев рабочая температура при обработке продукта в молочных производствах
составляет около 50°С. Обычно фильтрационные установки оборудуются простыми системами охлаждения.
Такая система встраивается во внутренний циркуляционный контур для компенсации небольшого увеличения
температуры, которое проходит во время работы установки, и для поддержания постоянной температуры
обработки продукта.
Вакуум-выпарные аппараты
Удаление воды
Под концентрированием жидкости понимают удаление растворителя, которым в большинстве случаев
является вода. Концентрация отличается от высушивания тем, что конечный продукт, концентрат, остается в
жидком виде.
Пищевые продукты концентрируют по ряду причин, в том числе чтобы:
• Снизить стоимость высушивания
• Вызвать кристаллизацию
• Снизить стоимость хранения и транспортировки
• Снизить активность воды для повышения микробиологической и химической устойчивости
• Извлечь побочные продукты из отходов производства.
Технология концентрирования жидкости с помощью выпаривания в вакууме была внедрена в
производственную практику в 1913 г. Этот процесс был разработан на основе английского патента, выданного
Е.С. Ховарду (E.C.Howard), описавшему нагреваемую паром вакуумную плоскую емкость с двойным дном,
конденсатором и воздушным насосом.
Выпаривание
В молочной промышленности выпаривание применяется для сгущения сыворотки цельного и
обезжиренного молока. К нему также прибегают как к предварительному этапу перед высушиванием. Перед
подачей в сушильную камеру содержание сухих веществ в молочных продуктах, из которых готовят порошок,
обычно увеличивают с 9–13% до 40–50%.
В молочной промышленности выпаривание представляет собой удаление воды из кипящего раствора в
виде пара. Для того чтобы это осуществить, необходимо обеспечить подогрев. Продукты, с которыми
приходится при этом иметь дело, обычно чувствительны к теплу, и перегрев может их погубить. Чтобы
уменьшить риск, выпаривание обычно осуществляется в вакууме при температуре порядка 40°С.
В то же время испаритель должен быть рассчитан на минимальное время выдержки. Большинство
продуктов должны быть сконцентрированы в необходимой степени при низких температурах и за короткое
время.
Конструкция испарителя
Выпаривание воды из раствора требует большого расхода энергии. Эта энергия подается в виде пара. С
целью снижения количества необходимого пара вакуум- выпарная установка обычно создается в виде
многоступенчатого испарителя. В него входят два или более агрегатов, работающих при постепенно
снижающихся давлениях и, следовательно, при постепенно снижающихся температурах кипения. При такой
конструкции пар, полученный на предыдущей ступени, может быть использован для подогрева на следующей
ступени. В результате получается, что требуемое количество пара приблизительно равняется количеству
испаряемой воды, деленному на число ступеней. В настоящее время в молочной промышленности применяются
вакуум- выпарные установки, в состав которых может входить до 7 аппаратов.
Другим источником энергии может быть электричество. В этом случае для повторного сжатия пара,
покидающего агрегат, до давления, необходимого при нагреве, используется компрессор или вентилятор с
электроприводом.
Хотя испарительные установки работают на одном и том же принципе, они различаются в деталях
конструкции. Так, трубы, образующие перегородкимежду паром и подогреваемым продуктом, могут быть
расположены горизонтально либо вертикально, а пар может циркулировать внутри или снаружи труб. В
большинстве случаев продукт циркулирует внутри вертикальных труб, которые окружены подогревающим их
паром. Вместо труб могут быть использованы пластины или кассеты.
Циркуляционные вакуум-выпарные аппараты
Циркуляционные вакуум-выпарные аппараты можно использовать, когда требуется малая степень
концентрации или когда обрабатывается небольшое количество продукта.
Например, при производстве йогурта молоко сгущается выпариванием всего в 1,1–1,25 раза, то есть
содержание сухих веществ увеличивается с 13–14,5% лишь до 16,25%.
Одновременно эта обработка освобождает продукт от воздуха и посторонних ароматов.
Процесс циркуляционного выпаривания показан на рис. 6.5.2. Молоко, нагретое до 90°С, по
касательной поступает на большой скорости в вакуумную камеру, где образует тонкий вращающийся слой на
поверхности стены (см. рис. 6.5.3). В процессе этого вращения часть содержащейся в молоке воды испаряется, и
испарения удаляются в конденсатор. Воздух и другие не подверженные конденсации газы удаляются из
конденсатора вакуумным насосом.
Продукт постепенно теряет скорость и опускается на дно, откуда по имеющемуся там желобу покидает
камеру. Часть продукта возвращается центробежным насосом в теплообменник для регулировки температуры, а
оттуда – в вакуумную камеру для дальнейшего выпаривания. Для достижения необходимой концентрации
большое количество продукта должно быть возвращено в начало цикла. Через вакуумную камеру проходит в
четыре-пять раз больше жидкости, чем подается в установку.
Вакуум-выпарные аппараты, работающие по
принципу падающей пленки жидкости
Наиболее широко в молочной промышленности эксплуатируются так называемые вакуум-выпарные
аппараты, работающие по принципу падающей пленки жидкости. Они оборудованы вертикальными
нагревающими поверхностями, по которым подающееся сверху молоко стекает тонким слоем в виде пленки.
Нагревающая поверхность может представлять собой трубы или пластины из нержавеющей стали.
Пластины собираются в пакеты, в которых продукт течет с одной стороны каждой пластины, а с другой стороны
ее подогревает пар.
Если в качестве нагревающих поверхностей используются трубы, молоко в виде пленки стекает по их
внутренним стенкам, а снаружи их нагревает пар. Сначала продукт подвергается предварительному подогреву
до температуры, равной или чуть выше температуры выпаривания.
Из отсека, где происходит предварительный подогрев, продукт поступает в распределительную
систему, находящуюся в верхней точке вакуум-выпарного аппарата.
Образование вакуума в испарителе снижает температуру выпаривания до нужного уровня – ниже
100°С.
Трубчатый вакуум- выпарной аппарат
Главное, от чего зависит успешная работа вакуум-выпарных аппаратов с падающей пленкой жидкости,
это равномерное распределение молока по нагревающей поверхности, чего можно добиться многими
способами.
В трубчатом вакуум-выпарном аппарате проблема может быть решена, как показано на рис. 6.5.5,
использованием сопла особой формы (1), которое направляет продукт на распределяющую пластину (2).
Продукт слегкаперегревается и поэтому расширяется в момент выхода из сопла. Часть воды мгновенно
испаряется, и образовавшиеся испарения вытесняют продукт наружу – вдоль внутренней поверхности труб.
Вакуум-выпарной аппарат пластинчатого типа
Распределение продукта в пластинчатом вакуум-выпарном аппарате, работающем по принципу
падающей пленки жидкости, может быть реализовано с помощью двух труб, пропущенных через пакет пластин.
К каждой пластине подведена труба с распыляющим соплом (п.1 на рис. 6.5.6), через которое продукт
ровным тонким слоем наносится на поверхность пластины.
В этом варианте во избежание внезапных вспышек испарения во время распределения продукта он
подается при температуре выпаривания.
Содержание воды в тонкой пленке продукта быстро уменьшается по мере его прохождения по
нагревающей поверхности. На выходе из испарителя установлен отделитель пара (2).
Он отделяет пар от сгущенной жидкости. В процессе выпаривания объем жидкости уменьшается, а
объем испарений увеличивается.
Если объем образовавшегося пара превзойдет имеющийся объем, скорость пара вырастет, что приведет
к увеличению перепада давления. Это потребует большей разности температур между нагревающим паром и
нагреваемым продуктом. Данной ситуации можно избежать, увеличив имеющееся пространство для испарений
по мере роста их объема.
Для достижения оптимальных условий выпаривания необходимо обеспечить приблизительно
одинаковую толщину пленки продукта на всем протяжении нагревающей поверхности. Поскольку по мере
стекания продукта по нагревающей поверхности количество имеющейся жидкости постепенно уменьшается,
необходимо сокращать периметр нагревающей поверхности для поддержания постоянной толщины пленки
продукта. Оба эти условия соблюдены в конструкции пластин в вакуум-выпарном аппарате, работающем по
принципу падающей пленки жидкости (рис. 6.5.6). Это уникальное конструктивное решение позволяет
осуществлять выпаривание при низких температурах и при очень небольшом перепаде температур.
Время выдержки продукта в вакуум-выпарных аппаратах, работающих по принципу падающей пленки
жидкости, по сравнению с другими конструкциями невелико. Сочетание температурного и временного
факторов в испарителе определяет степень теплового воздействия на продукт. Применение вакуум-выпарного
аппарата, работающего при принципу падающей пленки жидкости с низким температурным контуром, имеет
большое преимущество по сравнению с другими технологиями концентрации молочных продуктов,
чувствительных к тепловому воздействию.
Многократное выпаривание
Обычно практикуется многокорпусное выпаривание. Теория гласит, что если последовательно
соединить два испарителя, то второй сможет работать при более глубоком вакууме (и следовательно, при более
низкой температуре), чем первый. Извлеченные из продукта на первом корпусе испарения могут использоваться
как теплоноситель во втором корпусе, который функционирует при более глубоком вакууме (и значит, при
более низкой температуре).
Даже с учетом потерь тепла для выпаривания 1 кг воды из продукта потребуется 0,6 кг пара.
С целью повышения экономии пара можно также последовательно соединить несколько испарителей.
Но это приводит к удорожанию оборудования и к усложнению его эксплуатации. Это также требует создания
более высокой температуры в первом корпусе, причем с ростом числа корпусов увеличивается объем продукта,
находящегося в системе. Это усложняет работу с чувствительными к теплу продуктами. Тем не менее в
молочной промышленности применяются вакуум-выпарные установки, в которых число корпусов доходит до
семи, что позволяет экономить энергию.
Термокомпрессия
Испарения продукта могут быть сжаты и использованы в качестве теплоносителя, что улучшает
тепловой кпд испарителя. Эта работа выполняется термокомпрессором.
На рис. 6.5.7 показана двухступенчатая вакуум-выпарная установка для выпаривания молока,
оснащенная термокомпрессором. Часть испарений от отделителя пара поступает под высоким давлением (600–
1000 кПа) в термокомпрессор. С помощью высокого давления компрессор повышает кинетическую энергию, и
пар с большой скоростью инжектируется через сопло. Благодаря этому он смешивается с испарениями продукта
и сжимает полученную смесь до высокого давления. Однокорпусной испаритель с термокомпрессором так же
экономичен, как и двухступенчатый без термокомпрессора. Использование термокомпрессии в многокорпусных
установках обеспечивает оптимальный тепловой кпд.
Молоко из уравнительного бака нагнетается в пастеризатор, где оно подвергается пастеризации, а
температура подводится к уровню, при котором жидкость в первом корпусе закипает. Далее молоко поступает в
первый корпус (2) вакуум-выпарной установки, где оно закипает в вакууме при температуре 60°С. По мере
прохождения молока в виде тонкой пленки по двум пластинчатым каналам вода из него выпаривается, а молоко
сгущается.
В отделителе пара (4) концентрат отделяется от пара и перекачивается во второй корпус (3).
В этом корпусе более глубокий вакуум, а соответствующая ему температура кипения равна 50°С.
После очередного цикла выпаривания во втором корпусе концентрат отделяется от испарений в
отделителе пара (5) и откачивается из системы через сектор предварительного нагрева (7).
Инжекция пара высокого давления в термокомпрессоре (1) повышает давление испарений, полученных
из продукта во втором корпусе. Смесь этих двух паров используется затем в первом корпусе (2) в качестве
теплоносителя.
Испарительная способность
Двухкорпусной вакуум-выпарной установке с падающей пленкой жидкости с термокомпрессором
нужно 0,25 кг пара, чтобы выпарить 1 кг воды, а пятикорпусной – около 0,20 кг. Без термокомпрессора им бы
понадобилось соответственно 0,60 и 0,40 кг.
Необходимость снижать энергозатраты привела к строительству установок, состоящих из шести и более
корпусов. Максимальная температура кипения продукта в этих установках обычно составляет 70°С в первом
корпусе и 40°С – в последнем.
При перепаде температур от 70°С до 40°С для определения размеров установки остается разность 30°С.
То есть чем больше будет в ней корпусов, тем меньше будет разница в температурах для каждого корпуса.
Разность температур также теряется вследствие перепадов давления и повышения температуры
кипения. Сочетание этих факторов приводит к тому, что разность температур в многокорпусной установке
составляет от 5°С до 15°С. Это означает необходимость более обширных нагревающих поверхностей и более
крупных капиталовложений. Большие нагревающие поверхности предъявляют повышенные требования к
оборудованию, которое должно равномерно распределять по ним жидкость.
Увеличенная протяженность теплопередающих поверхностей вносит еще один негативный фактор, а
именно: продукту требуется больше времени для прохождения по теплопередающей поверхности, а значит,
время его выдержки в вакуум-выпарном аппарате увеличивается.
В семикорпусном испарителе с термокомпрессором можно выпарить 12 кг воды с помощью 1 кг пара.
Это означает, что удельный расход пара равен 0,08.
Степень концентрации, до которой можно доводить продукты, зависит от их свойств, а именно вязкости
и термоустойчивости. Максимальная степень концентрации цельного и обезжиренного молока обычно доходит
до 48% и 52% соответственно.
Если необходимо получить концентраты с более высоким содержанием сухих веществ, вакуум-
выпарная установка должна иметь заключительный корпус (сгуститель).
Пятикорпусной вакуум- выпарной установке с термокомпрессором для выпаривания 1 кг воды обычно
требуется около 0,20 кг пара.
Механическое сжатие паров
В отличие от термокомпрессора, система для механического сжатия испарений (система отсасывания)
выводит испарения из вакуум-выпарного аппарата, сжимает их и возвращает обратно в вакуум-выпарной
аппарат.
Увеличение давления в этой системе происходит за счет механической энергии, подаваемой на
компрессор. Передача тепловой энергии на вакуум-выпарной аппарат не осуществляется (за исключением пара,
используемого для пастеризации в первом корпусе). Процесс происходит без образования избытка пара,
который необходимо конденсировать.
При использовании системы отсасывания осуществляется циркуляция всего пара в установке, что
позволяет достичь высокой степени регенерации тепла.
На рис. 6.5.8 представлена трехкорпусная вакуум-выпарная установка с системой отсасывания. Сжатые
испарения из компрессора (3) возвращаются в первый корпус (4) для обогрева продукта. Испарения,
выделяющиеся в первом корпусе, используются для повышения температуры продукта во втором корпусе, из
второго – для подогрева в третьем и т.д. Компрессор повышает давление пара с 20 до 32 кПа, увеличивая таким
образом температуру конденсации с 60 до 71°С.
Температура конденсации 70°С не является достаточной для пастеризации продукта в первом корпусе.
Поэтому перед первым корпусом устанавливается термокомпрессор для повышения температуры до
необходимого уровня. Испарения продолжают медленно конденсироваться после их отделения в третьем
корпусе и удаляется излишек пара, образующийся после его инжекции.
Конденсатор поддерживает тепловой баланс в вакуум-выпарном аппарате.
Применение системы отсасывания позволяет выпаривать 100–125 кг воды при затрачивании только 1
кВт энергии. Эксплуатационные расходы трехкорпусной вакуум-выпарной установки с системой отсасывания
вдвое меньше, чем при использовании вакуум-выпарной установки, состоящей из семи корпусов и оснащенной
термокомпрессором.
Механическое сжатие в высокоскоростных вентиляторах осуществляется другим образом. Они
применяются в тех же случаях, что и системы теплового сжатия испарений, или тогда, когда необходимо
повысить температуру только на несколько градусов.
Деаэраторы
Воздух и газы, содержащиеся в молоке
В молоке всегда содержится большее или меньшее количество воздуха и газов.
Объем воздуха в молоке, находящемся в коровьем вымени, зависит от содержания воздуха в крови
животного. Содержание кислорода (О2) невелико, поскольку этот газ химически связан гемоглобином, в то
время как процент двуокиси углерода (СО2) сравнительно высок, потому что кровь переносит ее в большом
количестве от клеток к легким. Общее содержание воздуха в молоке, находящемся в вымени, может составлять
4,5–6%, из которых на долю кислорода приходится около 0,1%, азота – около 1% и двуокиси углерода – 3,5–
4,9%.
Во время доения молоко контактирует с воздухом, подвергается его воздействию. Атмосферный
кислород в нем растворяется, в то время как двуокись углерода улетучивается. Часть воздуха, попавшего в
молоко, не растворяется в нем, а сохраняется в виде мелкой дисперсии, в дальнейшем присоединяясь к жиру.
После доения и сбора во флягу или охлаждаемый танк молоко может содержать 5,5–7,0% воздуха, что
составляет в среднем 6% объема. См. таблицу 6.6.1.
Воздух может находиться в молоке в трех состояниях: диспергированном, растворенном и химически
связанном. Соотношение этих форм изменяется под воздействием температуры и давления. Например, при
повышении температуры в процессе пастеризации растворенный воздух переходит в диспергированное
состояние и может стать причиной некоторых проблем во время переработки молока.
Воздух присутствует в молоке в трех состояниях:
1 В диспергированном
2 В растворенном
3 Химически связанном
Диспергированный воздух вызывает проблемы при переработке молока.
Рис. 6.6.1 Молоко, находящееся в вымени, содержит 4,5–6% газов.
Таблица 6.6.1
Содержание газов (об. %) в сборном сыром молоке, приготовленном для потребительского рынка
Кислород Азот Двуокись углерода Всего
Минимум 0,30 1,18 3,44 4,92
Максимум 0,59 1,63 6,28 8,50
В среднем 0,47 1,29 4,45 6,21
Дальнейшее подмешивание воздуха
В основном воздух попадает в молоко на ферме, во время транспортирования и его приемки на
молочном заводе. Поэтому ничего странного нет в том, что поступающее молоко содержит в своем объеме до
10% воздуха или даже больше. На этом этапе преобладает воздух в виде тонкой и грубой дисперсии.
Диспергированный воздух может являться причиной следующих проблем:
• Неточности в измерении объема молока
• Пригорания к нагревающим поверхностям пастеризатора
• Уменьшения степени обезжиривания
• Снижения точности автоматической нормализации в процессе обработки
• Концентрирования воздуха в сливках, что приводит к
– неточной нормализации по жирности
– пригоранию сливок на поверхностях теплообменных аппаратов
– преждевременному сбиванию сливок, приводящему к
• потерям при производстве масла
• налипанию жира в верхней части упаковки
• Уменьшения стабильности кисломолочных продуктов (отделения сыворотки).
Для того чтобы избежать всех этих неприятных последствий, применяются различные способы
деаэрации.
Удаление воздуха при сборе молока
Во время сбора молока в молоковозы из фляг или охлаждаемых танков количество молока,
поступающего от каждой фермы, измеряется с помощью счетчика при перекачивании молока. Чтобы получить
максимально точные данные, непосредственно перед замером молоко пропускается через деаэратор. Поэтому
большинство молоковозов оснащены этими устройствами, через которые должно пройти молоко перед
измерением его объема, после чего оно попадает в автоцистерну.
Одна из таких систем (Wedholms, S) показана на рис. 6.6.2. Насосное хозяйство находится в отсеке,
размещенном в задней части молоковоза. Назначение этого оборудования – фильтрование, перекачивание,
удаление воздуха и измерение объема молока до его попадания в цистерну.
Заборный шланг (1) присоединяется к емкости с молоком. Молоко проходит сквозь фильтр (2) и
поступает в деаэратор (4). Позитивный насос (3) является самовсасывающим.
Вместе с повышением уровня молока в деаэраторе поднимается и находящийся в нем поплавок. На
определенном уровне поплавок закрывает клапан в верхней части сосуда. Давление в сосуде повышается,
вследствие чего срабатывает обратный клапан (6). Молоко проходит через счетчик (5) и блок клапанов (7) в
баки цистерны. Слив происходит через отверстие (8) с помощью шланга (9).
Приемка молока
По прибытии на молокозавод молоко снова будет содержать диспергированный воздух, который попал
в него из-за тряски по дороге с фермы. Как правило, при перекачивании молока в приемные емкости снова
осуществляют измерение количества молока. И в этом случае для получения точного результата оно должно
сначала быть пропущено через деаэратор такого же типа (рис. 6.6.3).
Впускное отверстие цилиндрической емкости должно находиться на более низком уровне, чем
выпускная труба цистерны, так как молоко будет в нее поступать самотеком, а не нагнетаться насосом. Система
может работать в ручном или автоматическом режиме.
В обоих случаях эффективность деаэрации во многом зависит от того, каково содержание воздуха и
насколько мелко он диспергирован. Мельчайшие воздушные пузырьки не удаляются.
Обработка в вакууме
Для удаления растворенного воздуха или мелких его пузырьков из молока с успехом применяется метод
вакуумной деаэрации. Предварительно нагретое молоко подается в расширительный сосуд (рис. 6.6.4), в
котором создается вакуум, соответствующий кипению при температуре на 7–8С ниже температуры
предварительного нагрева.
Температура молока, поступающего в бак деаэратора при 68С, немедленно снижается до 60С. В
условиях вакуума происходит кипение продукта, и растворенный воздух выделяется вместе с испарениями.
Пар проходит встроенный в сосуд конденсатор, конденсируется и возвращается в молоко, в то время
как воздух вместе с газами удаляется из сосуда вакуумным насосом.
При производстве йогурта вакуумный сосуд не оснащается конденсатором, поскольку молоко в этом
случае обычно слегка конденсируют (на 15–20%).
Испарения в этом случае конденсируются отдельно.
Деаэрация в процессе обработки молока
Цельное молоко поступает в пастеризатор, где оно нагревается до 68С. Затем оно направляется в
расширительный сосуд для вакуумной обработки. Для оптимизации процесса молоко поступает в вакуумную
камеру по касательной через широкое отверстие, что позволяет ему распределиться тонким слоем по стенке
сосуда. Расширение пара, испаряющегося из молока при входе в сосуд, ускоряет движение потока вниз по
стенке.
По мере движения вниз, к выпускному отверстию, также расположенному в касательной плоскости,
скорость потока замедляется. Таким образом, входная и выходная скорости идентичны.
Подвергнувшееся деаэрации молоко, температура которого теперь составляет 60С, сепарируется,
нормализуется и гомогенизируется, а затем поступает обратно в пастеризатор для окончательной тепловой
обработки.
Если сепаратор является частью технологической линии, перед ним должен стоять регулятор потока,
который обеспечивает постоянный поток через деаэратор. В этом случае гомогенизатор должен быть снабжен
контуром циркуляции (обхода). Если в линии нет сепаратора, постоянный поток через деаэратор будет
поддерживать сам гомогенизатор (без контура циркуляции).
Насосы
Требования к насосам
Требования к производственным процессам постоянно ужесточаются в отношении как качества
продукции, так и рентабельности производства. Раньше допускалось продвижение жидкости по установке
самотеком. Сегодня жидкость нагнетается по длинным трубопроводам с большим количеством клапанов, сквозь
теплообменники, фильтры и другое оборудование, у которого часто бывают большие перепады давления.
Скорость потока часто бывает очень высока. Поэтому на многих участках линии установлены насосы, и
имеет все большее значение установка правильного насоса в правильном месте. При этом необходимо решить
многие проблемы, которые можно разделить следующим образом:
• Установка насоса
• Линии всасывания и нагнетания
• Тип и размер нужного насоса подбирается с учетом:
– скорости потока
– продукта, подлежащего перекачиванию
– вязкости
– плотности
– температуры
– давления в системе
– материала насоса.
Типовыми насосами, применяемыми на молокозаводах, являются центробежные, водокольцевые и
объемные. Эти три вида насосов имеют разные сферы применения.
Особенно широко на молокозаводах применяются центробежные насосы.
Центробежный насос, показанный на рис. 6.7.1 и 6.7.2, в основном применяется для работы с
маловязкими продуктами, он не используется для сильно газированных продуктов. Водокольцевой насос
используется для жидкостей с высоким содержанием воздуха. Объемный насос используют там, где требуется
деликатное обращение с продуктом, а также с высоковязкими жидкостями.
Всасывающая линия
До того как начать разговор непосредственно о насосах, важно разобраться в фактах и проблемах,
связанных с перекачиванием.
Насос должен быть установлен как можно ближе к баку или к другому резервуару, из которого нужно
забирать жидкость, а в линии всасывания должно быть как можно меньше отводов и клапанов. Трубопровод
этой линии должен быть большого диаметра, чтобы уменьшить риск кавитации.
Линия подачи
В линию подачи должен быть включен дроссельный клапан любого типа, и по возможности вместе с
обратным клапаном. Дроссельный клапан нужен для регулирования скорости потока, подаваемого насосом.
Обратный клапан предохраняет насос от гидроудара и не позволяет жидкости двинуться в обратном
направлении при остановке насоса. Обычно обратный клапан устанавливается между насосом и дроссельным
клапаном.
Кавитация
Кавитация обнаруживает себя характерным “стучанием” в насосе. Она возникает, когда давление в
каком-то месте опускается ниже парциального давления и в жидкости образуются мелкие пузырьки пара. По
мере продвижения жидкости по направлению к крыльчатке давление нарастает и пар очень быстро сгущается.
Его пузырьки лопаются с огромной скоростью, при этом локальное давление может достигать 100 000 бар.
Это повторяется с большой частотой и может привести к выкрашиванию окружающего материала,
особенно если он отличается хрупкостью.
Кавитация возникает, когда давление в линии всасывания слишком низко по сравнению с давлением
пара в нагнетаемой жидкости. Опасность кавитации увеличивается, когда перекачиваются вязкие или летучие
жидкости.
В насосах кавитация приводит к снижению напора и падению кпд. По мере нарастания кавитации
подача жидкости насосом постепенно прекращается.
Кавитации следует избегать. Тем не менее, если условия работы насоса неблагоприятны, но он,
несмотря на небольшую кавитацию, исправно работает, допустимо продолжать его эксплуатацию, потому что
крыльчатки насосов, используемых на молокозаводах, изготовлены из кислотоустойчивой стали, которая
отличается высокой сопротивляемостью износу, причиняемому кавитацией. Крыльчатка может быть немного
повреждена только после длительной эксплуатации насоса.
Возможность возникновения в насосе кавитации может быть заранее просчитана.
См. раздел ПВПВ.
Диаграмма рабочих характеристик насоса
Карты-диаграммы рабочих характеристик насосов – бесценное подспорье при выборе необходимого
варианта для конкретной работы. Чтобы сделать правильный выбор, нужно ознакомиться с тремя графиками:
• Графиком расхода и напора (кривая QН)
• Потребной мощностью двигателя
• Полной высотой принудительного всасывания (ПВПВ).
Эти графики построены на основе испытаний, проводимых с использованием воды. Если насос
планируется использовать для перекачки жидкостей с другими характеристиками, внесенные в карту данные
могут быть пересчитаны с необходимой поправкой.
При подборе насоса покупатель обычно знает, какой расход (Q) ему потребуется.
В примере, показанном на рис. 6.7.4, расход (Q) составляет 15 м
3
/ч. Необходимый напор обычно нужно
рассчитать. В данном случае примем его за 30 м. Отметьте величину расхода наоси абсцисс Q. От этой точки
проведите вертикальную прямую до пересечения с горизонтальной прямой, указывающей на необходимый
напор (30 м) на оси ординат H. Эта точка не находится ни на одной из кривых QH, показывающих диаметр
крыльчатки. В данном случае следует выбрать ближайший больший размер крыльчатки. То есть 160 мм. В
результате получается напор, равный столбу жидкости высотой 31 м.
Теперь проведем вертикальную прямую от 15 м
3
/ч вниз до пересечения с графиком мощности для
крыльчатки размером 160 мм. Горизонтальная прямая, проведенная от точки пересечения влево, показывает, что
расход энергии равен 2,3 кВт. К этой цифре добавляем страховочный запас в 15% и получаем в итоге примерно
2,6 кВт. Следовательно, можно остановиться на двигателе мощностью 3 кВт.
Если насос снабжен двигателем определенного типоразмера, необходимо убедиться, что двигатель не
перегружен. Он должен всегда иметь запас производительности на случай перегрузок.
Как избежать кавитации
Основные рекомендации:
• Малый перепад давлений в линии всасывания (большой диаметр трубы, короткая труба всасывания,
малое число клапанов и изгибов)
• Высокое давление на входе в насос, которое достигается, например, высоким уровнем жидкости над
насосом
• Низкая температура жидкости
pa pv ПВПВсущ = hs – hfs + — x 10 – — x 10 м столба жидкости dr dr
Наконец, вертикальную линию от 15 м
3
/ч проводим до кривой NPSH (ПВПВ) справа на верхней
диаграмме.
Продолжив горизонтальную прямую вправо, узнаем, что необходимый показатель ПВПВ составляет 1
м.
Напор (давление)
Выбирая насос, нужно помнить, что напор (H), показанный на диаграмме, – это давление на входе в
насос, при котором жидкость поступает в него без высоты всасывания и давления на входе.
Для определения реального давления на выходе из насоса необходимо рассмотреть условия в зоне
всасывания. Если в этой зоне имеется вакуум, насос должен начать работать до того, как в него начнет
поступать жидкость.
В этом случае давление на выходе будет ниже указанного на диаграмме рабочих характеристик.
С другой стороны, если зона всасывания наполнена жидкостью для обеспечения положительного
давления на входе в насос, давление на выходе будет выше указанного на диаграмме рабочих характеристик.
Полная высота принудительного всасывания
(ПВПВ)
Как уже упоминалось выше, перед установкой насоса важно помнить, что линия всасывания должна
быть проложена таким образом, чтобы исключить возможность кавитации. График ПВПВ включен в диаграммы
расхода. ПВПВ насоса – это необходимое избыточное давление по сравнению с давлением пара, цель которого –
избежать кавитации. На схеме оно обозначено как ПВПВтреб.
До того как это значение может быть использовано, необходимо подсчитать ПВПВ, существующее в
линии всасывания в обычных условиях. Этот показатель, ПВПВсущ, должен быть равным или выше, чем
необходимое ПВПВ, представленное на диаграмме.
Для расчета ПВПВсущ в системе используется следующая формула:
pa = абсолютное давление на поверхности жидкости, бар
pv = абсолютное давление пара, бар
dr = относительная плотность
hs = статическое всасывание, в метрах столба жидкости
hfs = снижение давления в линии всасывания, в метрах столба жидкости
Обратите внимание на то, что hs – меньше нуля для высоты всасывания и больше нуля для давления на
входе.
Уплотнения вала
Уплотнение вала часто является самой уязвимой деталью насоса, поскольку находится между
вращающейся деталью (крыльчаткой или валом) и неподвижной частью (корпусом насоса). Обычно
применяется механическое уплотнение.
У вращающегося уплотнительного кольца притертая уплотняющая поверхность, которая вращается
относительно неподвижного притертого уплотнительного кольца. Между уплотняющими поверхностями
образуется пленка жидкости. Эта пленка смазывает уплотнение и предотвращает непосредственный контакт
между уплотнительными кольцами.
При этом износ сводится до минимума и обеспечивается долгий срок службы уплотнения. Если насос
работает вхолостую, жидкая смазывающая пленка разрушается и износ уплотнительных колец резко ускоряется.
Механическое уплотнение обычно сбалансировано. Это означает, что оно нечувствительно к давлению,
создаваемому насосом. Механические уплотнения, используемые в пищевой промышленности, не нуждаются в
регулировке и не приводят к износу вала. Выпускаются два варианта таких уплотнений: одинарное и
промываемое.
Одинарное механическое уплотнение
В большинстве насосов, применяемых в молочной промышленности, установлены одинарные
механические уплотнения (рис. 6.7.4).
Неподвижное кольцо в таком уплотнении закреплено на опорной стенке корпуса насоса. Вращающееся
кольцо может быть установлено внутри или снаружи насоса, а на него надето уплотнительное кольцо.
Вращающееся кольцо может двигаться вдоль вала и прижимается к неподвижному кольцу пружиной.
Промываемое уплотнение вала
Промываемое уплотнение (рис. 6.7.5) состоит из двух уплотнителей. Между ними циркулирует вода
или пар для их охлаждения или очистки а также для создания барьера между продуктом и атмосферой.
Этот вид уплотнения рекомендуется для следующих работ:
• С паровым барьером для перекачки стерилизованной продукции с целью недопущения повторного
бактериального обсеменения
• Водяной промывки при перекачивании растворов кристаллизующихся продуктов – например,
сахарных сиропов
• Водяного охлаждения уплотнения в случаях, когда на валу рядом с уплотнением может
образовываться и пригорать осадок по причине сильного нагрева уплотняющих поверхностей. В качестве
примера можно привести подкачивающий насос в пастеризаторах
• Создания водяного барьера для исключения контакта воздуха и продукта во время перекачивания при
очень низком давлении на входе – например, из деаэратора сосуда.
Давление парового барьера не должно быть выше атмосферного при 100С, так как в ином случае пар
может стать сухим. Это приведет к высыханию уплотнений и повреждению их поверхностей. Подача пара и
воды регулируется на входе перед уплотнением, при этом в выпускной трубе не должно быть препятствий. Эти
среды всегда подаются через нижнее соединение.
Материал уплотнений вала
Обычно используется следующая комбинация материалов: для вращающегося уплотнительного кольца
– графит, а для неподвижного – нержавеющаясталь. Еще более удачная комбинация – карбид кремния и графит.
Для абразивных жидкостей рекомендуются уплотнения с очень твердыми поверхностями.
В таких случаях применяется карбид кремния для обоих колец.
Центробежные насосы
Принцип работы
Жидкость, поступающая в насос, направляется в центр крыльчатки, и лопасти крыльчатки придают ей
круговое движение (см. рис. 6.7.6). Под воздействием центробежной силы и движения крыльчатки жидкость