Бродильная промышленность. Технологическое оборудование

Рабочее давление. С увеличением перепада рабочего давления через мембрану возрастает движущая сила процесса и увеличивается удельная производительность мембран. Однако под действием давления полимерные мембраны подвергаются уплотнению, которое при достижении некоторого уровня, зависящего от структуры мембраны, может нейтрализовать эффект, связанный с повышением движущей силы. Кроме того, при высоких давлениях мембраны быстрее загрязняются находящимися в растворе микрочастицами, поскольку в этих условиях загрязняющим частицам легче внедриться в поры мембраны, а на поверхности мембраны образуется более плотный осадок задержанных микрочастиц, поэтому рекомендуемый перепад давления при проведении процесса микрофильтрации составляет порядка 0,05 - 0,15 МПа. Принимаем значение рабочего перепада давления равным 0,1 МПа.

Уровень pH среды. Значения pH смещаются в сторону кислых или щелочных сред, что ускоряет гидролиз полимерных мембран. Особенно следует обратить внимание на значение pH моющих и дезинфицирующих растворов, т. к. возможно растворение мембран. При ультрафильтрации высокомолекулярных соединений верхний предел концентрации определяется значениями, при которых может начаться образование гелеобразного осадка на поверхности мембраны, или же концентрацией, при которой проницаемость становится неприемлемо низкой из-за чрезмерного возрастания вязкости разделяемого раствора.

В случае использования ацетатцеллюлозных мембран рабочий интервал концентраций часто ограничивается значениями pH, которые не должны выходить за пределы 3 < pH < 8.

4.4 Расчёт мембранной установки

Исходные данные: расход концентрируемого раствора -- ; начальная концентрация дрожжевых клеток в пиве -- ; концентрация дрожжевых клеток в пиве после концентрирования раствора -- ; содержание дрожжевых клеток в пермеате не должно превышать . Размер дрожжевых клеток: 9-112-3 мкм.

4.4.1 Выбор мембраны

При выборе мембраны следует исходить из того что, что она должна обладать максимальной удельной производительностью при селективности, обеспечивающей выполнение требований к качеству пермеата (соответствие санитарным нормам, допустимым потерям растворённого вещества и т.д.). Кроме того, мембрана должна обладать высокой химической стойкостью по отношение к разделяемому раствору.

Определение истинной селективности производится по графику зависимости истинной селективности мембраны от отношения . График построен для интервала , в котором селективность имеет большие значения, обычно удовлетворяющее условиям разделения. Примем допущение, что в рабочем диапазоне концентраций разделяемого раствора истинная селективность остаётся постоянной.

Тогда критерий пригодности мембраны, т.е. минимальная допустимая её селективность по задерживаемому веществу, можно определить с помощью уравнения

. (1)

В качестве разделяющей принимаем мембрану МФАС-СПА, изготовленную из ацетата целлюлозы. Для выбранной мембраны , что удовлетворяет условию .

Таблица1 - Техническая характеристика мембраны МФАС-СПА

По графику определяем истинную селективность мембран: . Условие пригодности мембраны выполняется, так как истинная селективность выбранной мембраны больше минимально допустимой.

Определяем удельную производительность мембраны по разделяемому раствору. Для этого сначала определяем удельную производительность мембраны по чистой воде:

, (2)

где константа проницаемости мембраны по воде, принимается по технической характеристике мембраны; принимаем ; -- рабочий перепад давлений.

Основным фактором, снижающим удельную производительность, является повышение вязкости. Кинематическая вязкость пива при составляет ; плотность раствора (Приложение 7 [7]). Тогда динамическая вязкость раствора

. (3)

Кинематическая вязкость воды при той же температуре ; плотность (Приложение 4 [7]). Динамическая вязкость воды

. (4)

Тогда удельная производительность мембраны по разделяемому раствору

. (5)

4.4.2 Определение основных параметров мембранного аппарата

Определяем расход пермеата в первом приближении:

, (6)

где расход раствора на разделение, ; расход концентрата; селективность мембраны.

Определяем потребную площадь мембран по формуле

. (7)

По производительности по пермеату производим выбор мембранного модуля, . Принимаем мембранный модуль на основе полых волокон Syn+ 100.

Таблица 2 -Техническая характеристика мембранного модуля Syn+ 100

Определим количество мембранных модулей :

, (8)

где площадь поверхности мембран одного модуля, принимается по паспортным характеристикам модуля, .

Количество мембранных модулей в одном аппарате принимаем равным , тогда количество мембранных аппаратов в установке

. (9)

4.4.3 Уточнённый расчёт установки с учётом технологической схемы

Для создания высоких скоростей потока в схему установки включается циркуляционный насос, обладающий высокой подачей, но сравнительно небольшим напором, требуемым лишь для преодоления гидравлического сопротивления напорного канала.

На рис. 9 показана установка с циркуляционным контуром.

Принимаем величину кратности циркуляции r равной 70. Система имеет один циркуляционный контур. Схема работает следующим образом.

Исходный раствор с объёмным расходом и концентрацией подаётся насосом высокого давления на вход мембранного аппарат. Перед входом в аппарат к исходному раствору добавляется циркулирующий поток с расходом .

После смешения образуется раствор с расходом и концентрацией , который поступает в аппарат, где происходит его концентрирование до концентрации . При этом образуется пермеат с расходом и концентрацией . Из аппарата раствор выходит с расходом и концентрацией . Часть его выводится из установки в виде концентрата с расходом , другая часть направляется циркуляционным насосом на смешение с исходным раствором.

Выход пермеата и концентрата в такой установке определяем по уравнениям:

; (10)

. (11)

Потребная площадь мембраны составляет:

. (12)

Окончательно принимаем выбранный ранее мембранный модуль и определяем их требуемое число:

.

4.4.4 Расчёт гидравлического сопротивления

Расчет гидравлического сопротивления, прежде всего, необходим для нахождения давления, которое должен развивать насос для подачи раствора в мембранный аппарат, и последующего выбора насоса. Кроме того, от гидравлического сопротивления зависит фактическая величина избыточного давления в аппарате, а ее нужно знать при механических расчетах (определение толщины стенок корпуса, фланцев и т.п.), при оценке возможного уплотнения мембран, в ряде случаев - для корректировки величины удельной производительности и селективности мембран.

Развиваемое насосом давление определяется по формуле

, (13)

где рабочий перепад давления через мембрану, ; гидравлическое сопротивление потоку разделяемого раствора в аппарате; гидравлическое сопротивление потоку пермеата в дренаже; потери давления на трения по длине и в местных сопротивлениях в трубопроводах и арматуре; потери давления, связанные с подъёмом жидкости на определённую геометрическую высоту.

Определяем каждую составляющую уравнения (13).

Гидравлическое сопротивление напорного канала .Расчёт проводим из условия, что разделяемый раствор подаётся внутрь волокон, а пермеат выводится из межволоконного пространства; выход пермеата - односторонний. Для расчёта данного вида сопротивления зададимся сперва геометрическими размерами волоконных мембранных элементов: принимаем внутренний диаметр элемента ; длина капилляра ; поверхность фильтрования одного капилляра ; число элементов в модуле определим, разделив площадь фильтровальной поверхности модуля на площадь поверхности одного элемента .

Определяем линейную скорость раствора внутри капилляра

, (14)

здесь .

Гидравлическое сопротивление определяем по формуле

(15)

Гидравлическое сопротивление потоку пермеата в дренаже . Определение гидравлического сопротивления в нашем случае проводится по формуле

. (16)

Потери давления по длине трубопровода и в местных сопротивлениях . Принимаем скорость движения жидкости для всасывающего и нагнетательного трубопровода . Тогда диаметр трубопровода d

, (17)

где - расход пива, поступающего на мембранную обработку.

Полученное значение диаметра округляем до ближайшей стандартной величины по ГОСТ 8732-78 для стальных бесшовных горячедеформированных труб: [8].

Определяем характер течения жидкости в трубопроводе

. (18)

т.е. режим течения жидкости турбулентный. Примем величину абсолютной шероховатости равной для новых стальных труб (c. 14 [8]).

Определяем величину относительной шероховатости труб

. (19)

Для выбора расчётной зависимости для нахождения коэффициента вычисляем следующие отношения: ; ; , т.е .

Таким образом в трубопроводе имеет место смешанное трение, и расчёт проводим по формуле

(20)

Определяем значения коэффициентов местных сопротивлений . На всасывающей линии имеются следующие виды местных сопротивлений:

– вход в трубу с острыми краями: [8];

– колено с углом : при [8];

– вентиль нормальный при полном открытии: при [8];

– выход из трубы: [8].

На нагнетательной линии имеются следующие виды местных сопротивлений: вход в трубу с острыми краями: [8];

– колено с углом : при [8];

– вентиль нормальный при полном открытии: при [8];

– выход из трубы: [8].

Тогда

Принимаем длину трубопровода равной .

Тогда потери давления определяем по формуле

(21)

Потери давления, связанные с подъёмом на геометрическую высоту . Принимаем геометрическую высоту подъёма жидкости равной . Тогда потери давления равны

. (22)

Тогда давление, развиваемое насосом, будет равно

.

4.4.5 Подбор насоса

Определяем потребный напор насоса

(23)

Такой напор при заданной производительности обеспечивается одноступенчатыми центробежными насосами. Учитывая широкое распространение этих насосов в промышленности ввиду достаточно высокого КПД, компактности и удобства комбинирования с электродвигателями, выбираем для последующего рассмотрения именно эти насосы.

Определяем полезную мощность насоса

. (24)

Принимая КПД передачи и КПД насоса , найдём мощность на валу двигателя:

. (24)

Заданной подаче и напору более всего соответствует центробежный насос марки СД 16/25, для которого при оптимальных условиях работы ; ; частота вращения вала ; тип электродвигателя АИР 112МВ6/950; мощность двигателя ; габаритные размеры насоса: .

Определим предельную высоту всасывания для выбранного насоса. Рассчитаем сперва запас напора на кавитацию

. (25)

По таблицам давлений насыщенного водяного пара найдём, что при давление насыщенного водяного пара (Приложение 5 [7]). Приме, что атмосферное давление равно , а диаметр всасывающего патрубка равен диаметру трубопровода. Тогда предельная высота всасывания равна

(26)

где потер напора во всасывающей линии:

, (27)

здесь - длина всасывающей линии; сумма коэффициентов сопротивления на линии всасывания:

. (28)

Таким образом, расположение насоса на высоте 1 м над уровнем воды в ёмкости вполне возможно.

Определяем потребный напор насоса

Подбор циркуляционного насоса

Определяем значения коэффициентов местных сопротивлений . На всасывающей линии имеются следующие виды местных сопротивлений:

– вход в трубу с острыми краями: [8];

– три колена с углом : при [8];

– вентиль нормальный при полном открытии: при [8];

– выход из трубы: [8].

На нагнетательной линии имеются следующие виды местных сопротивлений: вход в трубу с острыми краями: [8];

– четыре колена с углом : при [8];

– выход из трубы: [8].

Тогда

Принимаем длину трубопровода равной .

Тогда потери давления определяем по формуле

Принимаем геометрическую высоту подъёма жидкости равной . Тогда потери давления, связанные с подъёмом жидкости на геометрическую высоту равны

. (22)

Тогда давление, развиваемое насосом, будет равно

.

Требуемая производительность насоса циркуляции определяется кратности циркуляции. Для разрабатываемой установки кратность циркуляции составляет 0,7, тогда требуемая производительность насоса равна .

Определяем полезную мощность насоса

. (24)

Принимая КПД передачи и КПД насоса , найдём мощность на валу двигателя:

.

Заданной подаче и напору более всего соответствует центробежный насос марки СД 16/10б, для которого при оптимальных условиях работы ; ; частота вращения вала ; тип электродвигателя АИР 112МВ6/950; мощность двигателя ; габаритные размеры насоса: .

4.4.6 Учёт влияния концентрационной поляризации

Определим наблюдаемую селективность выбранной мембраны с учётом явления концентрационной поляризации по уравнению

, (29)

где - коэффициент массоотдачи, м/с, - удельная производительность, рассчитанная по уравнениям переноса с учетом КП, м/с.

Коэффициент массоотдачи находят из диффузионного критерия Нуссельта, отсюда

, (30)

где - диаметр канала, м; D - коэффициент диффузии, м2/с, принимаем коэффициент диффузии для дрожжевых клеток .

Критерий Рейнольдса

. (31)

Так как критерий Рейнольдса , то значение можно рассчитать по уравнению:

, (32)

где коэффициент, учитывающий отношение : при ([8]).

Тогда из уравнения (29) наблюдаемая селективность

. (33)

Величина КП определяется из выражения:

. (34)

4.4.7 Подбор ёмкостного оборудования

Подбираем тип ёмкости: так пиво в ёмкости хранится без избыточного давления, то принимаем цилиндрическую вертикальную форму ёмкости с плоским днищем. Ёмкость снабжена: нижними сливами, штуцерами для заполнения, люками-лазами для осмотра и чистки, штуцерами для размещения приборов (уровнемеров и термометров). Ёмкость устанавливается на ровной площадке.

Объём жидкости в ёмкости определяется из уравнения

, (35)

где - время пребывания жидкости в ёмкости.

Геометрический объём жидкости больше рабочего на 10-15 %, т.е. объём ёмкости: .

5. Монтаж, эксплуатация и ремонт микрофильтрационной установки

5.1 Аппарат микрофильтрационный

Порядок установки. Монтаж установки осуществляет завод-потребитель при участии завода-изготовителя.

Установку необходимо устанавливать в производственных помещениях на фундаменте, выставив по уровню и закрепив на анкерных болтах М12 (4 шт.). Монтаж аппарата осуществляется в следующей последовательности:

1) согласно схеме гидравлической и сборочному чертежу установить снятые при транспортировке части установки;

2) подключить установку к сети исходной воды, к сети технологического оборудования;

3) заземлить установку;

4) соединить силовой шкаф электрической связью с источником электроэнергии.

Подготовка к пуску. Произвести внешний осмотр установки. Убедиться, что все трубопроводы и составные части установки находятся в исправном состоянии и надёжно соединены. Подготовка к пуску осуществляется в следующей последовательности:

1) проверить наличие и надёжность заземления;

2) проверить, открыты ли вентили;

3) проверить расположение установки (задатчика граничных значений) на реле давления;

4) заполнить насос водой согласно «Руководству по монтажу и эксплуатации» насосов CR фирмы Грундфос;

5) проверить подключение установки к источнику электроэнергии;

6) включить тумблер «Сеть» пульта силового;

7) произвести программирование электронного контроллера согласно «Руководству по монтажу и эксплуатации» в соответствии с требованиями производства;

8) нажать кнопку «ON» электронного контроллера, после чего начнёт открываться кран с электроприводом. Открывание крана происходит в течение ?55сек., после чего включится насос;

9) проверить наличие течей в системе трубопроводов. Если они имеются, отключить установку клавишей «OFF» на контроллере, отключить тумблер «Сеть» на пульте силовом; устранить течи;

10) вентилями установить необходимый расход концентрата и фильтрата.

Проверка срабатывания блокировок производится при первом пуске, а в дальнейшем 1 раз в год.

Блокировка по температуре. Согласно «Руководству по монтажу и эксплуатации» контроллера электронного необходимо запрограммировать температуру, меньшую, чем температура воды. При срабатывании этой блокировки отключится насос, а на контроллере высветится надпись «STOP». После проверки необходимо запрограммировать значение температуры 45оС.

Блокировка по давлению. На реле давления необходимо сместить датчик верхнего значения до значения 10 кгс/см2. При срабатывании этой блокировки отключится насос, а на контроллере высветится надпись «Over pressure».

Порядок работы. Установку обслуживает один оператор, прошедший инструктаж по технике безопасности и изучивший настоящий паспорт. Порядок эксплуатации установки следующий:

1) запустить установку;

2) включить тумблер «Сеть» на силовом пульте;

3) нажать клавишу «ON» на контроллере электронном; кран в течение ?55с откроется, после чего включится насос.

При работе установки должны контролироваться следующие параметры:

1) температура воды;

2) удельная проводимость фильтрата;

3) давление исходной воды на выходе из насоса на входе в модули;

4) давление концентрата;

5) расход фильтрата;

6) расход концентрата.

Все параметры, а также время непрерывной работы установки необходимо регистрировать в отдельном журнале и предъявлять предприятию-изготовителю в случае рекламации на оборудование. Записи в журнале производить два раза в смену. Отключение установки осуществляется в следующей последовательности:

1) выключить установку нажатием клавиши «OFF» на контроллере, после чего закроется кран;

2) выключить тумблер «Сеть» на контроллере.

Загрязнение мембранного элемента определяется изменением параметров работы установки. Критерии оценки необходимости проведения промывки элементов указаны в «Бюллетене технического обслуживания ЭРО» фирмы. Там же указаны составы промывочных растворов в зависимости от вида загрязнения.

Техническое обслуживание. Перечень работ различных видов технического обслуживания приведён в таблице 3.

Техническое обслуживание насоса производится на основании руководства по монтажу и эксплуатации насоса.

Таблица 3 - Перечень работ технического обслуживания

5.2 Центробежный насос СД 16/25

Порядок установки. Распаковать насос и убедиться в отсутствии повреждений.

Проверить комплект поставки.

Подсоединить насос к трубопроводам. Соединение трубопроводов с насосом уплотнить прокладками.

Трубопроводы и запорная арматура должны быть выполнены из материалов, не загрязняющих исходную.

Подготовка к работе. Произведите внешний осмотр насоса и убедитесь в отсутствии повреждений. Закрыть краны, и вентиль.

Медленно открыть кран и подать воду на вход в насос. Открыть кран на выходной магистрали и включить электродвигатель.

Пользуясь руководством, установить на управляющий клапан блок управления. Произвести программирование блока управления согласно руководству.

Порядок работы. Проверить закрытие вентиля на выходном трубопроводе. Открыть вентиль на входном трубопроводе и подать в насос воду. Открыть выходной вентиль. После окончания работы перекрыть вентиль подачи воды в насос.

Техническое обслуживание. Возможные неисправности и методы их устранения приведены в таблице 4.

Таблица 4 - Возможные неисправности и методы их устранения

Перечень работ различных видов технического обслуживания приведен в таблице 5.

Таблица 5 - Перечень работ различных видов технического обслуживания

Заключение

В основу курсового проекта легла разработка микрофильтрационного аппарата на основе полых волокон для концентрирования остаточного лагерного осадка с целью рекуперации избыточных дрожжей для их дальнейшей переработки и очистки ситочных вод. Разработанный аппарат позволяет поддерживать требуемую производительность на заданном уровне с помощью ультразвука.

Внедрение разработанного объекта в линию производства «живого» пива позволит добиться улучшения экологической обстановки в связи с решением проблемы рекуперации избыточных дрожжей.

Список использованных источников

1. Кунце В., Мит Г. Технология солода и пива: пер. с .нем. - СПб., Изд-во «Профессия», 2003. - 912 с., ил.

2. Брык М. Т. и др. Мембранная технология в пищевой промышленности/ М. Т. Брык, В. Н. Голубев, А. П. Чагаровский. - К.: Урожай, 1991. - 224 с.

3. Пат. 2182514 РФ, МКП B01D63/00. Аппарат для фильтрации жидкостей/ Александрин А.П., Комягин Е.А., Мынин В.Н., Терпугов Г.В.

4. Пат. 2179061 РФ, МПК B01D63/00. Способ и устройство для мембранной фильтрации (варианты)/ Соловьёв А. П.; заявл. 12.08.2000; опубл. 02.10.2000.

5. Пат. 2141866 РФ, МКП B01D63/06. Мембранный аппарат/ Десятов А. В., Инкин А.И., Сидорин Г.М.; ЗАО НПО «Энергетические и космические технологии», Федеральное гос. унитарное предпр. «Исследоват. Центр им. М.В. Келдыша»; заяв. 01.10.1998; опубл. 27.11.1999.

6. Пат. 1775145 СССР, МКП B01D63/16/ Мембранный аппарат/Н.С. Орлов, А. Ш. Шаяхметов, А.Г. Бородкин; Московский химико-технологический институт им. Д.И. Менделеева; заявл. 12.02.1990; опубл. 15.11.1992.

7. Балашов В.Е., Кретов И.Т., Антипов С.Т. Практикум по расчётам технологического оборудования предприятий бродильной промышленности. - М.: Колос, 1992. - 208 с., ил.

8. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/ Г.С. Борисов, В.П. Брыков, Ю.И. Дытнерский и др. Под ред. Ю.И. Дытнерского, 2-е изд., перераб. и дополн. М.: Химия, 1991. - 496 с.

9. Общий курс процессов и аппаратов химической технологии: Учебник: В 2 кн./В.Г. Айнштейн, М.К. Захаров, Г.А. Носов и др.; Под ред. В.Г. Айнштейна. М.: Университетская книга; Логос; Физматкнига, 2006. Кн. 1. 890 с., ил.

10. Общий курс процессов и аппаратов химической технологии: Учебник: В 2 кн./В.Г. Айнштейн, М.К. Захаров, Г.А. Носов и др.; Под ред. В.Г. Айнштейна. М.: Университетская книга; Логос; Физматкнига, 2006. Кн. 2. 872 с., ил.

11. Курсовое проектирование технологического оборудования: учеб пособие/В.Е. Игнатов, С.В. Шахов, В.М. Кравченко, Е.В. Вьюшина; Воронеж. гос. технолог. Акад. Воронеж, 2005. - 75 с.

12. Гальперин Д.М., Миловидов Г.В. Технология монтажа, наладки и ремонта оборудования пищевых производств. - М.: Агропромиздат, 1990. - 399 с.

13. Машины и аппараты пищевых производств. В 2 кн. Кн. 1: Учеб. Для вузов/С.Т. Антипов, И.Т. Кретов, А.Н. Остриков и др.; Под ред. Акад. РАСХН В. А. Панфилова. - М.: Высш. Шк., 2001. - 703с.: ил.

Страницы: 1, 2