Практическое занятие № 8
Оборудование для производства сгущенных молочных продуктов.
8.1.Вакуум-выпарные установки
Циркуляционная однокорпусная вакуум-выпарная установка периодического действия с трубчатым калоризатором и конденсатором поверхностного типа является наиболее простой в конструктивном плане. Основными ее элементами являются калоризатор, пароотделитель, два подогревателя, конденсатор, эжекторы (рис. 8.1).
Рис.Однокорпусная вакуум-выпарная установка:
1, 2, 4 –вентили на паропроводах, 3, 5- манометры, 6- вакуумметр, 7 –поверхностный конденсатор, 8- смотровое окно, 9- осветитель, 10- трубопровод, 11- термометр, 12- воздушный кран, 13- термокомпрессор, 14- верхняя перегородка с окном, 15- патрубок подачи сырья, 16, 22, 30- краны, 17- пробоотборник, 18- сферическое днище калоризатора, 19- насос для откачивания сгущенного продукта, 20- приводной механизм насосов, 21- насос для откачивания конденсата, 23- нижняя перегородка, 24- трубопровод для конденсата, 25- подпорная шайба, 26- трехходовой вентиль, 27- люк, 28- зонт-отражатель, 29- соединительный трубопровод, 31- циркуляционная труба, 32- вентиль на водяной трубе, 33- вентиль, 34, 36- двухступенчатый эжектор, 35- пусковой эжектор.
Калоризатор представляет собой теплообменный аппарат цилиндрической формы с двумя трубными решетками, в которые ввальцованы кипятильные трубки и две циркуляционные трубы. Межтрубное пространство калоризатора служит паровой рубашкой, в которую через вентиль и термокомпрессор подается греющий пар. Получаемый в процессе работы калоризатора конденсат по трубопроводу непрерывно отводится в подогреватели, а затем в конденсатор. Подпорная шайба в трубопроводе ограничивает потери греющего пара при отводе конденсата.
Калоризатор имеет корпус, верхнюю и нижнюю крышки. Для обеспечения герметичности при сборке между крышками и корпусом укладывают резиновые прокладки. В верхней и нижней крышках калоризатора имеется две перегородки с окнами. Окно в нижней перегородке можно закрывать заслонкой. Перегородка в верхней крышке съемная. Эти перегородки служат для настройки установки на необходимый режим работы. Если поставлена верхняя перегородка, а заслонка нижней закрыта, то установка работает по принципу непрерывного сгущения. Для того чтобы установка работала по принципу периодического сгущения, необходимо удалить верхнюю перегородку, а заслонку нижней открыть.
В процессе работы калоризатора молоко перемещается в кипятильных трубках снизу вверх, а в циркуляционных трубах — сверху вниз. Объясняется это разностью между удельными массами сгущаемого продукта. В первом случае удельная масса продукта меньше, так как он насыщен пузырьками пара. В калоризаторе также расположены патрубки подачи сырья на сгущение, краны для взятия пробы и выпуска сгущенного продукта.
Пароотделитель служит для отделения вторичного пара от частичек продукта. Он представляет собой цилиндр с установленным на стоке зонтом-отражателем. Трубопровод соединяет верхнюю часть калоризатора с пароотделителем, он расположен к пароотделителю под углом. Поступающие в него жидкий продукт и пар приобретают вращательное движение. Продукт под действием центробежной силы отбрасывается к стенке пароотделителя и стекает вниз в кольцевое пространство дна, откуда откачивается насосом через кран или по циркуляционной трубе вновь подается в калоризатор на сгущение.
В некоторых установках на соединительной трубе предусмотрен шибер для регулирования скорости движения вторичного пара, что позволяет улучшить качество разделения пара и продукта. В пароотделителе расположены люк, смотровое окно, осветитель; термометр и воздушный кран. Вверху пароотделителя имеется паросборник, от которого отходят два трубопровода: один — к термокомпрессору, другой — к подогревателю (либо прямо к конденсатору).
Подогреватели по конструкции аналогичны трубчатым пастеризаторам. Сгущаемый продукт движется по трубам, а в межтрубное пространство подаются вторичный пар или его смесь с острым паром. Если один подогреватель не обеспечивает нагрева продукта до необходимой температуры, то устанавливается несколько последовательно соединенных аппаратов.
Конденсатор поверхностного типа выполнен в виде цилиндрического корпуса с верхней и нижней съемными крышками. В корпусе находятся трубки, концы которых развальцованы в верхней и нижней трубных решетках, а также патрубки для подачи вторичного пара из подогревателя или пароотделителя, отвода конденсата, подвода конденсата из калоризатора и нагревателей, отвода воздуха к вакуум-насосу, для подвода и отвода охлажденной воды. Для создания вакуума в системе из котельной через вентиль пусковой эжектор подается пар, который работает только вначале для ускорения создания вакуума. В дальнейшем при сгущении работают два других эжектора, установленные последовательно.
Вакуум-выпарная установка работает следующим образом. До начала сгущения сырья в установку засасывается вода. Циркулируя в системе, она ополаскивает установку и позволяет проверить ее герметичность. Подачей пара на эжекторы в системе создают вакуум. При разрежении около 80 кПа начинает засасываться сырье. На конденсатор подают холодную воду, и по мере заполнения трубок калоризатора на 2/3 их высоты в паровую рубашку подается пар. В установившемся режиме молоко последовательно поступает в первый и второй подогреватели. В первом продукт нагревается вторичным паром до 60...66˚С, во втором — острым паром до 70...75˚С. При такой температуре молоко подается в калоризатор, где подогревается до 80...85˚С и испаряется. По мере образования конденсата его непрерывно откачивают насосом. Если установка работает по принципу непрерывного сгущения, то готовый продукт откачивается по мере достижения заданной концентрации.
Недостатком циркуляционных вакуум-выпарных установок является то, что они имеют большой рабочий объем продукта и характеризуются многократной циркуляцией последнего при выпаривании. Продолжительность пребывания сгущаемого продукта в этих установках довольно велика —до 30...40 мин, а в отдельных случаях и больше. В аппаратах циркуляционного типа продолжительность теплового воздействия на продукт не регулируется.
Аппараты циркуляционного типа в настоящее время получили распространение лишь в комплектах оборудования для малых предприятий, например в установке для получения сгущенного молока ВВУ-150. Для создания вакуума в этой установке применен водокольцевой вакуум-насос. Длительность одного цикла выпаривания 3 ч при производительности установки по перерабатываемому молоку и сгущенному молоку с сахаром соответственно 160 и 50 кг/ч. Особенностью пленочных вакуум-выпарных установок является то, что технологический процесс выпаривания продукта происходит при его однократном прохождении через калоризатор. Достигается это тем, что калоризатор выполнен в виде длиннотрубного тонкослойного аппарата, а продукт поступает на сгущение с помощью форсунки или специальных перфорированных дисков. Сырье соприкасается с нагретой поверхностью калоризатора в течение З...4 мин и движется по нему с большой скоростью. В конечном итоге это обеспечивает высокий коэффициент теплопередачи в установках пленочного типа и обеспечивает интенсивный процесс сгущения даже при незначительном перепаде между температурами кипения и греющего пара в смежных корпусах установки. В свою очередь, это позволяет применять в вакуум-выпарных установках несколько последовательно соединенных между собой калоризаторов.
Трехкорпусная пленочная вакуум-выпарная установка непрерывного действия показана на рис. 8.2. 
Рис.Пленочная трехкорпусная вакуум-выпарная установка непрерывного действия:
1- пусковой эжектор, 2, 3- трубчатые подогреватели, 4- распределители сырья в трубки, 5, 7, 10- калоризаторы(сепараторы), 6- подогреватель, 8, 9- термокомпрессоры, 11, 14, 21- пароотделители(сепараторы), 12, 13, 20- продуктовые насосы, 15, 16, 26-подпорные шайбы, 17- воздухоотделитель, 18- обратный клапан, 19, 25- насосы, 22- насос, 23- счетчик, 24- сепаратор-очиститель, 27- конденсатор смешения,28, 30- рабочие эжекторы, 29- промежуточный конденсатор, 31- парораспределитель, 32- водоотделитель
Сырье насосом через счетчик подается в двухсекционный подогреватель. В первой секции оно подогревается вторичным паром, поступающим из пароотделителя, а во второй — паром, поступающим из другого пароотделителя. Температура вторичного пара соответственно 45 и 62˚С. Из подогревателя сырье температурой около 54˚С проходит через сепаратор-очиститель и направляется в двухсекционный подогреватель. В первой секции продукт нагревается вторичным паром температурой 75˚С, поступающим из пароотделителя, а во второй секции его окончательный нагрев осуществляется до температуры 80˚С с помощью смеси пара, поступающего из паровой рубашки калоризатора, и острого пара.
Сырье температурой 80˚С поступает сверху через форсунку в калоризатор первого корпуса установки. Равномерно распределяясь по трубкам калоризатора и частично испаряясь при температуре 75˚С, сырье стекает в пароотделитель. В паровую рубашку калоризатора первого корпуса термокомпрессорами подается греющий пар температурой 95˚С. Из пароотделителя насосом сырье подается в калоризатор второго корпуса, где кипит при 62˚С. В паровой рубашке этого калоризатора теплоносителем является вторичный пар температурой 75˚С, поступающий из пароотделителя.
Часть вторичного пара из паровой рубашки калоризатора забирается термокомпрессорами и направляется в подогреватель. Насосом сырье откачивается из пароотделителя и направляется в подогреватель, где в качестве теплоносителя используется пар температурой 70...75˚С, поступающий из пароотделителя. Из подогревателя продукт направляется в калоризатор третьего корпуса и распределяется по трубам так же, как и в других калоризаторах. В калоризаторе третьего корпуса сырье кипит при температуре 45˚С. Сгущенный продукт стекает в пароотделитель, откуда непрерывно откачивается насосом. На нагнетательной стороне насоса установлены пробоотборник, обратный клапан и вентиль, позволяющий подать продукт в подогреватель и калоризатор на до-сгущение. Сгущенный продукт направляется на сушку или охлаждение. По мере образования конденсата в калоризаторах и подогревателях его отвод осуществляется через подпорные шайбы. Подпорная шайба представляет собой диск толщиной 5...6 мм, закрепленный между двумя фланцами болтами. В центре она имеет отверстие, через которое может пройти определенное количество конденсата. Часть вторичного пара из пароотделителя третьего корпуса поступает на конденсатор смешения цилиндрической формы с несколькими патрубками. Сверху в конденсатор подается вода, снизу — вторичный пар. Смесь воды и конденсата откачивается насосом. Первоначально вакуум в системе создается пусковым эжектором. Паровоздушная смесь из него выбрасывается в атмосферу. В установившемся режиме работы установки необходимое разрежение обеспечивается конденсатором, системой эжекторов, а также промежуточным конденсатором. Для нормальной работы установки на конденсатор необходимо подавать воду температурой не выше 25...28˚С и поддерживать давление рабочего пара около 0,8 МПа.
Промышленность выпускает вакуум-выпарные установки А2-ОВВ-2 и А2-ОВВ-4 производительностью по испаренной влаге соответственно 2095 и 4025 кг/ч. Они предназначены для сгущения цельного и обезжиренного молока, а также молочной сыворотки. Производительность по исходному продукту первой установки для цельного молока, обезжиренного молока и молочной сыворотки соответственно 2650, 2480 и 2280 кг/ч. В отличие от первой установки, являющейся двухкорпусной с тремя подогревателями, установка А2-ОВВ-4 имеет три калоризатора и четыре подогревателя. Производительность ее по разным видам сырья соответственно 5300, 5150 и 4900 кг/ч. Удельный расход пара на I кг испаренной жидкости в этих установках 0,25...0,3 кг. Продолжительность непрерывной работы (между мойками) не менее 12 ч.
Следует отметить, что некоторые вакуум-выпарные установки дополнительно оснащаются пастеризатором, выдерживателем и вакуумным насосом.
Вакуум-выпарная установка с пластинчатым калоризатором имеет такой же принцип работы, как и однокорпусная циркуляционная вакуум-выпарная установка. Основное отличие заключается в двухсекционном пластинчатом калоризаторе, барометрическом конденсаторе смешения и вакуум-насосе. Такие установки компактны, невысоки, неметаллоемки. Длительность работы их без мойки около 20 ч. Недостатком по сравнению с установками пленочного типа является довольно большой удельный расход пара (0,5 кг на 1 кг испаренной влаги). В вакуум-выпарных установках с аммиачным или фреоновым циклом молоко сгущается при большем разрежении и небольшой температуре (25...30˚С), что позволяет получать продукт высокого качества. Они экономически эффективны, так как при работе не требуют водяного пара и холодной воды для конденсатора.
Сжатые в компрессоре пары аммиака при температуре 100...140˚С, пройдя теплообменник, где они охлаждаются холодной водой до температуры 40...42˚С, поступают в межтрубное пространство калоризатора первой ступени. Затем аммиак уже в жидком виде поступает в ресивер и далее в конденсатор. Вторичный пар, поступающий в поверхностный конденсатор, конденсируется на его трубках и отдает теплоту жидкому аммиаку, находящемуся в трубках. Аммиак в трубках закипает, и пары его откачиваются компрессором. Таким образом, в этих установках аммиак совершает круговой процесс. Для реализации его установка снабжена ресивером, воздухоотделителем, маслоотделителем, насосами и регулирующими вентилями.
Полученный вторичный пар из пароотделителя первой ступени используется как греющий в сдвоенном калоризаторе второй ступени. Вторичный пар из калоризатора второй ступени направляется в поверхностный конденсатор. Таким образом, устройство и принцип работы многих узлов установки с аммиачным циклом и пленочных установок имеют много общего.
8.2. Оборудование для приготовления сахарного сиропа
При производстве сгущенного молока с сахаром для приготовления сиропа применяют варочные котлы, вакуум-выпарные установки и сироповарочные станции.
Варочный опрокидывающийся котел МЗ-2С-2446 имеет рабочую вместимость 150 л (геометрический объем 200 л), поверхность нагрева 1 м2. Его можно применять на пищевых предприятиях для приготовления сиропов, заливок, соусов и т. д. Котел состоит из рабочей емкости, двух стоек, двух полых цапф и паровой рубашки. Цапфы служат для крепления емкости к стойкам, а также подвода пара к паровой рубашке и отвода из нее конденсата. В нижней части паровой рубашки имеется кран для спуска воздуха и конденсата. На подводящей линии рубашки установлены манометр и предохранительный клапан. Механизм поворота котла включает в себя червячную передачу и маховичок. На крышке котла укреплен привод мешалки — электродвигатель и редуктор. Частота вращения мешалки лопастного типа 18,8 мин-1. После заполнения котла сахаром и водой в паровую рубашку подается пар и включается мешалка. Готовый сироп сливается через патрубок в нижней части котла или путем его поворота с помощью опрокидывающего механизма.
Более высокое качество сахарного сиропа можно получить в закрытых (вакуумных) аппаратах. Промышленность выпускает несколько типов вакуум-выпарных установок и аппаратов, имеющих практически одинаковое устройство и принцип работы.
Вакуум-аппарат МЗС-320(рис. 8.3) состоит из корпуса-мешалки с приводом, системы загрузки, ловушки и вакуум-насоса.
Корпус выполнен в виде емкости, в нижней половине которой имеется паровая рубашка. На сферической крышке смонтирован привод лопастной мешалки, который включает в себя электродвигатель и редуктор. К крышке крепится ловушка для улавливания наиболее крупных частиц продукта, уносимых вторичным паром в вакуумную систему. Паровая рубашка имеет манометр и предохранительный клапан. В нижней части днища аппарата расположен патрубок для отвода конденсата.
Рис.Вакуум-аппарат МЗС-320:
1- редуктор, 2- электродвигатель, 3- вакуумметр, 4- корпус аппарата, 5- манометр, 6- предохранительный клапан, 7- шланг, 8- наконечник, 9- ванна, 10- кран для спуска сиропа, 11- конденсатоотводчик, 12- вакуум-насос
Аппарат шлангом с наконечником под действием вакуума в емкости засасывает продукт, необходимый для переработки. Готовый продукт выгружается через спускной патрубок с пробковым краном. Для контроля за рабочим процессом и осмотра внутренней полости аппарата в корпусе имеются три окна и кран для взятия проб. Основные данные технической характеристики вакуум-выпарных аппаратов приведены в табл. 8.1.
ТаблТехническая характеристика вакуум-аппаратов
Показатель | МЗС-320 | МЗ-2С-316 | МЗ-2С-241аМ | МЗ-2С-210 |
Рабочая вместимость, м3 | 1 | 0,5 | 0,5 | 1 |
Площадь поверхности нагрева, м2 | 3,56 | 2,2 | 2,2 | 4 |
Вакуум в аппарате, МПа | 0,072…0,077 | 0,07 | 0,07 | 0,07 |
Давление пара, МПа | 0,40 | 0,25 | 0,25 | 0,25 |
Расход пара, кг/ч | - | 100 | 100 | 100 |
Потребление электроэнергии, кВт*ч | 2,7 | 1,2 | 6,8 | 2,4 |
Габаритные размеры, мм | 1300×1300 ×1170 | 1360×1195× 1700 | 375×19650× 2840 | 1360×1195× 1700 |
Масса, кг | 910 | 485 | 1890 | 900 |
Сироповарочные станции предназначены для приготовления сахарного сиропа и различных заливок на предприятиях по переработке молока и в цехах по переработке плодоовощного сырья. На этих станциях большая часть погрузочно-разгрузочных операций механизирована, поэтому при небольших габаритах они имеют производительность 400 кг/ч и больше.
Станции работают следующим образом. Сахарный песок, засыпанный в бункер, шнековым транспортером подается на просеиватель. После очистки он взвешивается на автоматических весах и последовательно пропускается через несколько секций растворителя, в которых смешивается с водой, подогревается и интенсивно перемешивается. Готовый сироп сливается в бак-накопитель, из которого поступает на дальнейшую переработку.
8.3. Оборудование для охлаждения сгущенного молока
Для охлаждения сгущенного молока применяют то же оборудование, что и для охлаждения и кристаллизации молочного сахара — кристаллизаторы-охладители РЗ-ОКО и КМСР-72.
Открытый горизонтальный кристаллизатор-охладитель РЗ-ОКО (рис. 8.4) представляет собой ванну полуцилиндрической формы с водяной рубашкой, в которую поступает охлаждающая жидкость. Ванна установлена на четырех винтовых ножках, позволяющих менять уклон в сторону выгрузки. С помощью механизма подъема крышка ванны может открываться и закрываться.
Ванна снабжена горизонтально-шнековой мешалкой, приводимой во вращение от электродвигателя через клиноременную передачу и червячный редуктор. В днище ванны размещен сливной патрубок с краном.
Рис.Кристаллизатор-охладитель РЗ-ОКО:
1- привод, 2- механизм подъема крышки, 3- крышка, 4- ванна, 5- шнек, 6- кран, 7- ограждение, 8- воронка, 9 кронштейн, 10- шкаф электроаппаратуры.
Вместимость ванны 2000 л. При вращении мешалки с частотой 12 мин
охлаждаемый продукт интенсивно перемешивается и снижает свою температуру на 3...5˚С в час. Процесс охлаждения сгущенного молока или сахарного сиропа продолжается 10...20 ч.
Кристаллизатор-охладитель КМСР-72 (рис. 8.5) выполнен в виде горизонтально расположенной ванны полуцилиндрической формы из нержавеющей листовой стали. Ванна установлена на раме и имеет двойные стенки, между которыми пропускается охлаждающая вода. Внутри ванны на подшипниках скольжения расположен вал с витком для перемешивания продукта. Вращение вала осуществляется от электродвигателя мощностью 1,1 кВт через два редуктора, коробку скоростей и цепную передачу. Вал мешалки может вращаться с частотой 0,5 и 4,85 мин
.
Ванна закрыта крышками с блокировочными устройствами, отключающими двигатель привода при открывании крышек во время перемешивания сырья. Верхний уровень продукта в ванне контролируют с помощью сигнализатора уровня. При срабатывании датчика включается звуковая и световая сигнализация. Температура продукта и охлаждающей воды на входе и выходе измеряется датчиками температуры. Управление работой мешалки осуществляется по программе с интервалом 10...40 мин.
Вместимость ванны охладителя-кристаллизатора КМСРл, и по основным технико-экономическим показателям (удельные металлоемкость и затраты электроэнергии) он уступает РЗ-ОКО.
Рис.Кристаллизатор-охладитель КМСР-72:
1- привод, 2- вал с витком, 3- ванна, 4- рама, 5, 6- крышки.
Для предприятий с большими объемами производства сгущенного молока или молочного сахара промышленность в небольшом количестве выпускает охладители-кристаллизаторы непрерывного действия. Производительность таких аппаратов на порядок выше открытых охладителей за счет интенсификации процесса охлаждения продукта, осуществляемого с помощью кипящего хладагента или рассола температурой -15...-25˚С.
Контрольные вопросы.
1. Почему выпаривать влагу из молока целесообразно при пониженном давлении? 2. Каким образом ограничивается утечка греющего пара из паровой рубашки калоризатора при удалении из нее конденсата? 3. Как однокорпусную вакуум-выпарную установку настраивают на Непрерывное или периодическое сгущение? 4. Для чего служит и как работает пароотделитель в однокорпусной вакуум-выпарной установке? 5. В чем основное различие циркуляционных и пленочных вакуум-выпарных установок? 6. Какие технологические параметры оказывают наибольшее влияние на эффективность работы пленочных вакуум-выпарных установок? 7. При каком давлении пара работает трехкорпусная пленочная вакуум-выпарная установка? 8. С какой целью пары аммиака в установке с аммиачным циклом работы пропускаются через теплообменник? 9. В чем заключаются основные отличия кристаллизаторов-охладителей РЗ-ОКО и КМСР-72?
