Заторный аппарат

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ наименование кафедры Допускаю к защите…

Руководитель__Губанов______

.________________________

И. О. Фамилия…

______________________________________________________________

наименование темы ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА к курсовому проекту по дисциплине

______________________________________________

___________________________ ПЗ обозначение документа Выполнил студент группы _______ ________ ______________________

…шифр подпись … И. О. Фамилия Нормоконтролёр ____________ _______________________

подпись … И. О. Фамилия Курсовой проект защищён с оценкой________________________________

Иркутск 2007 г.

ВВЕДЕНИЕ

Технологический процесс производства пива состоит из следующих основных операций: приёма, хранения, очистки и дробления солода, приготовления пивного сусла, получения чистой культуры дрожжей, сбраживания пивного сусла, осветления и розлива пива в бутылки, бочки, автотермоцистерны. В свою очередь, получение пивного сусла состоит из процессов приготовления затора, кипячения сусла и хмеля, осветления и охлаждения сусла.

Приготовление затора является неотъемлемым и очень важным технологическим процессом. Процесс приготовления затора называют затиранием. При затирании происходят ферментативные и физико-химические процессы, от которых зависит качество сусла и пива. Поэтому важно правильно и разумно проводить процесс затирания, так как от этого зависит конечный выход продукта, экономика и конкурентоспособность предприятия в целом.

Для смешивания дроблёного солода и несоложёных материалов с водой, нагревания, кипячения и осахаривания заторной массы служат заторные аппараты. Изготовляют заторные аппараты следующих типоразмеров: ВКЗ-1, ВКЗ-1,5, ВКЗ-3, ВКЗ-5 соответственно на 1000, 1500, 3000 и 5000 кг зернопродуктов.

Заторный аппарат типа ВКЗ представляет собой стальной цилиндрический резервуар с двойным сферическим днищем и сферической крышкой. Пространство между днищами является паровой рубашкой, в которую поступает греющий пар. Рубашка имеет соответствующие фланцы и устройства для подвода пара, отвода воздуха и конденсата. В нижней части днища аппарата находится разгрузочное устройство для спуска части затора (густой фазы) на отварку или выпуска всего затора при передаче его в фильтрационный аппарат. Над сферическим днищем внутри аппарата имеется мешалка с нижним приводом для размешивания заторной массы. Внутри аппарата расположена стяжная труба для отбора жидкой фазы затора. На крышке аппарата смонтирован предзаторник, предназначенный для смачивания сухих дроблёных зерноприпасов при их подаче в аппарат, также там расположен раздвижной люк для обслуживания котла при промывке и наблюдения за технологическим процессом, происходящим в нём. Аппарат имеет по окружности опорное кольцо из углового железа, к которому приварены башмаки для установки его на площадке. Дроблёный солод поступает в предзаторник, где смачивается тёплой водой из смесителя, затем в виде кашицы смывается в аппарат. После отварок заторная масса нагнетается насосом обратно в аппарат для кипячения, а оттуда подаётся в фильтрационный аппарат.

В данной работе мы произведём расчёт геометрических размеров и поверхности теплообмена заторного аппарата в соответствии с исходными данными, так как эти параметры являются важнейшими для правильного проведения технологического процесса. Также мы вычислим расход пара, необходимого для нагревания затора, и мощность электродвигателя мешалки. Все вычисления будут произведены в расчёте на то, что готовится пиво «Жигулёвское».

1 Расчёт объёма и геометрических размеров заторного аппарата Объём заторного аппарата V (м³) определяем, исходя из его необходимой производительности по формуле:

(1.1)

где G — необходимая производительность заторного аппарата, кг/ч;

ф_ц — продолжительность полного рабочего цикла аппарата, ч, ф_ц = 4 ч;

с — плотность заторной массы, кг/ м³;

о — коэффициент заполнения заторного аппарата, о = 0,9.

Объём заторного аппарата можно также определить по количеству затираемого солода, принимая, что на 1000 кг сухого солода требуется 5…7 м³ полного объёма современного заторного аппарата. Примем, что на 1000 кг одновременно перерабатываемого сырья требуется 6 м³ полного объёма аппарата, тогда в соответствии с заданным G_сол = 4000 кг потребуется:

м³. (1.2)

Выражая из формулы (1.1) необходимую производительность заторного аппарата получим:

. (1.3)

Учитывая, что плотность заторной массы с = 1081 кг/м³ [1]:

кг/ч. 1

Диаметр корпуса заторного аппарата равен:

м. (1.4)

Высота выпуклой части наружной поверхности днища:

м. (1.5)

Радиус кривизны в вершине днища R_дн = D = 3,47 м.

Объём днища заторного аппарата:

(1.6)

м³. 1

Объём цилиндрической части заторного аппарата:

м³. (1.7)

Высота цилиндрической обечайки:

м. (1.8)

Сопоставим полученную высоту с конструктивным требованием:

м, 1

Н_ц незначительно отличается от H'_ц, значит расчёт можно считать достоверным.

Площадь поверхности жидкости в аппарате вычисляется по формуле:

м². (1.9)

Площадь сечения вытяжной трубы равна:

м². (1.10)

Диаметр вытяжной трубы:

м. (1.11)

Коэффициент формы днища заторного аппарата:

(1.12)

где d₀ — диаметр отверстия для спуска затора. Примем d₀ = 0,2 м [1], тогда

м. 1

Находим толщину стенки днища по формуле:

(1.15)

где Р — наружное избыточное давление, МПа;

[у] - допускаемое напряжение при сжатии, МПа;

ц — коэффициент прочности сварного шва, ц=1;

С — прибавка к расчётной толщине, С = 0,002 м.

Обычно оптимальными для заторных аппаратов являются рабочее давление Р = 0,245 МПа и допускаемое напряжение при сжатии для стенки, изготовленной из стали 3 [у] = 10 МПа, тогда:

м. 1

Проверяем условие справедливого расчёта толщины стенки днища:

; 1

; 1

1

значит условие выполняется и расчёт можно считать достоверным.

По рассчитанным размерам для массы перерабатываемого солода G_сол = 4000 кг выбираем стандартный заторный аппарат типа ВКЗ-5, техническая характеристика которого представлена в таблице 1.

Таблица 1 — Техническая характеристика заторного аппарата ВКЗ-5

2 Расчёт площади поверхности теплопередачи При расчёте площади поверхности теплопередачи заторного аппарата определяют тепловой поток при наибольшей тепловой нагрузке, которая наблюдается при нагревании заторной массы. В этом случае необходимое количество теплоты для нагревания заторной массы Q (кДж) определяется по формуле:

(2.1)

где G_зат — масса нагреваемого затора, кг;

С_зат — удельная теплоёмкость заторной массы, кДж/(кг· К);

t_зат.к и t_зат.н — конечная и начальная температуры заторной массы, ^оС.

Удельная теплоёмкость заторной массы равна:

(2.2)

где С_в — удельная теплоёмкость воды, С_в = 4,19 кДж/(кг· К);

С_сол — удельная теплоёмкость солода, кДж/(кг· К).

По классической технологии для настойного способа затирания расходуется 400 литров воды на каждые 100 кг солода, то есть G_в = 4G_сол.

Удельная теплоёмкость солода равна:

(2.3)

где С₀ — удельная теплоёмкость сухих веществ солода, С₀ = 1,42 кДж/(кг· К);

W_сол — влажность солода, %.

Обычно солод, поступающий на затирание, имеет влажность 3…5%, примем W_сол = 3%, тогда

кДж/(кг· К). 1

Общее количество получаемой заторной массы равно:

кг. (2.4)

Значит по формуле (2.2):

кДж/(кг· К). 1

Тогда количество теплоты, необходимое для нагревания заторной массы будет равно по формуле (2.1):

кДж. 1

Необходимая площадь поверхности нагревания (теплопередачи) заторного аппарата (м²), исходя из определённой скорости нагревания:

(2.5)

где К_Н — коэффициент теплопередачи при нагревании заторной массы, кВт/(м²· К);

Дt_Н — средняя разность температур между обменивающимися средами, ^оС;

ф_Н — продолжительность нагревания, с, ф_Н = 14 400 с.

Давление насыщенного пара, применяемого для нагревания затора:

МПа. (2.6)

При данном давлении температура насыщения пара по уравнению интерполяции будет равна:

^оС .)

По условию задания пар отводится при температуре насыщения, то есть t_н.п = t _к.п = 138 ^оС.

Средняя разность температур между обменивающимися средами равна:

(2.7)

где

^оС; 1

^оС. 1

Тогда

^оС. 1

Коэффициент теплопередачи К_N при нагревании заторной массы равен:

(2.8)

где б₁ и б₂ — соответственно коэффициенты теплоотдачи от горячего теплоносителя (греющего пара) к стенке паровой рубашки и от поверхности паровой рубашки к заторной массе, Вт/(м²· К);

r_загр1 и r_загр2 — термические сопротивления загрязнений со стороны греющего пара и затора соответственно;

д — толщина стенки паровой рубашки, то есть толщина листовой стали, м, д = 0,012 м;

л_ст — теплопроводность материала стенки, Вт/(м· К), теплопроводность стали 3 л_ст = 46,5 Вт/(м· К).

Коэффициент теплопередачи от греющего пара к стенке находим по формуле [1]:

(2.9)

где С_п — коэффициент пропорциональности, для вертикальной стенки С_п = 0,533;

л — коэффициент теплопроводности конденсата, Вт/(м· К);

с_конд — плотность конденсата, кг/м³;

м — коэффициент динамической вязкости конденсата, Па· с;

r — скрытая теплота парообразования, Дж/кг;

Н_ст — высота стенки, м, Н_ст = 2,4 м;

t_п и t_ст — температура пара и стенки паровой рубашки, ^оС.

Величины л, с_конд и м принимают по средней температуре плёнки конденсата:

. (2.10)

Температура стенки рассчитывается из следующего допущения [3]:

^оС, (2.11)

отсюда

^оС. 1

Тогда

^оС. 1

При температуре t_ср = 135,5 ^оС:

Вт/(м· К), 1

кг/м³, 1

Па· с. 1

Величину r принимают при температуре насыщенного пара t_н.п = 138 ^оС.

При 138 ^оС:

кДж/кг 1

Тогда по формуле (2.9):

Вт/(м²· К).

Коэффициент теплоотдачи от поверхности паровой рубашки к затору б₂ находим по формуле [4]:

(2.12)

где Nu — определяемый критерий теплообмена Нуссельта, который равен:

(2.13)

где Re_меш — критерий Рейнольдса мешалки заторного аппарата;

Pr — критерий Прандтля;

м_зат и м_ст — коэффициенты динамической вязкости заторной массы при средней температуре и при температуре стенки аппарата соответственно, Па· с.

Для рассчитываемого заторного аппарата ВКЗ-5 выбираем мешалку типа лопастная, основные размеры которой приведены в таблице 2.

Таблица 2 — Характеристика мешалки для заторного аппарата ВКЗ-5

То есть диаметр мешалки d_м равен:

м. (2.14)

Ширина лопасти мешалки b равна:

м. (2.15)

Высота установки мешалки h_м:

м. (2.16)

Тогда критерий Рейнольдса мешалки можно вычислить по формуле:

(2.17)

где n частота вращения мешалки, с^-1, n = 0,52 с^-1.

Вязкость затора определяем как вязкость суспензии, состоящей из дробленого солода и воды:

(2.18)

где м_в — коэффициент динамической вязкости воды, Па· с;

V_т.ч — объём твёрдых частиц солода в заторной массе, м³;

V_см — общий объём суспензии, м³.

Для классического настойного способа затирания V_т.ч /V_см = 0,33.

При средней температуре Дt'= 0,5· (t_ст + t_ср.з) = 0,5· (133+87,5) = 110 ^оС м_в = 0,256· 10^-3 Па· с. Тогда

Па· с. 1

Согласно формуле (2.17) критерий Рейнольдса мешалки равен:

. 1

Критерий Прандтля находят по формуле:

(2.19)

где л_зат — коэффициент теплопроводности затора, при средней температуре Дt'= 110 ^оС, Вт/(м· К), который находится методом экстраполирования по рисунку 1.

Из рисунка 1 видно, что при температуре 110 ^оС л_зат = 0,605 Вт/(м· К).

Тогда

. 1

Рисунок 1 — Зависимость коэффициента теплопроводности затора от температуры.

Коэффициент динамической вязкости при температуре стенки аппарата t_ст = 133 ^оС:

Па· с. 1

А значит критерий Нуссельта равен, исходя из формулы (2.13):

А по формуле (2.12):

Вт/(м²· К). 1

Термические сопротивления загрязнений со стороны горячего и холодного теплоносителей принимаем [3]:

r_загр1 = 0,0005 (м²· К)/Вт;

r_загр2 = 0,0002 (м²· К)/Вт.

Коэффициент теплопроводности при нагреве заторной массы равен тогда согласно формуле (2.8):

Вт/(м²· К). 1

Исходя из проделанных выше расчетов определяем необходимую площадь поверхности нагревания заторного аппарата по формуле (2.5)

м². 1

3 Определение расхода пара Расход пара в аппарате определяем из уравнения теплового баланса:

(3.1)

где D_п — расход греющего пара, кг;

W_вып — количество выпариваемой влаги, кг;

i_п, i_вт, i_к — соответственно удельная энтальпия греющего пара, вторичного пара и конденсата, кДж/кг;

Q_пот — потери теплоты в окружающую среду, кДж;

С_вып — теплоёмкость воды при температуре кипения затора, кДж/(кг· К), С_вып = 4,23 кДж/(кг· К);

Отсюда расход греющего пара равен:

. (3.2)

При настойном способе затирания количество выпариваемой влаги составляет 2% от массы затора, то есть

кг (3.3)

При температуре насыщенного водяного пара (греющего пара) t_н.п = 138^оС:

кДж/кг, 1

кДж/кг. 1

Давление вторичного пара Р_бар = 0,1033 МПа, тогда

кДж/кг. 1

Потери теплоты в окружающую среду Q_пот рассчитываются по формуле:

(3.4)

где б_об — коэффициент теплоотдачи конвекцией и лучеиспусканием, Вт/м²· К;

t'_ст, t_возд — температуры стенки аппарата и воздуха соответственно, ^оС.

. (3.5)

Для зимнего периода работы, когда потери тепла в окружающую среду максимальны, примем t_возд = 15 ^оС.

По технике безопасности температура стенки не должна превышать 40 ^оС [2], то есть t'_ст = 40 ^оС. Тогда согласно формуле (3.5):

Вт/м²· К. 1

Тогда, исходя из выражения (3.4)

кДж. 1

Общий расход греющего пара с учётом потерь в окружающую среду по (3.2):

кг. 1

Удельный расход пара на 100 кг зернопродуктов равен:

кг. 1

4 Расчёт мощности электродвигателя мешалки Поскольку Re_меш > 50 (Re_меш = 122,5· 10⁵), то режим движения можно считать турбулентным. Для лопастной мешалки установлена следующая зависимость между критериями мощности и Рейнольдса для турбулентного режима:

. (4.1)

Поправочные коэффициенты, которые влияют на мощность привода мешалки, определяются следующими выражениями:

(4.2)

где б — коэффициент, учитывающий отношение D/d_м для лопастной мешалки, б = 3,0;

(4.3)

где

Н_ап = Н_ц + h_дн + h_кр = 2,4 + 1,2 + 0,72 = 4,32 м; (4.4)

(4.5)

где в — коэффициент, учитывающий отношение b/d_м для лопастной мешалки, в = 0,25.

Критерий мощности для перемешивания заторной массы равен:

. (4.6)

Мощность, требуемая для перемешивания в аппарате равна:

Вт. (4.7)

С учётом КПД передачи и сопротивлений, возникающих в аппарате при движении затора, мощность электродвигателя:

(4.8)

где f_г — коэффициент сопротивления гильзы для термометра, f_г = 1,1;

f_тр — коэффициент сопротивления трубы для стягивания заторной массы, f_тр = 1,2;

f_ш — коэффициент, учитывающий шероховатость стенок аппарата, f_ш = 1,1;

з — КПД передачи, з = 0,85. Тогда

Вт. 1

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе был осуществлён расчёт заторного аппарата — неотъемлемой части такого технологического этапа пивоваренного производства, как приготовление сусла.

Спроектированный заторный аппарат имеет внутренний диаметр равный 4,8 м и рассчитан на единовременное затирание 5500 кг солода. Он соответствует стандартной модели заторного аппарата ВКЗ-5. По заданию же проекта затирается 4000 кг солода, а значит, сокращается расход греющего пара, он по итогам работы оказался равен 1937,9 кг. Также была выбрана мешалка типа лопастная с числом лопастей, равным двум. Данный тип мешалки прост в исполнении, хорошо подходит для перемешивания вязких смесей, какой является смесь солод — вода. Также мы рассчитали необходимую мощность для привода мешалки — 11 кВт.

В итоге можно сказать, что рассчитанный заторный аппарат пригоден для крупных заводов, так как позволяет затирать одновременно большое количество сухого солода. А в связи с этим экономятся производственные площади и время на технологическом этапе приготовления сусла.

1. Кретов И. Т., Антипов С. Т., Шахов С. В. Инженерные расчёты технологического оборудования предприятий бродильной промышленности. — М.: КолосС, 2004. — 391 с.

2. Антипов С. Т., Кретов И. Т., Остриков А. Н. и др. Машины и аппараты пищевых производств. — М.: Высш. шк., 2001. — Кн. 2. — 680 с.

3. Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. — Л.: Химия, 1987. — 576 с.

4. Кавецкий Г. Д., Васильев Б. В. Процессы и аппараты пищевой технологии. — М.: КолосС, 2000. — 551 с.

5. Лащинский А. А., Толчинский А. Р. Основы конструирования и расчёта химической аппаратуры: справочник. — Л.: Машиностроение, 1970. — 752 с.