Белгородский  государственный  технологический  университет им. В.Г. Шухова

    Институт  технологического оборудования и комплексов

    Кафедра механического оборудования

    Расчетно-пояснительная  записка к курсовой работе

    по  дисциплине:

    «Технологическое  оборудование»

    на  тему:

      «................................................................................................» 
 
 
 
 
 
 
 

    Разработал: 

    Руководитель: к.т.н., доцент  
Карпачев Д. В.

    Белгород 2011г.

     СОДЕРЖАНИЕ

      стр.

    Введение

    1.Анализ состояния и развития техники и технологии в производстве сахара 6

    2. Назначение, описание конструкции и принципа действия вакуум-аппарата Ж4-ПВА 14

    3. Расчет основных параметров вакуум-аппарата Ж4-ПВА 18

    Заключение 33

    Список  литературы 34

    Приложение 

     ВВЕДЕНИЕ

    Одной из основных задач, стоящей перед пищевой промышленностью и пищевым машиностроением, является создание высокоэффективного технологического оборудования, которое на основе использования прогрессивной технологии значительно повышает производительность труда, сокращает негативное воздействие на окружающую среду и способствует экономии исходного сырья, топливно-энергетических и материальных ресурсов.

    Анализ  современного состояния и тенденций  развития пищевых и перерабатывающих отраслей АПК России свидетельствует о том, что технический уровень производств нельзя признать удовлетворительным. Лишь 19% активной части производственных фондов предприятий соответствуют мировому уровню, около 25% подлежат модернизации, а  
42% – замене.

    Потребность в важнейших видах оборудования для предприятий удовлетворяется в последние годы только на 60...70%. Это является следствием того, что перерабатывающая промышленность была вынуждена в течение длительного времени закупать оборудование за рубежом. В результате этого на предприятиях почти треть (27%) всего парка технологического оборудования составляет импортная техника.

    Производительность  труда на российских предприятиях, перерабатывающих сельскохозяйственное сырье, в 2...3 раза ниже, чем на аналогичных  предприятиях развитых стран; более 50% трудоемких операций на отечественных предприятиях выполняют вручную. Лишь 8% действующего оборудования работает в режиме автоматических линий.

    Более 1/3 парка машин и оборудования отработало уже два и более  амортизационных срока. Степень  износа основных средств составляет 70%.

    Недостаточные темпы обновления активной части  основных производственных фондов привели  к тому, что удельный вес изношенного  оборудования, находящегося в эксплуатации свыше 10 лет, составил в целом по пищевой промышленности 35%, а в сахарной, масложировой, табачной, дрожжевой и кондитерской промышленности – 40...70%. Обновление парка оборудования в настоящее время не превышает 3.. .4% вместо необходимых 8... 10% в год.

    Общий уровень механизации производства пищевых и перерабатывающих отраслей АПК не превышает 44%.

    Эти цифры свидетельствуют о том, какое огромное значение для развития пищевой промышленности России имеет  плодотворная деятельность инженеров-механиков.

    Сахарное  производство является наиболее сложным  по технологии и составу оборудования из всех предприятий пищевой промышленности.

    Сахар – практически чистая сахароза, обладающая сладким вкусом, легко и полностью усваиваемая организмом, способствующая быстрому восстановлению затраченной энергии. Сахароза – это дисахарид, который под действием кислоты или фермента расщепляется на глюкозу и фруктозу (инвертный сахар). Сахароза может находиться в двух состояниях: кристаллическом и аморфном. По химической природе сахар является слабой многоосновной кислотой, дающей с оксидами щелочных и щелочноземельных металлов соединения – сахараты.

    Инвертный сахар благодаря фруктозе гигроскопичен. Он предохраняет варенье от засахаривания, замедляет процесс очерствения хлеба, предохраняет от высыхания кондитерские изделия (мармелад, пастилу, зефир, помадку и др.).

    Сахароза  хорошо растворяется в воде, при  повышении температуры ее растворимость  возрастает. В растворах сахароза является сильным дегидратором. Она  легко образует пересыщенные растворы, кристаллизация в которых начинается только при наличии центров кристаллизации. Скорость этого процесса зависит от температуры, вязкости раствора и коэффициента пересыщения.

    Исходным  сырьем для получения сахара являются сахарная свекла и сахарный тростник. Благодаря более высокой урожайности  сахарного тростника по сравнению с сахарной свеклой с каждого гектара его посевов получают сахара примерно в 2 раза больше, хотя содержание сахарозы в стеблях сахарного тростника несколько меньше, чем в сахарной свекле.

    Сахарная  промышленность выпускает следующие  виды сахара:

    – сахар-песок – сыпучий пищевой продукт белого цвета (без комков), имеющий сладкий вкус без посторонних привкусов и запахов (с содержанием влаги не более 0,14%, сахарозы не менее 99,75%, металлопримесей не более 3 мг на 1 кг сахара, с размерами на более 0,3 мм);

    – сахар жидкий – жидкий пищевой продукт светло-желтого цвета, сладкий на вкус, без посторонних привкусов и запахов (с содержанием сахарозы не менее 99,80% для высшей категории и не менее 99,5% для первой категории, с содержанием сухих веществ не менее 64%);

    – сахар-рафинад – кусковой прессованный сахар, рафинадный сахар-песок и рафинадная пудра белого цвета, сладкие на вкус, без посторонних привкусов и запахов (с содержанием сахарозы не менее 99,9%, редуцирующих веществ не более 0,03%, влаги не более 0,2%).

     1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ И РАЗВИТИЯ  ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИИ В ПРОИЗВОДСТВЕ  САХАРА

    Сахарная  промышленность включает предприятия  по производству сахара-песка и сахара-рафинада. В свою очередь, в зависимости от перерабатываемого сырья и особенностей технологического производства, делятся на свеклосахарное и тросниковое.

    Сахарное  производство относится к числу  наиболее материалоемких отраслей, в  которой на производство единицы  готовой продукции расходуется 8-10 единиц сахарной свеклы.

    В Российской Федерации их насчитывается  около девяносто пяти крупных  заводов. Причем основное количество сахарных заводов сосредоточены в центрально-черноземном  районе.

    Коэффициент использования мощности по России 87%, степень автоматизации 60%, степень механизации 80%.

    Потери  сахара в производстве в целом  к массе свеклы составляет 1,2%, причем 30% потерь приходится на уборку, хранение и удлинение сроков переработки.

    Выпаривание – концентрирование растворов при кипении за счет превращения в пар части растворителя. Образующийся при этом вторичный пар может быть использован как горячий теплоноситель в других аппаратах. В пищевой промышленности обычно выпаривают водные растворы: свекловичный сок, барду, молоко и др.

    Выпарные  аппараты предназначены для повышения концентрации вещества, находящегося в растворе, или частичного выделения его в твердом виде из пересыщенного раствора выпариванием растворителя.

    Многокорпусные  выпарные установки позволяют более экономично использовать теплоту благодаря многократному использованию пара и снижать количество выпаренной воды в последнем корпусе.

    Сок сгущают в выпарных установках, которые  являются потребителями отработавшего  пара и одновременно генераторами пара для технологических нужд. В них пар более высокого потенциала преобразуется в пар с пониженным давлением и температурой, который затем используется для нагревания различных промежуточных продуктов.

    Выпарные  установки классифицируют: по давлению вторичного пара в последнем корпусе (работающие при избыточном давлении и под разрежением) и по числу корпусов (трех-, четырех- и пятикорпусные). При этом выпарные установки компонуют из вертикальных выпарных аппаратов с естественной циркуляцией сока, имеющих номинальную площадь поверхности теплообмена: 500, 600, 800, 1000, 1180, 1500, 1800, 2120, 2360, 3000 и 4500 м².

    Вакуум-аппараты работают при давлении ниже атмосферного и предназначены для уваривания утфелей. Форма корпуса вакуум-аппарата зависит от его конструкции и бывает цилиндрической (с расширенной верхней частью), сферической или прямоугольной с полукруглой крышкой. Греющие камеры вакуум-аппаратов могут иметь различную конструкцию. Наибольшее распространение получили вакуум-аппараты с подвесными греющими камерами, верхние и нижние трубные решетки которых имеют различную конфигурацию (конические, сферические, двускатные и др.). Пар поступает в межтрубное пространство греющих камер, а увариваемый продукт перемещается внутри труб.

    Диаметр греющей камеры в большинстве  конструкций вакуум-аппаратов меньше диаметра корпуса аппарата, таким образом, между стенками греющей камеры и корпусом вакуум-аппарата образуется кольцевое пространство, по которому циркулирует утфель.

    Сепарирующие  устройства в вакуум-аппаратах, так  же как и в выпарных аппаратах, предназначены для отделения от вторичного пара капель продукта. Так как в вакуум-аппаратах продукт имеет большую вязкость, то используются сепараторы только инерционного типа, которые устанавливаются над утфельным пространством в верхней части корпуса аппарата.

    Утфели  увариваются при температурах 70...80°С при остаточном давлении в надутфельном пространстве аппаратов около 0,015 МПа. Перепады температуры в вакуум-аппаратах составляют 30...50°С при обогреве паровых камер вторичным паром выпарных установок и около 80°С при обогреве свежим паром.

    Существует  много типов вакуум-аппаратов. Это  связано с поиском наиболее совершенных  конструкций, удовлетворяющих всем требованиям технологического и  конструктивного порядка.

    Вакуум-аппараты можно классифицировать следующим образом:

    по  технологическому циклу – периодические и непрерывные;

    по  конструкции корпуса – цилиндрические и сферические;

    по  пространственному положению –  вертикальные и горизонтальные;

    по  конструкции поверхности нагрева  – со змеевиковой поверхностью, кольцевой поверхностью, трубчатыми камерами и т.д.;

    по  виду циркуляции утфеля – с естественной и искусственной циркуляцией.

    Наибольшее  распространение получили такие  выпарные установки и аппараты как:

    Выпарной  аппарат типа ВАГ (рис. 1.1) представляет собой цилиндрический корпус 3 сварной конструкции, внутри которого установлены греющая камера 4 и сепаратор 1 для улавливания капель выпариваемого продукта. Внизу корпус имеет съемное днище б, на котором размещены люк 15 и патрубок для спуска 16. В циркуляционной трубе 9 паровой камеры смонтированы направляющая воронка 10 и труба 8 с воронкой для отвода сгущенного сока из аппарата.

    Пар в греющую камеру 4 подводится через  восемь штуцеров 5, расположенных в  два яруса. Для лучшего распределения  пара в межтрубном пространстве греющей камеры устроены проходы. Неконденсирующиеся газы отводятся из верхней части греющей камеры при помощи разветвленной системы труб 11.

    Сок, поступивший в аппарат через  патрубок 17, направляется кольцевым  распределителем 7 в кипятильные  трубки. Выброшенный из кипятильных трубок на верхнюю трубную решетку сок стекает по направляющей воронке 10 в сокоотводящую трубу 8. Так как последняя вследствие гидравлического сопротивления или соответствующего регулирования потока не может пропустить все количество сока, часть сока стекает по циркуляционной трубе 9 и вновь поднимается по кипятильным трубкам.

    Рис. 1.1 Выпарной аппарат типа ВАГ

    Аппарат снабжен сепаратором 1 инерционного типа. Пар из сепаратора удаляется  через патрубки 2 и 14, а отделенные капли продукта – через систему труб 13. Для наблюдения за уровнем сока в аппарате имеются смотровые стекла 12.

    Выпарной  аппарат ВЦ-1500 (рис. 1.2) состоит из тех же узлов, что и аппарат ВАГ. В верхней части аппарата установлен фланец 1, а в средней – опора 12. Трубные решетки б и 9 паровой камеры плоские, двускатные с наклоном 1:20 к наружным стенкам корпуса аппарата 5. Наклон нижней трубной решетки обеспечивает полный отвод конденсата из греющей камеры 8, верхней решетки – быстрый сток циркулирующего сока в циркуляционные трубы 7. За уровнем сока наблюдают через смотровое стекло 4. Аппарат снабжен сепаратором 2, пар из которого удаляется через вентиль 3.

    Рис 1.2 Выпарной аппарат ВЦ-1500

    Циркуляционные  трубы 7 установлены вне корпуса  аппарата, что позволяет в аппарате того же диаметра разместить большую поверхность нагрева. Аппараты с площадью поверхности нагрева 1500 и 1800 м² имеют по две циркуляционные трубы, 2120 и 2360 м² – по четыре.

    Сок поступает в нижнюю часть аппарата к днищу 11. Сироп отводится из аппарата через штуцера 10, расположенные в нижней части циркуляционных труб.

    Подвод  пара в греющую камеру 8 осуществляется через несколько патрубков, расположенных  по высоте камеры с двух сторон. Аммиачные  газы удаляются через оттяжки, расположенные  над верхней трубной решеткой в наивысшей точке.

    Для увеличения площади поверхности  нагрева в аппарате трубная решетка  максимально заполнена трубками. Оставлен только один центральный канал  для ввода и распределения  пара. Шаг трубной решетки принят равным 43...45 мм.

    Вакуум-аппараты типов ВАЦ, ЯВА  и ВАР различаются лишь конструкцией греющей камеры. Греющая камера аппарата ВАЦ-600-700 изображена на рис. 1.3, а,  и состоит из двух частей – наружной 4 и внутренней 5. Продукт подводится в греющую камеру по трубе 3. Для подвода пара во внутреннюю камеру по штуцеру 10 в корпусе ее имеются отверстия 12 – окна. Верхняя трубная решетка паровой камеры имеет коническую двускатную форму: трубная решетка 1 наружной части камеры имеет уклон к корпусу аппарата, а решетка 2 внутренней части – к циркуляционной трубе. Такое устройство верхней трубной решетки, особенно при больших диаметрах аппаратов, значительно улучшает циркуляцию утфеля при уваривании. Нижние трубные решетки 9 и 10 обеих частей камер имеют уклон в одну сторону. Конденсат из обеих паровых камер собирается в кармане 8 и отводится по трубе 7.

    Штуцера 11 для подвода пара в греющую  камеру имеют мембраны, воспринимающие температурные расширения.

    Устройство  для спуска утфеля 6 из аппарата по конструкции  аналогично устройству, применяемому в аппаратах типа ПВА.

    Рис. 1.3 Греющие камеры вакуум-аппаратов:

    а – типа ВАЦ, б – типа ЯВА, в – типа ВАР

    На  рис. 1.3, б представлена греющая камера вакуум-аппаратов типа ЯВА. Греющая камера этого аппарата не имеет трубных решеток. Она выполнена из нагревательных трубок и состоит из трех частей – средней 6 и двух надставок 5, приваренных к средней части. Надставки отштампованы в виде шестигранников. Трубы устанавливаются ступенчато, и грани шестигранников свариваются между собой, образуя верхнюю и нижнюю трубные решетки с определенным углом наклона к горизонтальной плоскости. Греющая камера состоит из устройства для спуска утфеля 1, трубы для отвода конденсата 2, кармана 3 и штуцера для подвода пара 4.

    Греющая камера вакуум-аппарата ВАР (рис. 1.3, в) состоит из трубных решеток 1 и 4, прикрепленных на кронштейне 2 к корпусу 3, кармана 5, уплотнения 6, трубы 7, устройства для спуска утфеля 8 и штуцера для подвода пара 9.

    Вакуум-аппарат  предназначен для увеличения концентрации сахара в сиропе, путем вываривания воды, и для выращивания кристаллов сахара. Процесс протекает под разряжением для снижения температуры кипения.

    Вакуум-аппараты применяются в сахарной промышленности. Кроме того данные устройства применяются для сгущения молока и других продуктов, где необходимо снизить температуру кипения и повысить концентрацию растворов.

    Вакуум-аппарат  Ж4-ПВА представляет собой цилиндрический вертикальный сосуд сварной конструкции  с коническими днищами. Аппарат состоит из верхней 2 и нижней 1 части корпуса, камеры паровой 3, спускного затвора 4. Верхняя часть аппарата состоит из высокого двойного конуса, внутри которого расположена ловушка 6 для сепарации из пара капельножидкого уноса увариваемого продукта, увлекаемого паром.

    Нижняя  часть аппарата заканчивается горловиной для спуска утфеля к которой подвешен спускной затвор с гидравлическим управлением 7. Уплотнение клапана достигается посредством резиновой прокладки в месте соприкосновения с горловиной днища корпуса аппарата. Главный гидравлический цилиндр управляет тарелкой клапана, а вспомогательный замок предотвращает возможность открытия клапана от случайных причин.

    В нижней части корпуса аппарата находится  подвесная паровая камера, снабженная вертикальными обогревательными трубами 8, вваренными в трубные решетки. Верхняя 9 и нижняя 10 трубные решетки конические. В центре камеры установлена циркуляционная труба 11. Греющий пар через два штуцера расположенных под углом 180º, поступает в камеру. Паровая камера снабженная оттяжками 12 для неконденсирующих газов и воздуха (аммиачная оттяжка), а также отводом для спуска конденсата. 

    Паровая камера относится к сварным сосудам, на которые распространяется действие "Правил устройства и безопасности эксплуатации сосудов, работающих под давлением" и ОСТ26-291-71, и подлежит регистрации в органах Государственного технологического надзора РФ.

    В процессе уваривания утфельная масса  в аппарате циркулирует поднимаясь по кипятильным трубам вверх и опускаясь по циркуляционной трубе и кольцевому промежутку между стенкой аппарата и подвесной камерой вниз.

    Для наблюдения за кипением, постепенным  повышением уровня и заполнением  вакуум-аппарата увариваемой массой по высоте установлены смотровые окна 13.

    В нижней части вакуум-аппарата имеется  пробный кран 14 для отбора проб увариваемого утфеля. При повороте крана на 180º заполнившая углубление пробки увариваемая масса вытекает наружу на подставленной к крану стекло.

    Вакуум-аппарат  Ж4-ПВА снабжен наборной коммуникацией, коллектором к которому присоединяются вентили, служащие для подвода в аппарат сиропа и оттоков. Заполнение вакуум-аппарата сиропом производится при открытом воздушном затворе, который предназначен для регулирования разрежения в аппарате во время процесса варки.

    Перед заполнением вакуум-аппарата сиропом  и патоками необходимо закрыть спускной затвор. Перед спуском утфеля из вакуум-аппарата прекращается подача греющего пара, закрывается воздушный затвор отбора соковых паров и открывается воздушный вентиль, соединяющий аппарат с атмосферой. После этого открывается спускной затвор и утфель поступает на дальнейшую переработку.

    Обслуживание  аппарата может быть поручено лицам  достигшим 18-летнего возраста, прошедшим  производственной обучение и аттестацию в квалификационной комиссии и инструктаж по безопасному обслуживанию аппарата. Результаты аттестации оформляются протоколом, подписанным председателем и членами квалификационной комиссии. Лицам, сдавшим испытания, должны быть выданы удостоверения за подписью председателя комиссии.

    Вакуум-аппарат  Ж4-ПВА работает следующим образом. По техническим коммуникациям завода сироп или патока, направляемые на уваривание утфеля соответствующего продукта, набирается в вакуум-аппарат, находящийся под разряжением при открытом воздушном клапане. Когда набираемый продукт покроет паровую камеру, в нее дается греющий пар. При кипении набранный продукт сгущается, для образования кристаллов в аппарат вводят сахарную пудру. При непрерывной или периодической подкачке свежих порций исходных продуктов эти кристаллы растут, и количество утфеля увеличивается. Когда вакуум-аппарат заполнен утфелем, подкачка прекращается, утфель сгущается до требуемого содержания сухих веществ, после чего доступ пара в греющую камеру прекращается. Закрывается воздушный вентиль, вакуум-аппарат сообщается с атмосферой и при постепенном открытии спускного затвора утфель спускается из аппарата в утфелемешалку под собственным весом. При открытом спускном затворе вакуум-аппарат пропаривают. Затем спускной затвор закрывают и цикл повторяется.

    3.1 Расчет поверхности нагрева паровой камеры

    Расчет  поверхности нагрева подвесной  односкатной паровой камеры производим по среднему диаметру кипятильных труб.

    Средний диаметр равен:

    Поверхность нагрева паровой камеры (номинальная), м² [6]:

    где F_тр – поверхность нагрева кипятильных труб, м²;

    F_у – поверхность нагрева циркуляционной трубы, м²;

    F_об – поверхность нагрева обечайки корпуса паровой камеры, м²;

    F_{тр р} – поверхность нагрева верхней и нижней трубных решеток, м².

    Определяем  поверхность нагрева кипятильных  труб [6]:

    где l – активная длина трубы, l=1203 мм ,

    n – количество труб в камере, n=514 ,

    Определяем  поверхность нагрева циркуляционной трубы паровой камеры, м² [6]:

    где l – активная длина трубы, l=1203 мм,

    D_трвн – внутренний диаметр циркуляционной трубы, D_трвн=0,808 м,

    Определяем  поверхность нагрева обечайки корпуса  паровой  
камеры, м² [6]:

    где D_к – наружный диаметр обечайки камеры, D_к=3,434 м,

    l – высота обечайки, l=1,203 м,

    Определяем  поверхность нагрева верхней  и нижней трубных  
решеток [6]: