ОГЛАВЛЕНИЕ 
 

ЗАДАНИЕ……………………………………………………………..2 

РЕФЕРАТ……………………………………………………………...4

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………...5 

1 НАЗНАЧЕНИЕ И ПРИНЦП РАБОТЫ ГИДРОЦИКЛОНА………………………………………..…………..6 

2 ОСНОВНЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ПРИГОТОВЛЕНИИ ПИВА……………………………………………..…………………...8 

2.1. ПРИГОТОВЛЕНИЕ ПИВНОГО СУСЛА………………………………………………………………...8  

2.1.1 ГИДРОЗ  КРАХМАЛА………...………………………………..9 

2.1.2 РАСЩЕПЛЕНИЕ  БЕЛКОВ И ДРУГИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ  ЗАТИРАНИИ………………………………………………………….9 

2.1.3 КИПЯЧЕНИЕ  СУСЛА С ХМЕЛЕМ ………………………...11 

2.1.4 ОХЛАЖДЕНИЕ И ОСВЕТЛЕНИЕ СУСЛА………………...11 

3 РАСЧЕТ  ОПТИМАЛЬНЫХ РАЗМЕРОВ ГИДРОЦИКЛОННОГО АППАРАТА…………………………………………………………13 

ВЫВОД………………………………………………………………17 

БИБЛИОГРАФИЧЕСИЙ СПИСОК………………………………..18 
 

РЕФЕРАТ

   Проект 18 с., 3 таблицы, 4 источника, 2 листа формата А1 графического материала.

   Курсовой  проект содержит 18  страниц реферативной и расчетной части. Два             источника и графическую часть, состоящую из двух листов. Первый лист – схема гидроциклонного аппарата, второй – график зависимости  приведенных затрат от диаметра  гидроциклонного аппарата.

   Объектом  моего проекта является гидроциклонный  аппарат , производительностью 1000 дал/сутки , для осветления сусла в пивоваренной промышленности.

   Цель  курсового проекта – найти  оптимальный вариант диаметра гидроциклонного аппарата с минимальными затратами, при этом производительность должна оставаться постоянной.

   В данной работе описано устройство гидроциклонного  аппарата и принцип её  действия. Приведены расчеты приведенных  эксплуатационных затрат и найден оптимальный вариант диаметра аппарата, она равна  м.  
 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ

          Целью охлаждения и осветления  сусла являются понижение температуры  до температуры главного брожения, насыщение сусла кислородом воздуха  и осаждение взвешенных частиц сусла.

          В процессе охлаждения сусла  кислородом из воздуха адсорбируется  веществами сусла, образуются  грубые и тонкие взвешенные  частиц, постепенно выпадающие в  осадок, в результате чего сусло  осветляется. Таким образом, охлаждение  и осветление сусла характеризуется физико - химическими и  химическими процессами.

            Связывание кислорода компонентами  сусла пропорционально температуре.  При температуре 40-85ºС кислород  воздуха химически взаимодействует  с сахарами, азотистыми и горькими веществами, хмелевыми смолами, полифенолами сусла и окисляет их. Окислительные процессы отрицательно влияют на качество сусла и пива, но вместе с тем они необходимы для образования  стойких коллоидных комплексов, постепенно укрупняющихся до взвешенных частиц.

             Чтобы сократить нежелательные окислительные процессы до минимума, общая продолжительность не должна превышать 100 мин. Для осветления сусла применяют отстойные чаны, гидроциклонные аппараты, сепараторы. 
 
 
 
 

   1 НАЗНАЧЕНИЕ  И ПРИНЦИП РАБОТЫ ГИДРОЦИКЛОННОГО АППАРАТА 

     Принцип создания центробежной  силы путем вращения потока  используют для разделения и  жидких систем. Конструкция гидроциклона  мало отличается от конструкции  циклона(рис.1).  Аппараты для разделения газовых неоднородных систем, в которых используются центробежная сила, возникающая потока, называют циклонами. Основное отличие заключается в укороченной цилиндрической части, что связано с большей плотностью жидкости и меньшими живыми сечениями для больших расходов. Габаритные размеры гидроциклонов(диаметр 125… 600 мм) также значительно меньше. Исходная суспензия подается в аппарат через тангенциально установленный патрубок 1 в цилиндрическую камеру корпуса 2, где поток закручивается и по спирали спускается вниз. Тяжелые твердые частицы осаждаются на внутренней конической поверхности 3 и сползают вниз, к патрубку для выхода осадка. Очищенная жидкость через центральную трубку 5 отводится к сливу 6.

         Производительность гидроциклона (м³/с):

   W=K· D· d· √∆p

   Рисунок 1 Схема гидроциклона 

        Увеличение центробежной скорости путем увеличения давления на входе в циклон ограничивается условиями образования пустот внутри вращающегося объема жидкости частицы. Как и обычных циклонов, эффект разделения в гидроциклоне тем выше, чем меньше диаметр. 

   2 ОСНОВНЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ПРИГОТОВЛЕНИИ ПИВА 

   Главная стадия приготовления пивного сусла  – затирание зернопродуктов. Целью  затирания является перевод из солода и несоложеных материалов в водный раствор растворимых и нерастворимых  частей зернопродуктов, составляющих экстракт сусла и пива.

   Экстрактивные вещества зернопродуков переходят  в сусло путем преимущественно  биохимических процессов, поскольку  в ячмене и солоде они находятся  в виде высокомолекулярных соединений – биополимеров. При солодоращении  в зернах накапливаются гидролитические ферменты, для которых экстрактивные вещества являются субстратами. Биохимические превращения основных биополимеров солода (крахмала и белка) в процессе проращивания ячменя носят поверхностный характер и лишь подготавливают их структуру для ферментативного гидролиза в более благоприятных условиях – при затирании. Растворимые вещества ячменя и солода, в том числе продукты гидролиза при  проращивании, при затирании с водой переходят в раствор путем экстрагирования. 

   2.1 ПРИГОТОВЛЕНИЕ ПИВНОГО  СУСЛА

   Основные  биохимические процессы, происходящие при приготовление пивного сусла,- гидролиз крахмала и белков.

   2.1.1 ГИДРОЛИЗ КРАХМАЛА

   Важнейшим ферментативным процессом при затирание  является расщепление крахмала. Весовое соотношение крахмала, расщепленного при солодоращении и при затирании, равно 1: 10 и 1: 17, тогда как для белков это соотношение – 1:1.

   Расщепление крахмала в заторе катализируют амилолитические  ферменты солода, а также вносимые ферментные препараты. Под действием α-и β- амилаз солодовый крахмал при затирании гидролизуется до мальтозы и декстринов.

   Ферментативное  расщепление крахмала на продукты, которые не дают с йодом реакции, называется осахариванием крахмала. При затирании оно протекает  в три стадии: клейстеризация, разжижение, собственно осахаривание.

   2.1.2 РАСЩЕПЛЕНИЕ БЕЛКОВ И ДРУГИИ ПРОЦЕСЫ ПРИ ЗАТИРАНИЕ

   Расщепление белков, катализируемое солодовыми протеазами, при затирании происходит в среднем  на 1/3 – 2/5 общего их содержание в солоде. Более важным, чем количество белков, перешедших в сусло, является соотношение их отдельных фракций, которое должно удовлетворять условиям, наиболее благоприятным для сбраживания пивного сусла и качества готового пива.

   Из  общего количества белка, содержащегося в солоде, более половины находится «растворенном» состоянии, остальная часть белков ферментов солода или внесенных ферментных препаратов.

   Высокомолекулярные  продукты распада белков ячменя, так  же как и глобулины, альбумины, не выделяются из раствора во время кипячения и называются стойко растворимыми белками сусла. Настоящие белки при кипячении их растворов коагулируют. Фракцию белковых веществ, в которую входят коагулируемые белки, стойко растворимый белков, настоящие растворимые белковые вещества и продукты белкового расщепления, называют растворимыми белками. Та часть белковых веществ, которая не подвергалась превращениям при солодоращении и затирании, переходит в дробину. Содержание белков в солодовой дробине составляет 23-27%. Общая доля растворимых белков, образующихся при солодоращении и затирании, находится приблизительно в соотношении 1:1. Однако между ними имеется существенное качественное различие, заключающееся в том, что растворимые фракции, образовавшиеся при затирании, содержит его только 20%.

   Наряду с белками, перешедшими в сусло под действием протеолитических ферментов, другая их часть растворяется при высоких температурах затирания под влиянием присутствующих в сусле солей. Одновременно растворенные в сусле белки в процессе затирания частично осаждаются в результате кипячения затора, а также реакции белков с полифенольными веществами из оболочек солода.

   В процессе затирания гумми- вещества зернопродуктов структурно не изменяются. Переход их в сусло зависит  то способа и температуры затирания, концентрации затора. При более высокой температуре затирания в сусло из ячменя и солода переходят больше гумми- веществ, вследствие чего повышается его вязкость. В сусле, полученном из менее концентрированных заторов, содержится больше гумми- веществ, чем в сусле из более концентрированных заторов.

   Цветность сусла повышается при кипячении  густой части заторов благодаря  окислению, меланоидинообразованию ферментативными  процессами изменение цветности  не связано. Карамелизация заключается  в дегидротации сахаров сусла с образованием различных темноокрашенных продуктов – карамелей, гуминовых кислот.

   Полифенольные вещества из оболочек зернопродуктов способствуют увеличению цветности сусла тем, что при высоких температурах окисляются в красно- бурый флобафен. Они отрицательно влияют на вкус пива, так же как и малорастворимые горькие вещества из оболочек.

   2.1.3 КИПЯЧЕНИЕ СУСЛА С ХМЕЛЕМ

   Во  время кипячения  сусла с хмелем протекают следующие процессы: инактивация  ферментов, стерилизация сусла, коагуляция белковых веществ, растворение и превращение горьких веществ, превращение хмелевого масла. 

   2.1.4 ОХЛАЖДЕНИЕ И ОСВЕТЛЕНИЯ СУСЛА 
 

        Цель этой  стадии- понизить температуру до благоприятной для процессов брожения, удалить взвешенные частицы из сусла и насытить его кислородом воздуха.

         В зависимости от медотов брожения сусло охлаждают до 6-7º С . Охлаждение сусла проводят для того, чтобы снизить опасность инфицирования. Охлаждение проводят в 2 стадии: сначало сусло охлаждают сравнительно медленно до 60-70º С,а затем быстро до начальной температуры брожения.

         При охлаждение сусла содержащиеся в нем взвешенные частицы под действием силы тяжести выпадают в осадок. Различают грубые и тонкие взвеси. Грубые взвеси образуются во время кипячения сусла с хмелем; образующийся при этом осадок называют горячем или грубым осадком. Основное количество этого осадка задерживается в хмелеотделителе. Прошедшее через слой хмелевой           

   дробины горячее сусло прозрачно.

          На второй стадии выделяются вещества, растворимые в горячем и нерастворимые в холодном сусле. Осадок, образующийся на второй стадии, называется холодным или тонким осадком. Осаждение взвешенных частиц- осветление сусла- положительно влияет на протекание процесса брожения и улучшает качество пива.в горячем сусле кислород растворяется незначительно; с понижением температуре сусла растворимость кислорода увеличивается. Окислительные процессы за счет поступающего кислорода энергичнее протекают пи более высокой температуре: сусло темнеет, резко понижается хмелевые аромат и горечь. Эти процессы ухудшают качество сусла. Однако кислород содействует коагуляции белков и образования хорошего осадка в сусле, благодаря чему оно лучше осветляется.    
 
 
 
 

   3 РАСЧЕТ ОПТИМАЛЬНЫХ  РАЗМЕРОВ  ГИДРОЦИКЛОННОГО АППАРАТА 

             Определим давление на входе суспензии в гидроциклон:

   p =  ^0,36√1,66·α^0,143·V^0,715/ d;

   где α –угол конусности нижней части гидроциклона(обычно α= 10…20˚),

   V- заданная производительность гидроциклона по суспензии, м³/ч,

   d- внутренний диаметр цилиндрической части гидроциклона, м;

   p= ^0,36√ 1,66·15^0,143·2,8^0,175/0,04=707706,4673 Па.       

   Далее находим:

         - диаметр патрубка для подачи  суспензии:

   d₁ =(0,13… 0,32)d;

                      d₁ = 0,20·0,04= 0,008,м;

    - диаметр верхней насадки для  вывода осветленной жидкости:

   d₂ = (0,21…0,37)·d;

              d₂ =0,30·0,04= 0,012,м;

   - диаметр нижней насадки для  вывода сгущенной массы, м: 

   d₃ = (0,06…0,2)·d;

             d₃ = 0,2·0,04=0,008,м; 

   Находим глубину входа насадки в корпус гидроциклона: 

   h₁=(0,5…0,8)·d;

              h₁= 0,7·0,04= 0,028,м;

   Определим высоту усеченного конуса:

   h_у.к = 2·d;

                h_у.к= 2·0,04=0,08,м; 

   Определим площадь усеченного конуса аппарата:

   S_у.к=3,14·(r+r3)·h_у.к; 

            S_у.к=3,14·(0,02+0,004)·0,08=0,0060288,м²; 

   Определим высоту внутренний цилиндрической части аппарата:

   h _{в. ц}= (0,825+ 0,775+0,66)· d,м;

       h _{в. ц} = (0,825+ 0,775+0,66)·0,04=0,09044,м; 

   Определим площадь внутренний цилиндрической части аппарата: 

   S_{в. ц}=3,14· r · h_{в. ц};

              S_{в. ц}=3,14·0,02·0,0904=0,011359264,м²;

   Определим высоту цилиндрической части аппарата:

   h _ц= (0,825+ 0,775+0,66) · d_ц,м;

   h _ц= (0,825+0,775+0,66) ·0,2=0,452;

                   Определим площадь цилиндрической части аппарата:

   S_ц =3,14·r_ц · h_ц;

   S_ц = 3,14 0,1 · 0,452 =0,283856

   Определим площадь полной поверхности аппарата:

   S=S_у.к+S_{в. ц}  + S_ц;

            S= 0,0060288+0,011359264+ 0,283856=0,301244064,м²

   Металлоемкость  гидроциклонного аппарата m (кг):

   m= S·δ·7800;

   где 7800 – плотность материала аппарата (сталь), кг/м³;

          δ – толщина стенки аппарата, м.

   m= 0,30124064·0,005·7800=9,398814797,кг;

   Цена  металлоконструкции аппарата Ц (руб):

   Ц=m·300

   Ц=9,398814797·300=2819,644439 руб.

   Определим производительность гидроциклона за секунду:

   V_с = V/3600

   V_с = 2,8/3600= 0,000777778 м³/с

                             Полезная мощность насосов N_п,Вт:

   N_п =V_г·p/ 1000

   N =0,000777778·7077006,4673/1000=0,550438363,Вт.

   Балансовую  стоимость оборудования определяют по формуле:

   Б=Ц·β

   где β – коэффициент, учитывающий  затраты на доставку и монтаж (принимается 1,1 – 1,2).

   Б=2819,644439·1,2=3383,573327.

   Годовые отчисления на амортизацию, техобслуживание  и ремонт определяют по формуле:

   где α – нормы отчислений в процентах  на амортизацию, техобслуживание и  ремонт от балансовой стоимости оборудования и строительной части. Для оборудования пищевой промышленности норма амортизации составляет 6,6 – 16,7, норма отчислений на техобслуживание и ремонт 5 – 15, для зданий норма амортизации 2,5 – 5.

          10 – срок эксплуатации аппарата, лет.

   З_а= 3383,573327 ·((11+7+4)/10)= 7443,861319 руб/год;

   Затраты на энергоресурсы рассчитывают по формуле:

   З_эн= N_п· θ·  n _год· · U

   где θ - продолжительность кипячения сусла, θ = 2 ч;

          n _год - количество кипячений, n _год = 250 раз/год;

         U – стоимость 1 кг пара, U = 3 руб.

   З_эн=0,550438363·2·250·3=1155,920563руб/год.

   Приведенные затраты представляют собой:

   П=7443,861319+1155,92063=8599,781882 руб/год.

   По  данной методике расчета была составлена программа в    MS Excel для расчета оптимальных параметров гидроциклонного аппарата. По данной программе были построены графики зависимости приведенных затрат от значений диаметра аппарата.  
 
 
 
 

ВЫВОД

     В ходе выполнения курсового  проекта были построены графики  зависимости приведенных затрат для гидроциклонного аппарата, давление, металлоемкость от диаметра гидроциклонного аппарата. Вычисления приведены в виде таблиц MS Excel. По построенным графикам были найдены оптимальные значения параметров  для построения общего вида аппарата.

     Анализируя полученные графики,  можно сделать выводы. При увеличении  значения     диаметра аппарата  значение приведенных затрат увеличиваются. Из графика зависимости приведенных затрат от диаметра при постоянных значениях толщины стенки аппарата δ = 0,004 м, оптимальным значением диаметра является  0,04 м. По полученным данным чертим общий вид аппарата.

     Также на втором графике приведена  зависимость внутреннего диаметра гидроциклонного аппарата от приведенных затрат при различных значениях толщины стенки аппарата δ. Применение этого графика целесообразно так как в современных условиях необходимо знать какова эффективность использования аппарата при возможных изменениях цен.  
 
 
 

   БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 

1. Горбатюк  В. И.  Процессы и аппараты пищевых  производств. – М: Колос, 1999. – 335с.: ил.- (Учебник и учеб. Пособия для  студентов средних специальных  учебных заведений).
2. Кошевой Е.П.  Практикум по расчетом технологического оборудования пищевых производств. СПб: ГИОРД, 2005. – 232 с.: ил.
3. Хорунжина С.И.  Биохимические и физико- химические основы технологии солода и пива. – М.: Колос, 1999. – 312с.: ил.(Учебник и учеб.  Пособия для студентов высших учебных заведений).
4. Фаранжева Е.Д., Федоров В.А.  Общая технология бродильных производств.- М.: Колос, 2002. – 408 с.: ил.(Учебник и Учеб. Пособия для студентов вузов).