Теоретичні основи технологічного процесу стерилізації Літературний огляд існуючого обладнання для реалізації стерилізації
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І
НАУКИ, МОЛОДІ І СПОРТУ УКРАЇНИ ХАРКІВСЬКИЙ
ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
НАВЧАЛЬНО-НАУКОВИЙ ІНСТИТУТ ХАРЧОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ ТА БІЗНЕСУ
КАФЕДРА ПРОЦЕСІВ І АПАРАТІВ ХАРЧОВИХ ВИРОБНИЦТВ.
КУРСОВА РОБОТА
З дисципліни «Технологічне обладнання»
на тему: ВЕРТИКАЛЬНИЙ ДВОХСІТЧАСТИЙ АВТОКЛАВ.
ХАРКІВ 2011
Зміст
Вступ…………………………………………………………………
- Теоретичні основи технологічного процесу стерилізації Літературний огляд існуючого обладнання для реалізації стерилізації…………………4
- Вимоги до автоклава…………………………………………………….
.…8 - Будова та принцип дії автоклава, вибір матеріалів для його виготовлення………………………………………………
…………………10 - Проектний розрахунок обладнання (технологічний,тепловий, конструктивний та інш.)…………………………………………………….11
- Правила експлуатації та техніка безпеки…………………………………..20
- Техніко-економічне порівняння автоклава з розповсюдженими в промисловості……………………………………………
…………………..21
Висновок…………………………………………………………
Список використаної літератури………………………………………..….
ВСТУП.
Стерилізація, або знепліднення (sterilis – безплідний), - обробка продукту з метою припинення життєдіяльності клітин сировини і мікроорганізмів, у тому числі і їх спор. Спосіб консервування стерилізацією у харчовій промисловості та громадському харчуванні є основним і найбільш надійним серед всіх методів збереження харчових продуктів. При цьому ставиться завдання, що стерилізація не повинна проводити до зміни білкових і екстрактивних речовин, вітамінів органолептичних властивостей, зниження харчової та біологічної цінності продукту.
Залежно від фізичних властивостей продуктів, які стерилізуються, та мети стерилізації, застосовують різні методи знепліднення: мікроорганізмів, гарячий (волога, дробова, суха стерилізація) і холодний (механічна стерилізація, іонізація, стерилізація ультразвуком та ультрафіолетовим випромінюванням). Основним з них є теплова стерилізація за рахунок нагрівання продукту до високих температур (100°С та вище).
Теплова стерилізація в тарі припускає такі основні операції: підготовка сировини, закладання і порціонування її у банки, герметизація (закатування) банок та стерилізація. Для кожного продукту існує свій оптимум режиму стерилізації, що враховує особливості продукту і тари.
Харчові продукти, піддані тепловій стерилізації у герметичній тарі, можуть зберігатися у доброму стані протягом декількох років. Тому такий спосіб консервування є на сьогодні най розповсюдженим.
2. Теоретичні основи технологічного процесу стерилізації.
Технологічний процес стерилізації відбувається відповідно до загальних фізичних, хімічних та фізико-хімічних законів. Застосування цих законів до того чи іншого процесу дозволяє створити теорію цього процесу і методи проектування апаратів для його проведення.
Закон збереження маси в науці про процеси та апарати набуває форми матеріального балансу: кількість матеріалів, що надходить в апарат, повинна дорівнювати кількості кінцевих продуктів, отриманих в результаті проведення процесу.
Закон збереження енергії. Енергетичний баланс складають на основі закону збереження енергії: кількість енергії, введеної в процес (прихід енергії) дорівнює кількості виділеної енергії (розхід). При цьому мається на увазі теплова, механічна, електрична та інші види енергії. Найчастіше у практиці складають енергетичний баланс.
За рівнянням теплового балансу як правило визначають кількість теплоти , яку необхідно підвести в процес для його реалізації.
Закон перенесення енергії і принцип рушійної сили. Під час різних технологічних операцій головна роль належить процесам перенесення. У тепловому процесі об’єктом перенесення є теплова енергія. Ефективність перенесення енергії у цьому процесі залежить від швидкості. Швидкість процесу – це об’єм рідини, кількість теплоти, що передається в апараті через одиницю площі за одиницю часу.
Максимальна рекуперація теплоти. Найбільш поширеним теплоносієм у харчових виробництвах є водяна пара. Позитивною властивістю її є практична сталість тепловмісту зі змінним тиском. Ця властивість водяної пари дає можливість багаторазово і оптимально використовувати її енергію у серії апаратів з тиском, що поступово спадає.
Літературний огляд існуючого обладнання для реалізації стерилізації.
Для стерилізації консервів при тиску, що перевищує атмосферне, пором або у воді застосовують автоклави, працюючі періодично.
Вони бувають двох типів: вертикальні і горизонтальні. Горизонтальні автоклави призначені для стерилізації консервів в жерстяній тарі, вертикальні – всіх видів вконсервів як в жерстяній тарі, так і в скляній тарі, з цього вони отримали широке поширення на консервних заводах.
Вертикальний автоклав являє собою аппарат періодичної дії, призначений для стерилізації консервів, закупорених в тарі. Автоклав має корпус, кришку, корзини, програмний регулятор і різну арматуру.
Корпус автоклава зварний і складається з циліндричних обичайок товщиною 6мм і днища товщиною 8мм. На корпусі передбачені патрубки з фланцями для підключення пара, стисненого повітря, води і конденсату, а також штуцера для манометра, термометра і датчиків регулятора ПРП-2. В нижній частині корпусу розташовані паровий барботер і випускний патрубок.
Фланці кришки і корпусу притиснуті один до одного за допомогою поясного затиску, що складається з п'ятнадцяти секторних захоплень, укріплених на кільці з пружиною смугової сталі, і важеля системи для стягування і розведення затиску.
На кришці передбачені патрубок для підведення води і штуцера для установки запобіжного клапана і пробно-спускового крана.
Горизонтальні автоклави встановлюють на лапах. Торцеві сторони корпусу з однієї або двох сторін герметично закриті кришками на петлях; кришки оснащені затискними штурвалами. В середині автоклава є барботер для подачі пари і рейки, по яких переміщаються візок з банками.
Горизонтальні автоклави будують у розрахунку на одну, дві, чотири або шість візків; розрізняються автоклави між собою тільки за довжиною корпусу. Ці автоклави забезпечені такими ж контрольно-вимірювальними приладами і комунікаціями, як і вертикальні автоклави.
Автоклав має наступну арматуру, прилади й устаткування;
- ручні вентилі відповідно подачі стисненого повітря із системи, пара, скидання тиску з апарату, подачі повітря в апарат і холодної води із системи;
- ручні вентилі подачі холодної води для регулювання температури води, що надходить для охолодження консервів;
- манометр для виміру тиску пари;
- клапани відповідно для зливу води, подачі холодної води, скидання тиску з апарату;
- вентилятор;
- насоси;
-фільтри.
Стерилізатори безперервної дії.
Барабанні (роторні) стерилізатори виготовляють двох типів: для стерилізації в воді при атмосферному тиску і для стерилізації в парі при тиску вище атмосферного.
Установка для безперервної стерилізації складається з стерилізатора і охолоджувача, конструктивно майже однаково оформлених.
Стерилізатор являє собою нерухомий горизонтально розташований циліндричний корпус з листової сталі. Всередині його на валу обертається барабан, до зовнішньої поверхні якого паралельно валу прикріплені смуги зі сталі таким чином, що між ними розміщуються банки.
На внутрішній поверхні нерухомого корпусу знаходиться спіральна спрямовуюча зі смугової сталі з кроком, що дорівнює висоті банки. Для виведення банок з середовища з атмосферним тиском і введення їх в середу з надлишковим тиском аппарату має завантажувальний і розвантажувальний пристрій типу шлюзового затвора.
Банки ланцюговим елеватором подаються до завантажувального пристрою, а з нього - в барабан. При обертанні останнього банки переміщуються з одного кінця апарату до іншого завдяки спіральної напрямної. При цьому вони обертаються разом з барабаном навколо його осі. Одночасно банки обертаються навколосвоїх осей і здійснюють поступальний рух по ребра барабана від одного кінця до іншого.
Корпус заповнений водою температурою 100°С або парою, завдяки чому відбуваються підігрів і стерилізація консервів. Тривалість стерилізації регулюється частотою обертання барабана. З стерилізатора банки направляються в охолоджувач, побудований і працює по тому ж принципу, що і стерилізатор, однак замість гарячої води або пари він наповнюється холодною проточною водою.
Стерилізатори такого типу оснащені приладами, контролюючими та автоматично регулюють режим стерилізації. Автоматичне вимкнення стерилізатора відбувається в тому випадку, якщо температура стерилізації знизилася, а також якщо з будь-якої причини банка застрягла в приймальному або завантажувальному клапані.
Роторний стерилізатор безперервної дії, призначений для стерилізації консервів в жерстяних банках при температурі, що перевищує 100°С, складається з підігрівача, стерилізатора і охолоджувача. В підігрівачі відбувається попередній підігрів банок і їх вмісту до 98°С у воді температурою 40...50°С на вході банок і близько 98°С на виході. Вода нагрівається паром, що надходить в нижнюю частину апарата. З підігрівача банки за допомогою герметизированного клапана потрапляють в стерилізатор і при обертанні ротора переміщуються через завантажувальний клапан в охолоджувач. Стерилізація протікає в середовищі водяної пари, тиск якого автоматично підтримується згідно з температурою стерилізації.
В охолоджувачі банки, переміщаючись ротором, охолоджуються проточною водою до 30...40°С при надмірному тиску повітря, що запобігає деформації банок. Вивантажуються банки з охолоджувача також за допомогою герметезированого клапана. У стерилізаторі та охолоджувачі підтримують протитиск повітрям. Всі рухомі частини установки наводяться у обертанні від одного електродвигуна через варіатор швидкості.
3.Вимоги до автоклава.
До автоклава що розробляється і використовується у харчовій промисловості та громадському харчуванні, висовують такі вимоги: технологічні, конструктивні, економічні, охорони праці.
Під технологічними вимогами розуміють перш за все те, що конструкція апарату повинна забезпечити оптимальні умови проведення технологічного процесу та одержання продукту високої якості. Під технологічними умовами розуміють температуру тиск в апараті, нагрівання, охолодження продуктів, які обробляються в апараті та ін.
Конструктивні вимоги до апарату пов’язані з його проектуванням, виготовленням, транспортуванням і монтажем. Основні з них: стандартність і замінність деталей апарату; найменша трудоємкість під час складання; зручність транспортування і ремонту; мінімальна маса апарату і його окремих частин. Конструктивна досконалість характеризується простотою будови, малою масою і габаритами, невеликими затратами дорогих дефіцитних матеріалів, технологічністю виготовлення. Під технологічністю (з точки зору машинобудування) розуміють відповідність конструкції вимогам оптимальних технологічних процесів виготовлення апарату за заданих масштабів виробництва,і максимальної економії матеріалів на їх виготовлення. Показниками технологічності апарату харчових виробництв може бути загальна трудомісткість, матеріалоємність,і маса апарата. Загальна трудомісткість виготовлення апарату включає трудомісткість заготівельних операцій, механічної, термічної та інших видів обробки, складання і випробовування апарата.
Під час конструювання апаратів необхідно враховувати, що зниженню трудомісткості сприяють уніфікація та нормалізація деталей і вузлів апарата; це дозволяє також скоротити в експлуатаційних умовах номенклатуру необхідних запасних деталей і полегшити ремонтні роботи.
Економічні вимоги зводяться до того, що вартість проектування, виготовлення, монтажу та експлуатації апарата повинна бути, по можливості, мінімальною. Апарат повинен мати високі техніко-економічні показники. До їх числа належать продуктивність, витратні коефіцієнти, витрати на експлуатацію апарата, вартість апарата і собівартість продукції, яка одержується в ньому. Апарат повинен мати високу продуктивність і низькі коефіцієнти, які визначають витрати сировини і енергетичних засобів (пари, води, електроенергії) на одиницю готової продукції. Очевидно, що експлуатаційні витрати, які пов’язані з ремонтом і обслуговуванням апарата, повинні бути мінімальними. Невисока вартість обладнання є його перевагою.
4.Будова та
принцип дії автоклава, вибір
матеріалів для його
Будова. Вертикальний автоклав являє собою циліндричний корпус зі сферичним дном і сферичною кришкою, яка відкидається та кріпиться на петлях і притискається до корпусу барашковими гайками або спеціальним кільцевим зажимом. Для герметизації апарата між корпусом і кришкою є кільцева гумова прокладка. Кришка має противагу, що полегшує її підйом та закривання автоклава. Всередині автоклава розміщуються перфоровані корзини. Над днищем розміщено барботер для подавання пари. Є запорні пристрої для продування, подавання і спускання води, впускання пари, відведення конденсату. Контроль температури та тиску – за термометром і манометром.
Принцип дії. Після закупорювання банки вкладають у автоклавні корзини, які в свою чергу встановлюють в апарат, заповнений водою. Герметично закривають кришку. Подаванням пари починається процес стерилізації за формулою, встановленою для даного виду продукту і банок у технологічній інструкції.
Цикл роботи автоклава: тривалість завантаження; тривалість підвищення температури; тривалість витримки за температури стерилізації; тривалість зниження температури і тиску в автоклаві та охолоджування продукції; тривалість розвантаження.
Вибір матеріалів. Під час вибору матеріалів для виготовлення апарату враховуються такі характеристики, як міцність, теплофізичні властивості, вартість, корозійна стійкість, легкість обробки. До характеристик міцності входять допустимі напруження на стискання і розтягання, ударна в’язкість, жаростійкість. Важливою характеристикою матеріалів, котрі використовуються для виготовлення теплообмінної апаратури, є теплопровідність. Вибір того чи іншого матеріалу залежить також від його вартості і доступності. Одною з основних вимог, що висуваються до матеріалів апаратів харчових виробництв є хімічна (корозійна) стійкість, тому що від неї залежить якість харчового продукту.
5. Проектний розрахунок обладнання (технологічний, тепловий, конструктивний та інш.).
Технологічний розрахунок:
Цим розрахунком встановлюють продуктивність автоклава; потім визначають кількість необхідних автоклавів і складають графік роботи цеху стерилізації.
- Кількість банок, які вміщаються в одну сітку автоклава
– діаметр сітки автоклава, м; =940;
– зовнішній діаметр банки, м; =78;
a – відношення висоти сітки (700мм) до висоти банки (115мм), приймаємо а=6;
- Час наповнення однієї сітки банками, якщо за 60с подається 40 банок,
де n – продуктивність лінії в банках в секунду
Оскільки максимально
допустима тривалість витримки закупорених
банок до їх стерилізації 1800 секунд,
то потрібно врахувати кількість
сіток автоклава марки Б6-КАВ-
Тривалість завантаження банок в сітки 1560 сек.
- Кількість банок,що завантажуються в двохсітчастий автоклав
- Тривалість повного циклу робот
и автоклава
де ,
– підвищення температури і тиску (по формулі стерилізації),
тривалість стерилізації,
зменшення
тиску і охолоджування (по
розвантаження автоклава.
- Продуктивність автоклава
банки в секунду (банок в хв.)
- Кількість необхідних автоклавів
де n – кількість банок що подаються за одну хвилину в автоклав.
- Інтервал часу між завантаженнями чергових автоклавів:
Тепловий розрахунок.
Тепловим розрахунком автоклава встановлюється витрата пари на стерилізацію і витрату води, що охолоджує.
Витрату пари за один цикл роботи автоклава розраховують окремо для першого періоду, коли температура в автоклаві підвищується до температури стерилізації, і для другого періоду, коли в автоклаві підтримується постійна температура стерилізації. У перший період роботи автоклава теплова енергія витрачається на нагрів апарату, сіток, банок, кришок, продукту і води (при стерилізації у воді) і на компенсацію втрат тепла в навколишнє середовище шляхом випромінювання і конвекції. Витрата тепла за перший період роботи автоклава визначиться таким чином.
- Витрата тепла на нагрів автоклава
де маса автоклава, кг; = 1150кг;
- теплоємність сталі; =481 Дж/кг.град
– початкова температура автоклава °С
– температура стерилізації °С
- Кількість тепла на нагрів сіток:
де – маса сіток, кг (маса однієї сітки 105кг)
– температура сітки (25°С)
- Кількість тепла на нагрів банок
де - маса банок кг;
теплоємність скла (с=0.84кДж/кг*град);
– початкова температура банок (
- Кількість тепла на нагрів продукту:
де – маса продукту в одній банці, кг; (0,485);
- теплоємність продукту 3.65кДж/кг*град;
- Кількість тепла на нагрів води в автоклаві:
де – маса води, визначувана за об’ємом автоклава за вирахуванням об’єму сіток і банок, 575кг;
- теплоємність води (с=4.18 кДж/кг*град);
– початкова температура води в автоклаві (
- Втрати тепла в навколишнє середовище:
де – повернення автоклава (6.5);
- тривалість нагріву, 25с;
– температура зовнішнього повітря (25);
– температура зовнішньої стінки ізоляції;
де K – коефіцієнт теплопередачі від води, що знаходиться в автоклаві до повітря
де – коефіцієнт тепловіддачі від води до стінки автоклава (232Вт/
–коефіцієнт тепловіддачі від стінки автоклава до повітря (10.5 Вт/
– коефіцієнт
теплопровідності стінки
– коефіцієнт теплопровідності ізоляції (0.11 Вт/
– товщина стінки автоклава (5мм);
– товщина ізоляції (50мм);
Середня температура води в автоклаві
Сумарний коефіцієнт тепловіддачі:
.
- Загальна витрата тепла:
- Витрати пари в перший період автоклава:
де – ентальпія пари(2947кДж/кг);
– ентальпія конденсату.
Тепловміст конденсату при стерилізації консервів у воді (485кДж/кг).
- Секундний розрахунок пари:
- Теплова енергія в другий період роботи автоклава витрачається тільки на компенсацію втрат тепла в навколишнє середовище.
– тривалість стерилізації (с);
Температура води в автоклаві =116
– температура зовнішньої стінки ізоляції з рівняння (6)
– сумарний коефіцієнт теплопередачі:
Вт/
- Витрати пари в другий період автоклава
Секундна витрата пари:
(кг/сек)
- Загальна витрата пари:
- Тепловий баланс автоклава:
- Витрата води для охолоджування продукту t,
де – маса продукту; =;
с – теплоємність продукту; с=3.5(кДж/кг*град);
– температура стерилізації; , ;
– початкова температура води; , ;
Маса автоклава, сіток, банок, води:
Де маса автоклава, сіток, банок;
маса води в автоклаві.
Приведена теплоємність
де – теплоємність матеріалу автоклава, сіток і банок в Дж/кг*град
теплоємність води в Дж/кг*град
Кінцева температура автоклава, сіток, банок і води
де - кінцева температура продукту;
Витрати води за одиницю часу;
де час охолоджування.
Конструктивний розрахунок.
- Діаметр патрубка для пари
де - швидкість пари; =30м/с;
щільність пари; =2.125кг/.
Звідси: вибираємо трубу по ГОСТ 9567-60
- Діаметр патрубка для води
де - швидкість води;
Звідси: вибираємо трубу по ГОСТ 9667-60.
- Товщина стінки корпусу автоклава
де D – діаметр автоклава, 101,6 см.
Для стикових швів при ручній зварці (односторонньою) для сталі Ст.3.
p – надмірний тиск; p=0.3мН/.
- Робоче навантаження на один болт автоклава
Де Z – кількість болтів; Z=8.
- Внутрішній діаметр різьблення болтів
де
межа текучості, для сталі (Ст.3);
6. Правила експлуатації та техніка безпеки.
Правила до апарата визначаються зручністю і простотою складання, розбирання, ремонту і обслуговування, надійністю у роботі, а також невеликим штатом обслуговуючого персоналу. До експлуатаційних правил відносять також стійкість матеріалів, з яких побудований апарат, проти корозії, яка може виникнути під дією миючих засобів, навколишнього середовища і продукту, що переробляється. В свою чергу продукти взаємодії середовища і матеріалу не повинні володіти шкідливими властивостями у тому випадку, якщо продукт використовується для харчування. До експлуатаційних показників апарата відноситься і енергоємність – витрат енергії на одиницю сировини, що переробляється, або готової продукції. Зрозуміло, що чим ця величина менша, тим апарат вважається більш досконалим. Необхідно також поліпшувати надійність апарата – здатність виконувати задані функції, зберігати свої експлуатаційні показники у заданих межах протягом потрібного проміжку часу. Обладнання повинно бути виготовлене для визначених умов роботи і не бути непомірно міцним. Напруження в деяких конструкцій повинні бути тільки незначно нижче припустимих, інакше маса і вартість конструкції будуть невиправдано великі.
Техніка безпеки.
Безпека роботи апаратів є важливим правилом яке висувають до апарату. Тому апарати розраховують і виготовляють з необхідним запасом міцності, обладнують тепловою ізоляцією, захисними та запобіжними пристроями. У цьому відношенні найбільш безпечні герметично закриті апарати.
Апарати харчових виробництв
повинні відповідати і
7. Техніко-економічне порівняння автоклава з розповсюдженими в промисловості.
Вертикальний автоклав.
Технологічна характеристика.
Показники |
Б6-КАВ-2 |
|
1570 |
|
1000 |
|
3.5 |
|
2 |
|
485 |
довжина із закритою кришкою, мм довжина з відкритою кришкою, мм |
1365 2200 1870 |
без корзин, кг з корзиною, кг |
940 1150 |
|
27-72 |
|
380 |