Министерство образования и науки Российской Федерации

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ

Институт холода и биотехнологий

Подбор и расчет

технологического оборудования

Учебно-методическое пособие

Санкт-Петербург

2012

УДК 637.1

Арсеньева Т.П., Брусенцев А.А., Евстигнеева Т.Н. «Подбор и расчет технологического оборудования»: Учебно-методическое пособие – СПб.: НИУ ИТМО; ИХиБТ, 2012. – 59с.

Даны методики расчета и подбора технологического оборудования при выполнении дипломных проектов по специальности 260303, 240902 и бакалавров направления 260100 всех форм обучения.

Рецензент: канд. техн. наук, доц. И.Е. Родионова

Рекомендовано к печати редакционно-издательским советом Инсти­тута холода и биотехнологий

В 2009 году Университет стал победителем многоэтапного конкурса, в результате которого определены 12 ведущих университетов России, которым присвоена категория «Национальный исследовательский университет». Министерством образования и науки Российской Федерации была утверждена программа его развития на 2009–2018 годы. В 2011 году Университет получил наименование «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики».

 Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, 2012

 Арсеньева Т.П., Брусенцев А.А., Евстигнеева Т.Н. 2012

Введение

В методических указаниях приведены расчеты по подбору технологического оборудования, дан перечень оборудования для расчета производственной мощности предприятий молочной промышленности. В издании указаны нормы производительности оборудования в смену и часовой производительности технологического оборудования. Даны нормы нагрузки на 1 м² камер охлаждения, хранения и созревания молочных продуктов на различных молокоперерабатывающих предприятиях.

Подбор и расчет технологического оборудования

Подбор и расчет технологического оборудования выполняют в строгом соответствии с результатами продуктового расчета, частными диаграммами направлений технологической переработки сырья, с учетом выбранных способов и режимов производства, графиком технологических процессов.

При этом необходимо руководствоваться следующими основными принципами:

1) машины и аппараты должны соответствовать современному уровню техники, базирующемуся на новом высокопроизводительном прогрессивном оборудовании непрерывного действия;

2) проектировать однотипные машины с аналогичными свойствами и емкостью при учете поточности технологического процесса производства молочных продуктов;

3) обеспечивать бесперебойную работу завода при четком соблюдении технологических процессов и режимов производства;

4) добиваться высокой эффективности и максимального использования производительности оборудования;

5) наладить комплексную автоматизацию производства и механизацию трудоемких операций;

6) подобрать оборудование, экономно расходующее электроэнергию, пар, холод, воду;

7) проводить циркуляционную мойку и дезинфекцию оборудования;

8) обеспечить высокое качество и низкую себестоимость выпускаемой продукции.

Правильный выбор оборудования способствует планомерной и четкой работе всего предприятия.

Первоначальный выбор оборудования зависит от технологических процессов, с которых начинается переработка (приемка) молока.

Доставка сырья на молочные заводы любой мощности полностью производится в автомолцистернах.

Для подбора оборудования приемного отделения завода вначале определяют число постов приемки молока. Для этого нужно знать продолжительность приемки () в часах. Ее можно определить по формуле

 = М _ц  / М_ц K  60,

где М – масса принимаемого молока в смену, т/см; М_ц – масса молока в автоцистерне, т; K – коэффициент заполнения цистерны (0,8); _ц – продолжительность приемки одной автоцистерны (мин);

_ц = _под + _опор + _от,

где _под, _от – продолжительность подъезда и отъезда автоцистерны, мин; _под, _от, составляют по 1–2 мин; _опор – продолжительность опорожнения автоцистерны, мин.

Продолжительность опорожнения рассчитывают исходя из часовой производительности насоса, опорожняющего цистерну

_опор. = М_ц  60 / G,

где М_ц – масса молока в автоцистерне, кг; G – часовая производительность насоса, кг/ч.

Количество молока, поступающего по одной линии (М_м), находят по формуле

М_м = М / .

Тогда число линий приемки молока (n) находят по формуле

n =  / ₁,

где ₁ – нормированные часы приемки молока в смену, ч.

Минимальное число линий приемки – две. Одна из них для приемки несортового молока.

Нормами технологического проектирования рекомендуется сле-дующая продолжительность приемки молока:

– для молочных заводов мощностью до 100 т/см цельномолочной продукции при двухсменной работе – 3 ч в смену;

– для заводов мощностью 100 т/см и более – 4 ч в смену;

– для сыродельных заводов мощностью до 50 т перерабатываемого молока в смену – 3 ч в каждую смену;

– для заводов большей мощности –  4 ч в каждую смену;

– для маслодельных заводов и молочноконсервных комбинатов – непрерывно в течение 10–12 ч.

Посты приемки молока можно оборудовать линиями производительностью 5, 10, 25 т/ч, состоящими из насоса, фильтра, воздухоотделителя и счетчика или весами и приемными емкостями, установленными на этих весах. Для опорожнения емкостей используют центробежные насосы производительностью от 6 до 25 тыс. л в час.

Комплекс оборудования должен обеспечить замер всего количества молока, проходящего через посты за нормированное время приемки молока. Необходимо также предусмотреть возможность охлаждения 15–25 % поступающего на завод молока.

Для хранения сырого молока подбирают емкости, рассчитанные на поступление 80 % массы молока в сутки. Рассчитывают массу хранимого молока (М_мх, т):

М_мх = М_мс  0,8,

где М_мс – масса молока, принимаемого в сутки, т.

Примечания: а) для молочного завода мощностью до 50 т/см рекомендуется подбирать емкости вместимостью 25 000 л; б) для молочного завода мощностью свыше 50 т/см и до 250 т/см рекомендуются емкости вместимостью 50 000 л; в) для молочного завода мощностью более 250 т/см требуются емкости вместимостью 100 000 л. Резервуары емкостью свыше 50 000 л размещаются вне здания.

Количество емкостей для хранения сырого молока (К_е) определяется по формуле

К_е = М_м / U_е,

где U_е – вместимость емкости, т.

Продолжительность наполнения емкости (_н), ч, рассчитывают по формуле

_н = М_м / П_р,

где М_м – масса молока в емкости, т; П_р – производительность линии приемки молока, с которой молоко поступает в емкость (т/ч). Она рассчитывается по формуле

П_р = М_м.л / _пр.,

где М_м.л – масса молока, принимаемого по одной линии, кг; _пр – продолжительность приемки молока по одной линии, ч.

Определяется допустимая масса приемки молока несортового – 10 % от суточного поступления. Для приемки несортового молока предусматривается отдельная емкость и линия приемки.

Расчет ведущего технологического оборудования, обусловливающего максимальный выпуск продукции, проводят по нормам производительности оборудования. Под производительностью машин и аппаратов понимается полезная работа за расчетный период времени при вычете технически необходимого времени на сборку, разборку, пуск, остановку и мойку. За расчетный период времени принимается 8-часовая смена, а при непрерывной работе оборудования в течение трех смен (вакуум-аппараты, сушилки) – сутки. Расчет остального оборудования проводят по техническим характеристикам машин и аппаратов.

На предприятиях молочной промышленности для перемещения молока и молочных продуктов к резервуарам хранения молока, технологическому оборудованию и на погрузочно-разгрузочных площадках применяют насосы различных конструкций и назначений: центробежные, объемные, плунжерные, винтовые. Наибольшее распространение получили центробежные насосы для перекачки молока, пахты, сыворотки, сливок; объемные (шестеренчатые, роторные, винтовые самовсасывающие водокольцевые) для перекачивания молочных продуктов повышенной вязкости: сгущенного молока, сливок, сметаны, смеси мороженого и др. Плунжерные насосы применяются для подачи молока в форсуночные сушилки и создания высоких давлений в гомогенизаторах.

Подбирают насосы по часовой производительности, согласно графику организации технологических процессов, с учетом напора, создаваемого насосом. Производительность центробежных насосов изменяется в зависимости от создаваемого напора. Производительность и напор центробежных насосов принимают по паспорту насоса.

Для расчета производительности емкостных аппаратов принимаются следующие формулы:

N = М K,

где N – сменная производительность аппарата кг/см; М – разовая масса заполнения, кг; К – количество циклов за расчетный период времени.

К =  / ₁,

где  – расчетный период времени (смена 480 мин); ₁ – продолжительность одного полного цикла, мин.

Промежуточные емкости рассчитывают по времени задержки в них сырья или по количеству сырья, необходимого для бесперебойной работы последующего оборудования. Время мойки – в пределах 30 мин.

Производительность оборудования непрерывного действия (N) в смену определяют по формулам

N = _n N₁ / 60,

где N₁ – часовая производительность оборудования; _n – нормативное время полезной работы аппарата в смену, мин (см. прил. 1–12).

_n =  – ₂,

где ₂ – продолжительность подготовки к пуску, остановки и мойки, мин.

Например, гомогенизаторы подбирают с учетом производительности линии, в которой они работают; сменная их производительность рассчитывается по этим же формулам

₂ = ₃ + ₄,

где ₃ – продолжительность сборки и пуска (60 мин); ₄ – продолжительность разборки и мойки (60 мин).

Пастеризаторы и охладители подбирают по часовой производительности с учетом графика технологических процессов.

Сменную производительность теплообменных аппаратов можно рассчитать по этим же формулам, учитывая, что ₂ равно

₂ = ₉ + ₁₀ +₁₁ +₆,

где ₉ – продолжительность остановки и подготовки к мойке (промывка водой, 10 мин); ₁₀ – продолжительность мойки химическими средствами (90 мин); ₁₁ – продолжительность промывки (10 мин); ₆ – продолжительность пуска (10 мин).

Производительность оборудования периодического действия при мойке в течение каждого цикла (N) определяют по формуле

N = (_n  N₁ / 60) K.

Саморазгружающиеся сепараторы-сливкоотделители и сепараторы-молокоочистители подбирают по часовой их производительности. Так, для сепараторов-сливкоотделителей периодического действия должно предусматриваться время непрерывной работы 1,5–2 ч, для сепараторов-молокоочистителей – 2–3 ч, а для сепаратора-сливкоотделителя и молокоочистителя 6 ч в смену. Количество сепараторов зависит от количества сырья, производительности и времени непрерывной их работы.

Применение саморазгружающихся сепараторов позволяет повысить производительность труда аппаратчиков, освободить их от тяжелой работы по разборке, сборке и мойке барабана сепаратора. Это позволяет осуществлять циркуляционную безразборную мойку совместно машин и аппаратов той технологической линии, в которую они установлены. Саморазгружающиеся сепараторы с центробежной непрерывной выгрузкой осадка (сопловые) и с центробежной пульсирующей выгрузкой осадка применяются для очистки молока, сепарирования его, отжима белковых масс (творога).

Сменную производительность сепараторов рассчитывают по формуле

K =  / ₁,

₁ = ₅ +₆ +_{7 +}₈ +₄,

где ₅  – продолжительность непрерывной работы аппарата за один цикл, мин; ₆ – продолжительность пуска (8 мин); ₇ – продолжительность остановки (6 мин); ₈ – продолжительность сборки (15 мин); ₄  – продолжительность разборки и мойки (50 мин).

Производительность оборудования периодического действия при одноразовой мойке в конце смены или суток (N) рассчитывают по формулам

N = B K,

где B – грузоподъемность, или вместимость, кг,

K =  – ₂ / ₁.

Количество оборудования (n)

n = Q / N,

где Q – количество перерабатываемого сырья.

Технологические линии оборудования по производству и расфасовке пастеризованного молока, кисломолочных напитков подбирают по часовой производительности с учетом графика организации технологических процессов и полной сменной загрузки оборудования. Если на одной разливочной машине расфасовывают не один, а несколько продуктов (на небольших по мощности молочных заводах), то целесообразно вначале разливать пастеризованное молоко, кисломолочные продукты с бифидофлорой, простоквашу, другие кисломолочные напитки, а затем кефир.

Технологические линии при производстве творога подбирают следующим образом. Если на производство творога в смену направляется до 10 000 л молока, то рекомендуется обычный способ производства творога с применением творожных ванн; до 20 000 л молока – обычный способ с применением творогоизготовителей конструкции ВНИМИ; 30 000 л молока и выше – раздельный способ с применением сепараторов обезвоживания творожного сгустка или с применением линии Я9-ОПТ 2,5; Я9-ОПТ5.

Подбирают эти линии по часовой производительности с учетом графика организации технологических процессов и норм производительности ведущего оборудования в смену.

При производстве сметаны в небольших объемах до 1000 кг в смену для заквашивания и сквашивания продукта используют сливкосозревательные ванны, универсальные молочные танки, ванны длительной пастеризации различной емкости, которые обеспечивают хорошее охлаждение и перемешивание продукта. При значительном объеме выработки сметаны используют резервуары с рубашкой Я1-ОСВ различной вместимости, которые обеспечивают получение продукта высокого качества.

Подбор оборудования для тепловой и механической обработки молока:

а) часовую производительность автоматизированной пластинчатой пастеризационно-охладительной установки (М_ч) определяют по формуле

М_ч = М_м + М_{м сл} + М_{м см} / Т_э,

где М_м – масса молока, направляемая на выработку пастеризованного молока, кг; М_м сл – масса молока, направляемая на выработку питьевых сливок, кг; М_м.см – масса молока, направляемая на выработку сметаны, кг; Т_э – продолжительность эффективной работы установки за смену (5,5 ч);

б) исходя из часовой производительности установки (М_ч) подбираем установку и ее марку;

в) продолжительность работы установки (Т_м), ч, при выработке пастеризованного молока, пастеризации нормализованной смеси для выработки творога определяют по формуле

Т_м = М_м / П_у,

где П_у – производительность выбираемой установки (кг/ч);

г) продолжительность работы установки при сепарировании молока на питьевые сливки (Т_с сл) и сметану (Т_с см) определяют по формулам

Т_с сл = М_м сл / П_у; Т_{с см} = М_{м см} / П_у;

д) продолжительность опорожнения емкостей с сырым молоком (Т_о), ч, направляемого на выработку питьевого молока, творога, сепарирование, определяют по формуле

Т_о = М_е / П_у,

где М_е – масса молока в одной или нескольких емкостях;

е) для промежуточного хранения пастеризованного молока (М_м хр) вместимость емкостей, исходя из 60 % от массы пастеризованной смеси, рассчитывают по формуле

М_м хр = М_см  0,6,

где М_см – масса нормализованной смеси для выработки пастеризованного молока;

ж) количество емкостей для промежуточного хранения пастери-зованного молока (Е_п) рассчитывают по формуле

Е_п = М_м.хр / U_е,

где U_е – вместимость емкости, кг;

з) продолжительность наполнения емкостей пастеризованным молоком равна продолжительности работы установки;

и) для хранения непастеризованных сливок, полученных при нормализации пастеризованного молока в потоке и сепарировании, подбирают одну или несколько емкостей. Продолжительность заполнения емкостей равна продолжительности работы установки. Рекомендуется использовать емкости с рубашкой для охлаждения;

к) для хранения обезжиренного молока рассчитывают количество емкостей. Продолжительность их заполнения равна продолжительности работы установки, а скорость заполнения – часовому выходу обезжиренного молока с установки (сепаратора).

Для производства сыров различных видов подбирают оборудование после определения продолжительности одного цикла производства сыра. Количество работающего оборудования в смену (в сут-ки) предусматривают с учетом графика организации технологических процессов производства данного вида сыра и норм производительности ведущего оборудования в смену.

Производительность сыроизготовителей или сыродельных ванн определяют с учетом их наполнения, времени обработки молока в ванне и опорожнения. Определив продолжительность цикла и производительность, рассчитывают их потребное количество.

Аналогично рассчитывают производительность формовочных аппаратов, прессов и котлов для плавления сыра.

Количество контейнеров для посолки и созревания сыра (n) зависит от их вместимости и времени созревания или посолки сыра и определяется по следующей формуле

n = Ġ ₁₂  / U,

где Ġ – количество сыра, вырабатываемого в сутки, кг; ₁₂ – продолжительность созревания или посолки сыра, сутки; U – вместимость контейнера, кг.

Площадь солильного бассейна (F) определяют по формуле

F = s n / k,

где s – площадь, занимаемая одним контейнером, м²; n – количество контейнеров, находящихся в бассейне для посолки сыра, шт; k – коэффициент использования площади бассейна (k = 0,8).

Общая длина (L) и ширина (В) бассейна равна

L = F / B,

где L – длина бассейна, м; B – ширина басcейна, м;

B = l + 0,1,

где l – длина контейнера, м.

Для получения масла подбирают маслоизготовители периодического, непрерывного действия и поточные линии производства масла с маслообразователями непрерывного действия. Можно производить комплектацию поточных линий производства масла самостоятельно с подбором маслообразователя любой конструкции.

Маслоизготовители периодического действия подбирают в зависимости от количества сливок, перерабатываемых на масло в смену, с учетом рабочего наполнения (40 % от общего объема емкости маслоизготовителя), норм производительности ведущего оборудования в смену, где указывается длительность цикла и подготовительная продолжительность (в часах в смену).

Производительность (сменную) маслоизготовителя периодического действия (М_см), кг, рассчитывают по формуле

М_см = (U _см / _ц ) ,

где U – вместимость емкости, м³; _см, _ц – продолжительность смены и цикла, ч;  – плотность сливок, кг/м³.

Продолжительность цикла _ц находят из уравнения

_ц = ₁ + ₂ + ₃ + ₄ + ₅ + ₆ + ₇,

где ₁ + ₂ + ₃ + ₄ + ₅ + ₆ + ₇ – продолжительность наполнения емкости сливками, сбивания сливок, выпуска пахты, промывки, посолки, обработки и выгрузки масла из маслоизготовителя.

Продолжительность цикла _ц принимают с учетом времени, необходимого для подготовки и мойки маслоизготовителя.

Маслоизготовители непрерывного действия и поточная линия производства масла подбираются согласно их часовой производительности, с учетом графика организации технологических процессов и количества сливок, направляемых на производство масла, и оптимальной продолжительности работы оборудования в смену.

Сливкосозревательные ванны, резервуары подбирают с учетом режима созревания и обеспечения непрерывной работы маслоизготовителей в течение смены.

Оборудование для сгущения подбирают по количеству испаренной влаги в час. Количество испаренной влаги (W_сг), кг/ч.

W_сг = М_н.м (1 – СВ_н.м / СВ_пр),

где М_н.м – масса нормализованной смеси, кг; СВ_н.м – содержание сухих веществ нормализованной смеси %; СВ_пр – содержание сухих веществ в готовом продукте, %.

Эффективное время работы вакуум-аппаратов периодического действия в смену – 5 ч.

Сушилки подбираются согласно количеству испаренной влаги в час. Количество влаги, удаляемой при сушке (W_суш), кг/ч, рассчитывают по формуле

W_суш = М (СВ / СВ ),

где М – масса сгущенного продукта, поступающего на сушку, кг/ч; СВ – содержание сухих веществ в сгущенном продукте, %; СВ – содержание сухих веществ в сухом продукте, %.

Внутризаводской транспорт. С применением транспорта повышается уровень механизации на предприятиях молочной промышленности, который должен быть на городских молочных заводах не ниже 70 %, на сыродельных – не ниже 55 %, на молочноконсервных – не ниже 65 %.

В зависимости от профиля и мощности предприятия рекомендуется принимать следующие виды основного транспортного оборудования: на городских молочных заводах мощностью 25, 50 т в смену – цепные транспортеры, ручные вилочные тележки, электропогрузчики; на городских молочных заводах мощностью свыше 50 т в смену – цепные транспортеры, стопкосборщики, стопкоразборщики, пакето-сборщики; пакеторазборщики, электропогрузчики; на сыродельных заводах – электропогрузчики, электроштабелеры, подвесные однобалочные краны и краны-штабелеры; на молочноконсервных заводах –подвесные, троссовые, ленточные и цепные напольные конвейеры, проходящие в закрытых галереях (над- или подземных), электропогрузчики; на заводах плавленых сыров – подвесные и напольные конвейеры с автоматическим адресованием; для механизации процесса охлаждения плавленых сыров – подвесные и напольные конвейеры, по которым перемещаются этажеры с сыром, а также поточные конвейерные охладители ленточного и полочного типов.

Транспортеры подбирают по производительности, подъемники, электропогрузчики – по грузоподъемности. Производительность ленточных транспортеров непрерывного действия определяют по формуле

М = 3600 (v / а ),

где v – скорость перемещения груза, м/с (равна скорости ленты или цепи транспортера v = 0,1–0,2 м/с); а – средняя длина ленты, приходящаяся на один груз или на единицу массы груза, м.

Производительность транспортеров прерывного действия рассчитывается по формуле

М = 3600 Ġ / _п + _р + _д,

где Ġ – разовая загрузка транспортера, кг или шт.; _п, _р – продолжительность погрузки и разгрузки, с; _д – продолжительность пути в оба конца, с.

Производительность подъемников, электропогрузчиков рассчитывается аналогично.

Нормы нагрузки на 1 м² камер хранения и созревания молочных продуктов на молочных заводах и камер охлаждения, а также хранения плавленого сыра см. прил. 13.

Площадь камер созревания сыра на стационарных стеллажах подбирают, пользуясь прил. 14.