Pivovarennaya_inzheneria_ / Глава 1

специалиста не только возросла, но и качественно изменилась. На современном произ водстве технологу уже не приходится непосредственно влиять на технологический процесс — он воздействует на него опосредованно — через программы компьютерной системы управления технологическим оборудованием. А это, согласитесь, требует бо лее высокого уровня подготовки специалиста.

Кстати, о требованиях к пивовару на предыдущих этапах развития пивоварения. Здесь уместно процитировать фрагмент из любопытного и редкого издания — книги Ярослава Дворского и Карла Лензе «Катехизис пивоваренной практики», изданной в 1928 г. в Москве, в котором сформулированы требования, предъявляемые в начале ХХ в. к пивовару, и способные сегодня вызвать лишь снисходительную улыбку: «Каж" дый, желающий посвятить себя профессии пивовара, должен быть, прежде всего, здо" ровым. Лица с наследственным предрасположением к подагре и легочным болезням со" вершенно не пригодны для этой профессии. Самые подходящие — люди среднего роста, крепкие по натуре, с вполне нормальной умственной деятельностью».

Наконец, тот, кто хочет учиться на звание пивовара, «не должен быть неженкой, ибо пивовар должен выносить жар, сырость и холод и обладать природной силой, развитой упражнениями».

Итак, роль технологического оборудования в совершенствовании пивоваренного производства является определяющей, поскольку именно техническое совершенство оборудования в значительной степени определяет уровень развития предприятия, количественные и качественные его показатели.

1.5.2. Классификация технологического оборудования

Необходимость осуществления специфических технологических процессов повлекла за собой разработку и применение специализированного технологического оборудования, применяемого исключительно в производствах пивобезалкогольной отрасли промышлен ности. Вместе с тем в них достаточно широко используют типовое, универсальное обору дование, которое находит также применение в смежных отраслях пищевой промышлен ности, а также химических, микробиологических и других производствах.

Технологическое оборудование может быть классифицировано как по ряду общих при знаков, свойственных любому оборудованию, так и по некоторым частным признакам, индивидуальным для каждого вида оборудования. Частные признаки классификации бу дут рассмотрены при описании отдельных видов оборудования, а наиболее важные общие признаки приведены и прокомментированы ниже. Так, технологическое обору дование можно классифицировать:

•по характеру воздействия на обрабатываемый материал;

•по принципу сочетания в производственном потоке;

•по структуре рабочего цикла;

•по степени автоматизации и механизации;

•по функциональному назначению;

•по общности кинетических закономерностей;

•по технологическому назначению и др.

По характеру воздействия на обрабатываемый материал различают оборудо вание, в котором материал подвергается, например, механическим, тепловым, хими ческим, физическим и многим другим видам воздействий. Часто в одной единице оборудования перерабатываемый материал подвергается одновременно или последо вательно двум и более различным воздействиям.

По принципу сочетания в производственном потоке в технологическом оборудо вании выделяют отдельные машины, аппараты, агрегаты и установки. В совокупнос ти эти виды оборудования образуют технологические линии. В связи с этим такие устаревшие термины, как чан, котел, танк, ящик, автомат и пр., не входящие в совре менную терминологию процессов и аппаратов, употреблять не рекомендуется.

Машина — механическое устройство с согласованно работающими частями, осуще ствляющее определенные целесообразные движения для преобразования энергии, мате риала или информации. При этом различают энергетические и рабочие машины. К рабо чим машинам относят трансформирующие (технологические), транспортные, транспор тирующие* и вычислительные машины.

Оборудование, в котором осуществляются механические воздействия на обрабатыва емый материал, физико химические свойства которого при этом, как правило, сохраня ются, а изменяются лишь форма, размеры, положение и т. п., относят к технологическим машинам. Примером технологических машин могут служить: дробилки, сепараторы, от дельные виды оборудования моечно фасовочных линий и т. п.

Характерным признаком технологической машины является наличие подвижных ра бочих органов, соприкасающихся с перерабатываемым материалом и активно воздейству ющих на него.

Основными механизмами машины являются двигательный, передаточный и испол нительный, причем последний является важнейшим, поскольку обеспечивает движение рабочего органа по заданному закону.

Помимо машин различают аппараты — устройства, в которых осуществляются все прочие (кроме механических) воздействия на перерабатываемый материал, в результате которых происходят изменения физико химических свойств или агрегатного состояния обрабатываемого материала. К аппаратам, в частности, относят: оборудование для броже ния и дображивания, фильтры, теплообменники, сушилки, дрожжегенераторы, карбониза торы и т. п. Характерным признаком аппарата является наличие реакционного простран ства, рабочей камеры или поверхности контакта (раздела фаз).

Разделение оборудования на машины и аппараты достаточно условно, поскольку не которые его виды могут иметь одновременно признаки как одного, так и другого вида оборудования. В этом случае оборудование классифицируют с учетом иерархии осу ществляемых в нем процессов. Например, оборудование для затирания дробленого солода относят к аппаратам, поскольку основные процессы, протекающие в нем, — био химические и тепло и массообменные, а подвижный рабочий орган (мешалка), актив но воздействующий на затираемое сырье, играет вспомогательную роль и предназна чен лишь для интенсификации этих процессов. И наоборот, сепаратор для осветления

* Транспортные машины (автомобили, тепловозы и пр.) при транспортировке грузов сами пере мещаются в пространстве, а транспортирующие (конвейеры, нории, насосы и пр.) — при транспорти ровании материалов остаются неподвижными.

пива, несмотря на наличие у него системы охлаждения разделяемой смеси, является машиной, поскольку основной процесс, протекающий в нем — отделение механичес ких частиц, а теплообменное устройство лишь способствует сохранению потребитель ских свойств осветляемого пива.

В некоторых случаях технологическое оборудование, предназначенное для решения одной или нескольких технологических задач, представляет собой комбинацию машин и аппаратов. Такое комбинированное оборудование называют агрегатами и установками.

Агрегат — оборудование, в котором объединены в единый блок (на одной раме, с общим приводом, пультом управления и пр.) две или более машины, предназначен ные для одновременного последовательного осуществления смежных технологичес ких операций. Агрегатирование оборудования обеспечивает сокращение производ ственных площадей, снижение энергозатрат, уменьшение эксплуатационных расходов, сокращение обслуживающего персонала, сокращение транспортировки продукта меж ду смежными операциями. Примеры агрегатирования: очистительно сортировочный, фасовочно укупорочный агрегаты.

Установка — совокупность отдельных аппаратов, соединенных между собой ком муникациями в единую техническую систему, предназначенную для осуществления, как правило, одной технологической операции. Помимо аппаратов в состав установки могут входить играющие вспомогательную роль транспортирующие машины, напри мер насосы. Примеры установок: ректификационная, вакуум выпарная, мембранная установки.

Современное производство какого либо продукта включает, как правило, не одну,

аболее установок, машин, аппаратов, объединенных в единую технологическую линию, спо собную выполнять определенный законченный технологический цикл. Весь этот машинно аппаратурный комплекс называют технической системой, а отдельные установки или объе диненные единой технологической задачей группы машин и аппаратов — подсистемами.

По структуре рабочего цикла различают оборудование периодического и непре рывного действия.

Оборудование периодического действия характеризуется единством места проведе ния всех стадий технологической операции и их разновременностью при изменяю щихся параметрах. Исходный материал загружают в аппарат или машину, подвергают каким либо воздействиям в течение определенного промежутка времени, а затем выг ружают готовый или промежуточный продукт.

Оборудование непрерывного действия характеризуется тем, что все стадии техно логической операции протекают одновременно при неизменных параметрах, в стабиль ных и оптимальных условиях установившегося режима, но все они разобщены в про странстве, — осуществляются в различных частях машины, аппарата или различных машинах и аппаратах единой технической системы. То есть рабочий процесс распреде лен в пространстве. Загрузка исходного материала и выгрузка конечного или проме жуточного продукта при этом осуществляются одновременно и непрерывно.

По степени механизации и автоматизации оборудование подразделяют на неме ханизированное, частично механизированное (в б\льшей или меньшей степени),

атакже полностью механизированное и, соответственно, неавтоматизированное

(с ручным управлением), полуавтоматическое, автоматическое.

Под механизацией технологических процессов понимают применение энергии не живой природы. При использовании частично механизированного оборудования тех нологическая операция осуществляется при непосредственном воздействии человека на предмет труда, а механизмы, входящие в состав такого оборудования, лишь облег чают труд человека.

Вмеханизированном оборудовании облегчается или полностью исключается руч ной труд при его эксплуатации, однако человек должен принимать непосредственное участие в управлении оборудованием, контролировать его работу, осуществлять пуск, наладку и остановку оборудования.

Под автоматизацией технологических процессов понимают применение энергии неживой природы не только для выполнения процесса, но и управления им.

Внеавтоматизированном оборудовании человек контролирует все стадии техно логического процесса и осуществляет ручное управление ими.

Вполуавтоматическом оборудовании все основные операции осуществляются без участия человека, за которым остаются лишь некоторые транспортные, контрольные

ипрочие вспомогательные операции.

Автоматическое оборудование для осуществления технологической операции не требует непосредственного участия человека.

С конца ХХ в. при разработке пивоваренного оборудования начали широко приме нять методы мехатроники* — нового направления научно технического прогресса, ори ентированного на создание и эксплуатацию качественно новых автоматизированных систем с интеллектуальным (микропроцессорным) управлением.

Технологическое оборудование может быть классифицировано также по функцио# нальному назначению, объединяя в отдельные группы машины и аппараты, предназначен ные для осуществления подобных процессов (функций). Таким образом, можно выделить более 30 групп оборудования, применяемого в пивобезалкогольной отрасли промышлен ности, например, фильтрационное, сушильное, солодорастильное, бродильное и т. п.

Если даже упрощенно принять, что в каждую из функциональных групп входит всего навсего по 10 разновидностей оборудования с аналогичным функциональным назначением, то и в этом случае можно считать, что в отрасли эксплуатируется мини мум 300 типов различного оборудования, а на самом деле их значительно больше. Как же осуществлять инженерные расчеты такого обилия разнообразной техники? Не со здавать же для каждого вида оборудования индивидуальные методики расчета?

Вэтом случае на помощь приходит классификация оборудования по общности кинети# ческих закономерностей, в основу которой положен метод обобщений, предусматриваю щий выделение из большого числа машин и аппаратов тех, в которых протекают однородные процессы и для расчета которых используют единые кинетические закономерности.

Всоответствии с этим признаком различают следующие основные группы техно

логического оборудования:

• оборудование для гидромеханической обработки сырья и материалов, в кото ром скорость протекающих гидравлических процессов определяется законами

гидродинамики;

* Мехатроника — область инженерных знаний, объединяющая в единую дисциплину такие ранее разрозненные инженерные специальности, как механика, электроника, информатика, аппарато и ма шиностроение.

•теплообменное оборудование для осуществления тепловых процессов, скорость которых определяется законами теплопередачи;

•массообменное оборудование для осуществления диффузионных процессов, ско рость которых определяется законами массопередачи, описывающими перенос вещества в различных агрегатных состояниях из одной фазы в другую;

•реакционное оборудование для осуществления химических или биохимических трансформаций сырья и материалов, связанных с изменением химического со става и свойств; скорость реакционных процессов определяется законами соот ветственно химической или ферментативной кинетики;

•оборудование для механической обработки сырья, материалов, промежуточных или конечных продуктов; механические процессы являются исключением в этом

ряду, поскольку не подчиняются кинетическим закономерностям и описывают ся законами механики твердых тел.

Наибольшее распространение получила классификация оборудования по технологи# ческому признаку, в соответствии с которым в отдельные группы объединяют различные по функциональному назначению виды оборудования, предназначенного для выполнения какой либо одной самостоятельной технологической задачи. В соответствии с этим при знаком можно классифицировать пивоваренное оборудование на следующие группы:

•для приема, хранения и подготовки зернового сырья и хмеля;

•для приготовления пивного сусла;

•для осветления и охлаждения пивного сусла;

•для получения чистой культуры дрожжей и хранения семенных дрожжей;

•для брожения сусла и дображивания пива;

•для осветления и стабилизации пива;

•для финишных операций (подготовка посуды, фасовка и упаковка пива);

•для утилизации отходов пивоваренного производства.

При изложении материала в настоящей книге автор старался придерживаться тех нологического признака классификации технологического оборудования.

1.5.3. Основные технико@экономические показатели функционирования технологического оборудования

Основным показателем функционирования предприятия является его производ# ственная мощность — максимально возможная способность к выпуску готовой товар ной продукции при полном использовании производственного оборудования и площа дей в течение определенного периода времени, как правило, года. Производственную мощность выражают в натуральных показателях выпускаемой продукции, например, для солодовенного завода — тыс. т товарного солода в год, а для пивоваренного завода — млн дал пива в год.

Производственная мощность предприятия зависит от продолжительности работы технологического потока, определяемой количеством рабочих дней в году, количе ством смен в сутки и их длительностью, а также от производительности технологичес кого оборудования П (кг/ч, т/ч или т/сут). При этом различают теоретическую, тех ническую и эксплуатационную (фактическую) производительность.

Теоретическая производительность — максимальное количество выработанного целевого продукта G (кг или т) при рациональных технологических режимах и безос тановочной работе оборудования за промежуток времени ∆τ (ч или сут), в течение которого непосредственно осуществлялись технологические циклы по переработке сырья (или промежуточных продуктов) без учета дополнительных затрат времени на внецикловые, вспомогательные операции.

В производстве напитков количество выработанного целевого продукта измеряют объемом V (м3, дал или гл), тогда

В производстве штучной продукции, например расфасованных напитков, количе ство выработанного целевого продукта измеряют в единицах N (шт.) выпускаемой продукции:

Особое значение теоретической производительности обусловлено тем, что именно она лежит в основе инженерных расчетов технологического оборудования. На основа нии ее вычисляют рабочую вместимость, габаритные размеры, потребляемую мощность, количество переносимой теплоты и расходы теплоносителей или хладагентов, скорости движения рабочих органов и прочие параметры оборудования.

Техническая (номинальная) производительность — количество выработанного це левого продукта при рациональных технологических режимах оборудования за промежуток времени с учетом его дополнительных затрат на внецикловые, вспомога тельные операции. Техническая производительность характеризует технические возмож ности оборудования, обусловленные его конструктивным устройством и особенностями технологического процесса.

Эксплуатационная (фактическая, эффективная) производительность оборудо вания характеризуется отношением качественной продукции к промежутку времени, за который она выпущена в реальных условиях эксплуатации с учетом продолжительности непосредственно технологических циклов, собственных простоев, связанных с внецикло выми, вспомогательным операциями, и простоев, вызванных организационными причи нами, не зависящими от конструкции оборудования.

Производительность технологического оборудования в значительной степени обус ловлена (определяется) его размерами, в частности одним из его геометрических кон структивных параметров. Поэтому эти параметры называют определяющими. Напри мер, для емкостного оборудования это рабочая вместимость V (м3), а для фильтров, теплообменников и т. п. — площадь поверхности контакта S (м2).

Помимо рабочей (полезной) вместимости Vр (м3), соответствующей объему рабо чей среды Vс (м3) в аппарате, различают геометрическую (номинальную) вмести# мость Vг (м3):

где kз— коэффициент заполнения аппарата.

Коэффициент заполнения аппарата (kз) устанавливают в зависимости от явле ний, сопровождающих технологический процесс, например набухания перерабатыва емого материала (при замачивании), пенообразования (при брожении) и пр.

Одним из показателей степени технического совершенства технологического обору дования, характеризующим интенсивность осуществляемых в нем процессов, является продуктивность I [кг/(ч м3) или м3/(ч м2)], под которой понимают удельную производи тельность.

Продуктивность оборудования представляет собой его производительность, отнесен ную к единице определяющего параметра:

Еще одним показателем степени технического совершенства технологического про цесса является коэффициент выхода целевого продукта, определяемый в процентах, а также в массовых или объемных долях. При этом различают теоретический и прак тический выход продукта. Практический выход всегда ниже теоретического вслед ствие технологических потерь.

Теоретический коэффициент выхода продукта (квт) — соотношение максимально возможного количества целевого продукта в соответствии со стехиометрическим урав нением реакции к массе исходного сырья.

Практический коэффициент выхода продукта (квп) — соотношение количества фактически полученного целевого продукта к массе израсходованного сырья.

1.5.4. Основные требования к технологическому оборудованию пивоваренных производств

Ктехнологическому оборудованию предъявляют требования как общетехничес кого характера, так и специальные.

Кобщетехническим относят требования, предъявляемые к любому технологичес кому оборудованию и направленные на обеспечение высоких технико экономических

иэксплуатационных показателей. К таким требованиям, в частности, относят:

•высокую технологическую эффективность — способность обеспечивать получе ние целевого продукта с максимальной производительностью, наименьшими зат ратами и минимальными потерями;

•надежность — способность выполнять определенные функции с сохранением эк сплуатационных показателей в заданных пределах в течение определенного вре мени или требуемой наработки;

•долговечность — способность оборудования долговременно обеспечивать высо кую эксплуатационную надежность, благодаря чему снижается стоимость техно логической операции, осуществляемой в оборудовании, поскольку при более дли тельном сроке эксплуатации оно при тех же вложенных капитальных затратах выполняет большее количество операций;

•энергоэкономичность — низкое удельное энергопотребление (затраты энергии на еди ницу вырабатываемой продукции) благодаря снижению расхода энергии на преодоле ние вредных сопротивлений (трение, нагревание, торможение рабочих органов и т. п.);

•технологичность — простота в изготовлении, удобство в сборке и техническом обслуживании при минимальных трудовых затратах и низкой себестоимости;

•низкую материалоемкость — стремление к минимизации массы и габаритов обо рудования при обеспечении достаточной надежности благодаря применению в конструкции легированных сталей, легких сплавов и полимерных материалов, использованию облегченных и пустотелых профилей проката, поверхностного упрочнения металлов и совершенствования конструктивных форм;

•безопасность — использование в конструкции специальных мер и технических устройств, исключающих или максимально предотвращающих при работе обо рудования влияние вредных и опасных воздействий на обслуживающий персо нал, здания и сооружения;

•бесшумность — минимизация шумов, производимых работающим оборудова нием, уровень которых не должен превышать предельно допустимых значений;

•эргономичность — простота и удобство управления оборудованием;

•экологичность — исключение или минимизация вредных воздействий на окру жающую среду, возникающих при эксплуатации оборудования.

Помимо перечисленных требований оборудование пивоваренного производства должно удовлетворять ряду специальных требований, обусловленных особенностями технологических процессов и специфическими свойствами перерабатываемых сред.

Кэтим требованиям относят:

•надежную герметизацию (для обеспечения асептических условий технологических процессов и минимизации контакта перерабатываемых сред с кислородом воздуха);

•обеспечение эффективной безразборной мойки и дезинфекции;

•способность выдерживать повышенные внутренние давления;

•обеспечение «мягких» условий внутрицехового и межцехового транспортирова ния технологических сред (ровное, спокойное течение с исключением гидравли ческих ударов, кавитации и прочих неблагоприятных воздействий);

•очень высокую степень обработки внутренней поверхности аппаратов (бродильных аппаратов, дрожжегенератора, сборников для хранения семенных дрожжей и т. п.);

•хладостойкость — способность работать при относительно низких температурах

(для холодильно компрессорных установок, установок для утилизации СO2, бро дильно лагерного оборудования и т. п.) и др.

Степень реализации этих требований и реальные технико экономические и эксп луатационные показатели работы определяют техническое совершенство оборудова ния и его технологические возможности.

1.5.5. Общие вопросы эксплуатации технологического оборудования

Наиболее существенным фактором, влияющим на эффективную работу и отдачу технологического оборудования, является правильная эксплуатация его в установлен ных режимах.

Эксплуатация оборудования включает в себя комплекс мероприятий:

•подготовку оборудования;

•монтаж;

•наладку;

•техническую эксплуатацию:

диагностику состояния;

прогноз дальнейших изменений параметров;

•производственную эксплуатацию:

наблюдение за работой;

регулирование режимов процесса;

уход за оборудованием;

•все виды ремонта.

Ремонт (франц. remonte от remonter — поправить, снова собрать) — процесс восста новления работоспособности оборудования путем устранения отказов и восстановле ния израсходованного ресурса. Различают текущий, средний и капитальный ремонт.

Текущий ремонт — замена или восстановление сменных деталей; направлен на уст ранение отказов и неисправностей, возникающих в процессе работы оборудования. Средний и капитальный ремонты — соответственно частичная и полная разборка уст ройства с заменой всех изношенных деталей — направлены на восстановление частич но или полностью израсходованного ресурса оборудования. В большинстве техноло гически развитых стран понятие «капитальный ремонт» отсутствует. Частично изно шенное и морально устаревшее оборудование после 5–7 лет эксплуатации заменяют на современное и более эффективное.

Правильная эксплуатация технологического оборудования должна обеспечить:

•максимальную технологическую эффективность;

•снижение вероятности поломок — незначительных повреждений каких либо де талей, не приведших к нарушению производственного процесса;

•исключение аварий — выходов оборудования из строя с повреждением ответ ственных узлов и механизмов, приведших к нарушению технологического процесса.

Все вопросы эксплуатации оборудования с достаточной полнотой изложены в тех ническом паспорте, инструкциях и другой технической документации.

Надзор за техническим состоянием оборудования на производстве осуществляет отдел главного механика.

1.5.6. Основные конструкционные материалы и покрытия, применяемые в технологическом оборудовании

Конструкционные материалы не должны оказывать неблагоприятного влияния на протекание технологических процессов, а также на потребительские и санитарно ги гиенические свойства промежуточных и целевых продуктов.

Конструкционные материалы для оборудования пивобезалкогольного производ ства выбирают с учетом многих критериев, из которых основные:

•биологическая инертность, обеспечивающая пищевую безопасность получаемо го продукта;

•стойкость, обеспечивающая долговечность оборудования;

•физико механические свойства, обеспечивающие прочность и надежность обо рудования;

•технологические свойства, обеспечивающие технологичность изготовления обо рудования;

•экономическая целесообразность, обеспечивающая минимальные затраты на из готовление оборудования.

Пищевая безопасность получаемых продуктов обусловлена химической и биологи ческой инертностью применяемых материалов, контактирующих с технологическими средами. Эти материалы не должны прямо или косвенно (через продукт) оказывать негативное влияние на организм человека. Биологическую инертность материалов оце нивают по токсикологическим и другим санитарно гигиеническим показателям.

Любой материал, контактирующий с технологическими средами, должен иметь разрешение органов Государственного санитарного надзора Министерства здравоох ранения РФ на его применение в пищевой промышленности. Безопасность применяе мого на производстве оборудования должна быть подтверждена санитарно гигиени ческим сертификатом.

Косновным критериям оценки материалов, зависящим от рабочих условий, относят коррозионную (химическую), тепловую и микробиологическую стойкость. К материа лам аппаратов и машин, эксплуатируемых в условиях высоких давлений и температур или контактирующих с химически агрессивными средами, предъявляют повышенные требования. Микробиологическую стойкость определяют обычно при выборе материа лов органической природы, так как некоторые полимеры могут быть хорошими субстра тами для микроорганизмов, вследствие чего происходит их биологическая деградация.

Наиболее существенные характеристики физико механических свойств, которые

необходимо учитывать конструктору при выборе материалов, следующие: предел проч

ности σв, предел текучести σт, относительное удлинение δ и модуль упругости при рас тяжении Е.

Кроме указанных характеристик при выборе материалов для изготовления техно логического оборудования, работающего при повышенной температуре, необходимо учитывать и такие свойства, как ползучесть, возможность проявления тепловой хруп кости, релаксации, чувствительность к старению, а для оборудования, эксплуатируе мого при пониженных температурах, — хладноломкость. При выборе материалов для теплообменной аппаратуры необходимо знать физические характеристики, в частно сти коэффициент теплопроводности.

Кнаиболее существенным технологическим свойствам материалов относят свари ваемость, возможность обработки давлением, резанием и т. п., используя которые, можно при помощи традиционных технических приемов изготавливать требуемые детали аппаратов и машин с минимальными затратами.

Металлы. Для изготовления оборудования пивобезалкогольного производства до недавнего времени достаточно широко применяли медь и ее сплавы, алюминий