Стерилизация жидких питательных сред может проводиться в стерилизаторах периодического или непрерывного действия. Стерилизацию небольших объемов питательных сред чаще всего проводят непосредственно в ферментерах.
Периодический режим стерилизации имеет существенные недостатки:
- низкая производительность;
- высокие удельные расходы пара, воды, электроэнергии;
- неэффективное использование ферментеров (при стерилизации в них).
Более прогрессивными установками для стерилизации жидких питательных сред считаются установки непрерывного действия. Выпускают их производительностью 5, 20, 50, 100, 200 и 300 м3/ч
Установка непрерывной стерилизации производительностью 20 м3/ч (УНС-20) позволяет экономить до 77 % тепла за счет рекуперации, более эффективно осуществлять стерилизацию за счет специальной конструкции выдерживателя. Принципиальная схема установки показана на рис. 3.5.
Установка состоит из приемника стерилизуемой среды, центробежных насосов, нагревателя, емкостного выдерживателя, рекуператора тепла, теплообменника и системы автоматического регулирования параметров стерилизации.
До начала работы установки все аппараты, входящие в состав, трубопроводы и арматура стерилизуются острым паром и установка выводится на рабочие режимы.
После этого нестерильная среда из реактора-смесителя подается в приемный резервуар установки. Из приемного резервуара она центробежным насосом подается в рекуператор, где подогревается за счет тепла стерильной среды, после чего поступает в нагреватель. В нагревателе среда смешивается с острым паром и быстро нагревается до 130 0С.
Нагреватель – цилиндрический сосуд диаметром 400 мм и вместимостью 100 л. общий вид нагревателя показан на рис. 3.6.
Штуцер для подачи пара расположен на корпусе тангенциально и через сопло диаметром 2,5 мм подается пар под давлением 0,6 МПа. С противоположной стороны через штуцер 3, расположенный также тангенциально, подается среда со скоростью 1,5 м3/ч. Происходит интенсивное смешивание среды с паром и быстрый нагрев до нужной температуры.
Из нагревателя среда с температурой стерилизации подается тангенциально в нижний патрубок выдерживателя. Выдерживатель представляет собой цилиндрический сосуд диаметром 600 мм, высотой 6 м и вместимостью 1,7 м3. Из первого выдерживателя среда подается во второй, а затем в третий. Это обеспечивает необходимое время выдержки среды при температуре стерилизации. Для сохранения тепла выдерживатели и соединительные трубы хорошо изолированы.
В каждом выдерживателе по высоте расположено 10 секций. Устройство такой секции показано на рис.3.7.
Каждая секция состоит из центрального патрубка 1 с диском 2 и 3 и направляющих 4. В секции образуются два ряда цилиндрических камер 5 и 7. Из нижней камеры 5 среда через прорези 6 входит в центральный патрубок 1. В верхнюю камеру 7 среда попадает из центрального патрубка 1 через прорези 8. Направляющие обеспечивают интенсивное перемешивание среды. После этого среда перемещается в следующую секцию.
Рекуператор тепла представляет собой пластинчатый теплообменник с поверхностью теплообмена 100 м2. В рекуператоре между пластинами с одной стороны движется холодная нестерильная среда, а с другой стороны стерильная среда с температурой стерилизации. Стерилизованная среда охлаждается, а за счет этого тепла холодная среда нагревается.
Эффективность рекуператора тепла характеризуется коэффициентом рекуперации, который достигает 77 %.
Установка снабжена контрольно-измерительными и регулирующими приборами, что обеспечивает автоматическое регулирование заданных режимов.
Теплообменные аппараты
Теплообменные аппараты используют там, где технологические процессы связаны с поглощением или выделением большого количества тепла (пастеризация, стерилизация, охлаждение, замораживание, концентрирование, гидролиз и др.).
По способу передачи тепла теплообменные аппараты подразделяются на смесительные и поверхностные. В смесительных аппаратах происходит непосредственный контакт теплоносителя и продукта, их смешивание. применение таких аппаратов ограничено. Используют их для нагрева воды, стерилизации питательных сред, гидролиза древесины и др.
В поверхностных аппаратах теплоноситель и продукт разделены теплопроводной стенкой. Через неё и передается тепло.
В зависимости от назначения аппараты подразделяются на подогреватели, реакторы, холодильники, испарители, конденсаторы, теплообменники.
В зависимости от агрегатного состояния теплоносителей теплообмен в аппаратах может быть: между двумя газами (подогрев газов топочными газами); между паром и газом (паровые подогреватели воздуха); между газом и жидкостью (холодильники для газов); между паром и жидкостью (паровые подогреватели, конденсаторы); между двумя жидкостями (теплообменники).
Движение теплоносителей может быть прямоточным, противоточным, перекрестным или смешанным.
При выборе теплообменников необходимо учитывать коэффициент теплопередачи. Коэффициент теплопередачи возрастает с увеличением скорости движения теплоносителя, малым тепловым сопротивлением стенки. Коэффициент может резко снижаться при загрязнении теплопередающей стенки.
При решении вопроса какой из теплоносителей направлять по трубам, а какой в межтрубное пространство руководствуются следующим правилом:
- теплоноситель, выделяющий осадки, целесообразнее пропускать по наиболее доступной для очистки поверхности теплообмена;
- теплоноситель с меньшим коэффициентом теплоотдачи желательно пропускать через трубы;
- продукт, вызывающий коррозию, подают по трубам, а трубы и трубную решетку изготовляют из материала устойчивого к коррозии;
- в нагревателях теплоноситель с более высокой температурой желательно подавать по трубам, что позволить экономить тепло;
- в охладителях теплоноситель с более высокой температурой желательно подавать в межтрубное пространство, что сократит потери холода;
- теплоноситель с высоким давлением экономичнее подавать по трубам (стенки корпуса могут быть тоньше).
Скорость пропускания теплоносителей зависит от их вида:
- для газов – до 25 м/с;
- для насыщенных паров – до 10 м/с;
- для жидки сред – до 3 м/с.
Кожухотрубные теплообменные аппараты используют для нагревания или охлаждения жидких и газообразных сред. Аппарат состоит из пучка труб, концы которых закреплены в специальных решетках. Решетки и трубы находятся внутри общего кожуха. Один из теплоносителей движется по трубам, а второй – в межтрубном пространстве.
Кожухотрубные теплообменники могут быть одноходовыми и многоходовыми. В одноходовом аппарате продукт и теплоноситель движутся параллельно прямотоком или противотоком. В многоходовых аппаратах теплоноситель и продукт несколько раз меняют направление движения. Происходит это с помощью специальных перегородок. Схема движения теплоносителя и продукта в таких аппаратах приведена на рис. 3.8.
В теплообменниках, где трубные решетки жестко соединены с кожухом, возникают температурные напряжения из-за различного теплового удлинения труб и кожуха. Применять такие аппараты целесообразно при небольшой разности температур (до 50 0С).
Для компенсации неодинакового удлинения труб и кожуха устанавливают специальные компенсаторы: линзовые компенсаторы, подвижные трубные решетки, сальниковое закрепление труб в решетках, U-образные трубы.
Теплообменники с U-образными трубами имеют одну трубную решетку и являются двухходовыми. Пучок таких труб легко вынимается из кожуха, но затруднена чистка труб изнутри.
Размещать трубы в трубных решетках можно по концентрическим окружностям, по периметрам прямоугольников и по периметрам правильных шестигранников (рис.3.9).
Кожухотрубные теплообменники могут устанавливаться как горизонтально, так и вертикально, аппараты применяют для теплообмена от минус 60 0С до 600 0С. Общий вид кожухотрубного теплообменника для тепловой обработки молока показан на рис. 3.10.
Кожухотрубные теплообменники имеют определенные преимущества и не лишены недостатков. К преимуществам таких аппаратов можно отнести: - небольшой расход металла;
- компактность;
- легкая очистка труб изнутри (за исключением U-образных).
Недостатки кожухотрубных теплообменников:
- затруднено пропускание теплоносителей с большими скоростями;
- затруднена очистка межтрубного пространства, его осмотр и ремонт;
- затруднено изготовление из металлов, не допускающих развальцовки.
Теплообменные аппараты типа "труба в трубе" может применяться для охлаждения стерильных питательных сред в потоке. Такой теплообменник прост по устройству. Он состоит из внутренней трубы и наружной трубы большего размера. Эти простые элементы соединяются друг с другом с помощью колен и фланцев (рис. 3.11).
В двухтрубных теплообменниках можно достичь высоких скоростей теплоносителя и продукта (до 3 м/с). поэтому при нагревании жидкости паром коэффициент теплопередачи сравнительно высок (до 1000 Вт/(м2·К).
Недостатки двухтрубных теплообменников:
- громоздкость;
- большая металлоемкость;
- исключение колен, фланцев из зоны теплообмена.
Змеевиковые теплообменники еще проще по устройству. Змеевик, по которому подают продукт, помещают в закрытый сосуд (рис. 3.12)
Такие теплообменники могут быть использованы для нагрева питательных сред при стерилизации и конденсации паров.
Недостатки змеевиковых теплообменников:
- затруднена очистка внутренних поверхностей согнутых труб;
- змеевик имеет большое гидравлическое сопротивление, что снижает скорость движения жидкости;
- малая скорость движения жидкости омывающей змеевик;
- низкий коэффициент теплоотдачи.
Пластинчатые теплообменные аппараты нашли широкое применение в народном хозяйстве. В пищевой и биотехнологической промышленности они применяются в процессах непрерывной стерилизации жидких питательных сред и конденсации паров, как пастеризаторы при теплообмене между двумя, тремя и большим количеством рабочих сред. Существенным преимуществом пластинчатых теплообменников является быстрая и легкая разборка и сборка аппаратов, доступность для очистки теплопередающих поверхностей и сравнительно высокие коэффициенты теплопередачи для жидкостей до 2500 - 3800 Вт/м2 град. Площадь поверхности теплопередачи разборных теплообменников может достигать 500 м2 . Пластины изготовляют из коррозиестойких материалов (титан, хромоникелевая сталь и др.). Теплообменники могут работать при давлении до 1,6 МПа и температуре теплоносителей до 180 оС.
Основными рабочими элементами теплообменника являются пластины, которые устанавливаются на станину в определенной последовательности. Часть теплообменника, охлаждаемая или обогреваемая одним теплоносителем и состоящая из одного или нескольких пакетов, называется секцией. Один аппарат может состоять из нескольких секций различного назначения: пастеризации, регенерации тепла, охлаждения.
Производительность пластинчатых теплообменников зависит от количества и размера пластин и может достигать 550 м3 /ч. Конструкция пластинчатых теплообменников позволяет легко менять площадь поверхности теплообмена за счет установки различного количества пластин и тем самым изменять производительность аппаратов. Благодаря турбулентному движению жидкости между пластинами, коэффициент теплопередачи у таких аппаратов значительно выше, чем у кожухотрубных теплообменников, типа “труба в трубе”, змеевиковых и др.
Пластинчатые установки позволяют легко автоматизировать теплообменные процессы и комплектуются необходимыми аппаратами в зависимости от назначения установки.
Пастеризационно - охладительные установки для молока предназначены для пастеризации и охлаждения молока в автоматическом режиме. В комплект автоматизированных пластинчатых установок входят: пластинчатый теплообменник, уравнительный бак с клапанно-поплавковым регулятором уровня, центробежный насос для молока, сепаратор - молокоочиститель, выдерживатель, возвратный клапан, бойлер для нагрева воды, насос для воды, щит управления с контрольными и регулирующими приборами, комплект соединительных трубопроводов и арматуры.
Основным аппаратом в установке является пластинчатый теплообменник. Общий вид пластинчатого теплообменника с двухсторонним расположением секций показан на рис. 3.13.
Теплообменник имеет две секции рекуперации 7 и 9, секцию пастеризации 11, и секции водяного и рассольного охлаждения 13. Между секциями рекуперации и пастеризации установлены разделительные плиты 21. На плитах расположены штуцера для ввода и вывода рабочих сред. Сжатие пластин осуществляется нажимной плитой 4 и затяжным устройством 6.
Основная роль в пластинчатом аппарате принадлежит пластинам. пластина имеет сложную форму теплообмена. От формы поверхности зависит интенсивность теплоотдачи и эффективность работы аппарата. Наиболее широкое распространение получили ленточно-поточные пластины с горизонтальными гофрами типа П-1, П-2, П-3 с поверхностью теплоотдачи 0,15; 0,21; и 0,42 м2 соответственно, а также сетчато-поточные пластины с наклонными гофрами типа ПР-0,5Е и ПР-0,5М с поверхностью теплопередачи 0,5 м2.
Общий вид этих пластин показан на рис.3.14.
В собранном виде между двумя пластинами образуется зигзагообразный канал для прохождения жидкости (рис. 3.15).
Пластина в верхней и нижней частях имеет четыре отверстия, которые в собранном теплообменнике образуют каналы для подвода и отвода продукта и теплоносителя. Полукруглые вырезы вверху и внизу пластин служат для установления пластин на станине. Уплотнение пластин создается резиновыми прокладками, которые приклеиваются по краям пластин и вокруг отверстий.
В процессе обработки молоко проходит через секции в определенном порядке. Вначале оно поступает в 1 секцию рекуперации, затем во вторую и уже после подогрева в этих секциях идет в секцию пастеризации. Из секции пастеризации молоко поступает во вторую секцию регенерации, затем в первую секцию регенерации, где отдает свое тепло холодному молоку, и только после этого направляется в секции водяного и рассольного охлаждения. Такой порядок движения молока обеспечивает экономию пара на его пастеризацию за счет подогрева холодного молока в секциях рекуперации и одновременно экономится холод на охлаждение пастеризованного молока за счет передачи тепла пастеризованным молоком холодному молоку.
Каждая секция состоит из пакетов, через которые молоко движется последовательно. На рис.3.16 показана принципиальная схема движения молока, холодной и горячей воды, рассола. На схеме каждая секция имеет по два пакета. Каждый пакет состоит из определенного количества пластин, которые образуют параллельные каналы. Количество пакетов и параллельных каналов зависит от скорости движения молока в аппарате. Извилистые каналы для движения молока и теплоносителя, периодическое изменение направления движения жидкости способствуют образованию завихрений, которые придают потоку турбулентный характер. Это способствует повышению эффективности теплообмена между жидкостями.
Принципиальная схема работы пастеризационно-охладительной установки при выработке пастеризованного молока показана на рис. 3.17. Для выработки продукта используют пастеризационно-охладительные установки производительностью 3000, 5000, 10000, 15000 и 25000 кг/ч Наиболее распространенной является установка производительностью 10000 л/ч.
Молоко, после определения его качества и массы, резервируют или через промежуточный резервуар направляют на переработку. Из резервуара молоко центробежным насосом подается в уравнительный бак 1 с поплавковым регулятором уровня 2. Регулятор поддерживает постоянный уровень молока в баке и стабилизирует работу насоса. Из уравнительного бака молоко центробежным насосом 3 подается в первую секцию рекуперации, где подогревается до 40-45 0С, и выводится на сепаратор-молокоочиститель 6. На сепараторе молоко очищается от механических примесей и возвращается во вторую секцию регенерации, где подогревается уже до температуры 65-70 0С, а затем переходит в секцию пастеризации и окончательно нагревается до 76-80 0С. Пастеризованное молоко поступает в выдерживатель 7, а из него во вторую секцию рекуперации, затем в первую секцию рекуперации. Охлаждение до конечной температуры проводится в начале в секции водяного охлаждения, затем в секции рассольного охлаждения. На выходе из аппарата установлен возвратный клапан 15. Он регулирует поток молока. При нарушении режимов пастеризации или охлаждения молоко возвращается в уравнительный бак, а при соблюдении режимов молоко направляется на фасовку.
Тепловой расчет пластинчатых теплообменников сводится к определению производительность секций при выбранном режиме и известной рабочей поверхности или, наоборот, определяют потребную рабочую поверхность, необходимую для получения заданной производительности при выбранном режиме.
В обоих случаях перед расчетом на основании имеющихся данных и местных условий работы необходимо установить температуры всех жидкостей (молока, воды, рассола) в начале и конце каждой секции и составить график температур (рис. 3.18).
При этом надо учитывать следующее. Температура сырого молока t1 при входе в секцию регенерации обычно равна 10 °с, температуру пастеризации t3 выбирают в зависимости от режима пастеризации. Температуры t2 и t4 при выходе молока из секции регенерации вычисляют, задаваясь желательным коэффициентом регенерации (от 0,65 до 0,85) по формуле (3.1):
(3.1)
где: Qр – количество тепла, возвращенное при регенерации, ккал/ч;
Qп – количество тепла, пошедшего на пастеризацию, ккал/ч;
G – производительность аппарата, кг/ч; См - удельная теплоемкость молока, ккал/кг · град; t1 - начальная температура сырого молока, 0С; t2 – температура молока после подогрева в регенераторе, 0С; t3 – температура молока после пастеризации, 0С; t4 – температура пастеризованного молока после регенерации, 0С.
Температура t5 при выходе молока из секции охлаждения водой обычно на 3-5 °С выше температуры охлаждающей воды, которую выбирают в зависимости от местных и сезонных условий, а температура охлажденного молока t6 обычно составляет 3-5 °С.
Температура горячей воды tг' при входе в секцию на 2-3 °С выше температуры пастеризации, а tг'' при выходе зависит от кратности п (обычно п выбирают в пределах 4-7). Эту температуру вычисляют из уравнения (3.2):
См · (t3 - t2) = n · (tг' - tг'') (3.2)
где: n – кратность воды; См – теплоемкость молока.
Подобным же образом устанавливают температуры холодной воды и рассола на входе и выходе из секции.
Пользуясь графиком и зная температуры молока и рабочих жидкостей, можно вычислить средний температурный перепад ∆tср во всех секциях и определить количество тепла для всех секций. Коэффициенты теплопередачи выбирают по табл. 3.1.
Таблица 3.1 – Коэффициенты теплопередачи при охлаждении и пастеризации на различных аппаратах
| Условия охлаждения и нагревания | Коэффициент теплопередачи, ккал/м2·час·град |
| Охлаждение в пластинчатых аппаратах при поперечном обтекании рифлей: для секций водяного охлаждения для секций рассольного охлаждения Охлаждение в трубчатых закрытых охладителях: для секций водяного охлаждения для секций рассольного охлаждения Нагревание молока горячей водой или паром в пастеризационных секциях пластинчатых пастеризаторов при поперечном обтекании рифлей Нагревание молока в трубчатых пастеризаторах: от 5 до 85 0С от 40 до 85 0С | 1500-2000 1200-1500 1000-1200 700-900 2500-3000 |
На основании этих данных рабочую поверхность каждой секции определяют то уравнению теплопередачи (3.3):
Q = К · F · ∆tср · τ (3.3)
где: Q - количество тепла, ккал; К – коэффициент теплопередачи, ккал/м2 · час·град; F – рабочая поверхность стенки, м2; ∆tср –средняя логарифмическая разность температур между продуктом и теплоносителем, 0С;
τ – продолжительность теплообмена, час.
Обычно количество тепла при теплопередаче рассчитывают на один час. Тогда формула 3.3 примет вид (3.4):
Q = К · F · ∆tср (3.4)
Среднюю логарифмическую разность температур определяют по формуле (3.5):
, (3.5)
где: ∆tб – большая разность температур;
∆tм – меньшая разность температур.
Если ∆tб / ∆tм < 2, то средний температурный напор может быть определен как средняя арифметическая разность (3.6):
(3.6)