9. Технологічні розрахунки у виробництві м’яких маргаринів

9.1 Розрахунок матеріального балансу

Матеріальний баланс спочатку складають на 1 т готового продукту, потім виконують перерахунок продуктового балансу на добу, місяць, рік на основі типових рецептур і діючих у промисловості нормативів відходів і втрат, що залежать від виду продукції та її товарної форми, з урахуванням фактичного фонду роботи обладнання.

Наведений матеріальний баланс розраховано на прикладі рецептури м’якого маргарину "Столичний", норматив відходів і втрат якого становить 0,58 % (в тому числі відходи жирів – 0,20 %, втрати жирів – 0,15 %, втрати нежирових речовин – 0,23 %).

Матеріальний баланс подано в табл. 9.1.

Таблиця 9.1 – Матеріальний баланс на 1 т маргарину "Столичний"

Для складання продуктового балансу, тобто для визначення потреби у сировині на добу, місяць, рік, прийнято такі початкові дані:

продуктивність поточної лінії – 5 т/год;

режим роботи обладнання – двозмінний (16 год);

фактичний фонд роботи обладнання – 297 днів;

кількість робочих днів на місяць – 27.

Розрахунок продуктового балансу наведено у табл. 9.2.

Таблиця 9.2 – Продуктовий баланс маргарину "Столичний"

9.2. Теплові розрахунки

9.2.1 Тепловий баланс процесу темперування рецептурного набору у змішувачі. Процес темперування у змішувачах призначений для вирівнювання температури в об’ємі рецептурного набору і створення оптимальних умов для емульгування водної і жирової фаз.

Наведений тепловий баланс складено на основі рецептури маргарину "Столичний", який виробляють на лініях продуктивністю 5 т/год. Початкові дані для розрахунку наведено у табл. 9.3

Таблиця 9.3 – Початкові дані для розрахунку теплового балансу

Інші рецептурні компоненти (цитринова кислота, ароматизатор, бензоат натрію) суттєво не впливають на розрахунок через малі значення масових витрат.

Початкову температуру водо- і жиророзчинних компонентів та рослинної олії приймають рівною 293 К (20 ⁰С), саломасу – на 5 ⁰С вище температури плавлення. Кінцеву температуру суміші, за якої здійснюється темперування, приймають рівною 313 К (40 ⁰С). Рівняння теплового балансу процесу темперування має вигляд:

Q₁ + Q_вп = Q₂ + Q_вк + Q_втр, (9.1)

де Q₁ – кількість теплоти рецептурних компонентів маргарину за початкової температури, кВт; Q_вп – кількість теплоти гарячої води, що циркулює в оболонках змішувача, за початкової температури, кВт; Q₂ – кількість теплоти композиції після темперування і змішування, кВт; Q_вк – кількість теплоти гарячої води за кінцевої температури, кВт; Q_втр – втрати теплоти у навколишнє середовище (приймають рівними (0,05÷0,1)·(Q₂ –Q₁).

Кількість теплоти рецептурних компонентів маргарину за початкової температури:

Q₁ = G₁c₁t₁, (9.2)

де t₁ – початкова температура рецептурних компонентів, К,

тобто

Q₁=(G₁c₁ + G₅c₅) ·313 +G₂c₂320 + (G₃с₃ + G₄с₄ + G₆с₆ + …G₉с₉)х

х 293 = 1167,03 кВт.

Кількість теплоти композиції після темперування і змішування

Q₂ = G_ с_мt₂, (9.3)

де G_ - сумарна масова витрата рецептурних компонентів, кг/с (табл. 9.3); с_м – питома теплоємність маргаринової емульсії (розрахована адитивним шляхом за даними табл. 9.1 і 9.3); с_м = 2,794 кДж/кгК; t₂ – кінцева температура маргаринової емульсії після темперування, К.

Підставивши числові значення, маємо:

Q₂ = 1,387·2,794·313 = 1212,96 кВт.

Кількість теплоти гарячої води за початкової та кінцевої температури визначається за рівняннями:

Q_вп = Wc_nt_n ; (9.4)

Q_вк = Wc_кt_к ; (9.5)

де W – масова витрата води, кг/с; с_n i c_k – питома теплоємність води за відповідних температур, кДж/кгК; t_n, t_k – відповідно початкова і кінцева температури гарячої води, К (за виробничими даними, t_n = 343 К; t_k = 318 К).

Тоді рівняння (9.1) можна подати у вигляді:

1167,03 + W·4,212·343 = 1212,96 + W·4,199·318 + 2,30. (9.6)

Звідки знаходимо витрату гарячої води на процес темперування:

= 0,44кг/с,

що становить 25,3м³/добу.

9.2.2. Тепловий баланс процесу пастеризації маргаринової

емульсії. Початкові дані для складання теплових балансів за стадіями нагрівання та охолодження, які здійснюються у пастеризаторі, визначено на підставі попередніх розрахунків, а також технологічних даних роботи установки фірми «Schröder».

Тепловий баланс секції регенерації. Схема теплових потоків має вигляд:

t₃ = 60 ⁰C t₁ = 40 ⁰C

початкова емульсія

t₂ = 85 ⁰C t₄

пастеризована емульсія

Рівняння теплового балансу:

Q₁ + Q₂ = Q₃ + Q₄ + Q_втр, (9.7)

де Q₁ – кількість теплоти початкової емульсії, кВт; Q₂ – кількість теплоти пастеризованої емульсії, кВт; Q₃ – кількість теплоти нагрітої емульсії, кВт; Q₄ – кількість теплоти охолодженої емульсії, кВт; Q_втр – втрати теплоти навантаження у навколишнє середовище (приймаємо Q_втр=0,05· (Q₃ – Q₁)).

З урахуванням попередніх розрахунків і на підставі відомих рівнянь можна записати:

1,05 (Q₃ - Q₁) = Q₂ - Q₄ (9.8)

Підставляючи відомі значення до рівняння (9.8), знаходимо температуру пастеризованої емульсії (t₄) на виході з секції пастеризації:

G_ c_м t₂ – 1,05 G_ c_м (t ₃ –t₁)

t₄ =--------------------------------------------- (9.9)

G_ c_м

Допускаючи, що питома теплоємність маргаринової емульсії у зазначених температурних інтервалах практично однакова і масова витрата емульсії не змінюється, рівняння (9.9) трансформується у наступне:

t₄ = t₂ – 1,05t₃ + 1,05t₁ = 337 K (64 ⁰C).

Тепловий баланс секції пастеризації. Схема теплових потоків має вигляд:

t₁ = 64 ⁰C t₂ = 85 ⁰C

н агріта емульсія

132,8 ⁰С 132,8 ⁰С

насичена пара

Як теплоносій у секції пастеризації використовується насичена пара з тиском 0,3 МПа і температурою 132,8 ⁰С. Корисна ентальпія водяної пари зазначених параметрів становить і_n = 1959 кДж/кг, конденсата i_k = 450 кДж/кг.

На підставі рівняння (9.7) тепловий баланс секції пастеризації можна записати так:

Pi_n – Pi_k = Q₂ – Q₁ + 0,05·(Q₂ – Q₁), (9.10)

де Р – масова витрата насиченої пари, кг/с,

або так:

1,05 G_zс_м(t₂-t₁) = P(i_n - i_k). (9.11)

Звідки знаходимо масову витрату насиченої пари:

Р = = 0,054 кг/с , (9.12)

що становить 3,11 т/добу.

Тепловий баланс секції охолодження. Схема теплових потоків має вигляд:

t₁ = 64 ⁰C t₂ = 40 ⁰C

емульсія

t₄ t₃ = 12 ⁰C

холодна вода

За аналогією рівняння теплового балансу можна записати у вигляді:

G_ C_Mt₁ + WC_Bt_{3 =} G_C_M_t₂ + WC_Bt₄ + Q_втр (9.13)

Масова витрата охолоджуючої води W за зазначеної продуктивності поточної лінії становить 7 м³/год, або 1,94 кг/с [4].

Таким чином, можна визначити температуру охолоджуючої води на виході із секції охолодження:

t₄ =.= 22,9 ⁰С (9.14)

9.2.3. Тепловий баланс переохолодження маргаринової емульсії.

Загальна кількість теплоти, яка відводиться у переохолоджувачі при охолодженні маргаринової емульсії, визначається так:

Q = Q₁ + Q₂ + Q₃ , (9.15)

де Q – кількість теплоти переохолоджувача, кВт:

Q₁ = G_z (i₁-i₂), (9.16)

тут G_z – масова витрата маргаринової емульсії, кг/с; i₁ – початкова ентальпія маргаринової емульсії, при t₁ =40 ⁰C i₁ = 155 кДж/кг; i₂ – кінцева ентальпія маргарину, при t₂ = 10 ⁰C, i₂ = 37,3 кДж/кг;

Q₂ – кількість теплоти, яке виділяється при перемішуванні маргарину, кВт:

Q₂ =  ·N_уст , (9.17)

тут  – коефіцієнт переходу електричної енергії у тепло, за практичними даними,  = 0,6; N_уст – сумарна потужність електродвигунів на валах переохолоджувача, N_уст = 76 кВт [4];

Q₃ – втрати теплоти у навколишнє середовище, кВт:

Q₃ = · (Q₁ +Q₂), (9.18)

тут  – коефіцієнт втрат тепла, приймають рівним 0,1.

Тоді:

Q = 229,74 кВт.

Кількість холодильного агента, який циркулює в апараті і чинить необхідний холодильний ефект, визначається так:

р = Q/q, (9.19)

де Q – кількість теплоти, яка відводиться у переохолоджувачі, кВт; q – холодопродуктивність рідкого аміаку, q = 1118,7 кДж/кг.

Отже,

р = 229,74/1118,7 = 0,205 кг/с.

За загальноприйнятою методикою тепловий баланс переохолодження маргаринової емульсії у комбінаторі можна представити у вигляді:

Q₁ + Q₂ + Q₃ = Q₄ + Q₅ + Q_втр , (9.20)

де: Q₁ - кількість теплоти маргаринової емульсії на вході у комбінатор, кВт ;

Q₂ – кількість теплоти, що виділяться при перемішуванні маргарину, кВт;

Q₃ – кількість теплоти рідкого амїаку, що надходить як холодильний агент у комбінатор, кВт;

Q₄ – кількість теплоти переохолодженої емульсії маргарину , кВт;

Q₅ - кількість теплоти газоподібного аміаку, що виходить з комбінатору, кВт;

Q_втр – втрати теплоти у навколишнє середовище, кВт [Q_втр= 0,05(Q₁ + Q₂ - Q₄ )]

Кількість теплоти маргаринової емульсії на вході у комбінатор дорівнює її кількості тепла після охолодження у пастеризаторі :

Q₁ = G_ c_м t₁ , (9.21)

Де: t₁ – температура, до якої маргаринова емульсія остаточно охолоджується у пастеризаторі (t₁ =40 ⁰С),

Тобто:

Q₁ = 1,387 2,794 313 = 1212,96 кВт.

Кількість теплоти, що виділяється при перемішуванні маргарину, визначається за формулою (9.17) :

Q₂ = 0,6 76 = 45,6 кВт.

Кількість теплоти рідкого аміаку, що надходить у комбінатор визначається за формулою :

Q₃ = Р і_р , (9.22)

де : Р – кількість холодильного агенту, кг/с. За наведеними вище розрахунками Р = 0,205 кг/с.

і_р – ентальпія рідкого аміаку, кДж/кг. За виробничими даними, якщо величина тиску конденсації пари аміаку складає Р_р = 1,47 Мпа, і_р = 599,84 к Дж/кг.

Тоді :

Q₃ = 0,205 599,84 = 122,96 кВт.

Кількість теплоти переохолодженої до t₂ = 10 ⁰C емульсії маргарину згідно формулі (9.21) :

Q₄ = 1,387 2,625 283 = 1090,37 кВт,

де : 2,625 кДж/кг К - величина питомої теплоємкості маргаринової емульсії за t₂ = 10 ⁰C (прийнято за даними експлуатації подібних установок).

Кількість теплоти газоподібного аміаку, що виходить з комбінатору :

Q₅ = р і₂ , (9.23)

де : і₂ – ентальпія пари аміаку, кДж/кг . За умови р₂ = 0,207 Мпа, і₂ =1659,78 кДж/кг.

Тоді

Q₅ = 0,205 1659,78 = 340,25 кВт.

Втрати теплоти у навколишнє середовище складають :

Q_втр = 0,05 ( 1212,96 +45,6 - 1030,37) = 11,4 кВт.

На підставі даних теплових розрахунків, а також додатково виконаних за методикою, описаною в п. 9.2, складаємо тепловий баланс основного обладнання поточної лінії фірми “Schroder” у вигляді таблиці 9.4.

Таблиця 9.4- Тепловий баланс основного обладнання

поточної лінії фірми “Schroder”

1. Змішувачі

2. Пастеризатор

2. Комбінатор