Расчет основного и вспомогательного оборудования

 

Согласно технологической схеме (приложение 2) для приготовления безалкогольных газированных напитков используются следующие виды основного оборудования:сироповарочный котел, купажная станция, купажный аппарат и сатуратор. Произведем расчет и подбор этого оборудования.

Расчет сироповарочного котла

Основной стадией производства безалкогольных напитков является приготовление сахарного сиропа, которое осуществляется в сироповарочном аппарате.

Согласно продуктовому расчету для приготовления 1000 дал одного безалкогольного напитка необходимо будет сварить сахарного сиропа с содержанием 65 % сухих веществ 1047,632 кг.

Для варки сиропа необходимо воды с учетом 10 % на испарение:

 

 

где 680,961 - содержание сухих веществ в сахарном сиропе с учетом потерь при варке и транспортировании при производстве одного безалкогольного напитка, кг.

Необходимо определить количество варок в сутки, исходя из норм занятости сироповарочного котла, представленных в табл. 2.13:

Таблица 2.13

Нормы занятости сироповарочного котла

Технологическая операция	Время, мин	Температура, ˚С
Набор воды	10	20-25
Нагрев воды	15	до 60
Внесение сахара	10	60
Кипячение	30	105
Охлаждение	30	70
Внесение лимонной кислоты	10	70
Выдержка	90	70
Охлаждение	60	20-25
Освобождение котла	20	-
Мойка	10	-
Длительность цикла	285

 

Исходя, из длительности цикла 285 мин при 16-ти часовой работе предприятия можно произвести 3 варки, т.е. сахара на 1 варку нужно:

 

 кг СВ,

 

где 680,961 - содержание сухих веществ сахара в сахарном сиропе инвертирования для приготовления 1000 дал напитка, кг. Сахарного сиропа с концентрацией 65 % до инвертирования необходимо:

 

 кг или

л.

 

Для одной варки необходимое количество воды с учетом 10 % на испарение;

 

 кг

 

Необходимую вместимость варочного котла V (в м³) определим по формуле:

 

 

где М_с- масса сахара, вносимого на одну варку, кг; М_в- масса воды на одну варку; ρ - плотность сахарного сиропа = 1316,3, кг/м³; φ - коэффициент заполнения аппарата (0,7 - 0,75).

 

,

 

где 226,657 - количество сахара на одну варку в натуральной массе, кг. (226,657/0,9985 = 226,997)

Полную вместимость сироповарочного аппарата, состоящего из цилиндрической и сферической частей, при радиусе сферы, равном радиусу цилиндрической части, можно представить как:

 

V = ,

 

где D - внутренний диаметр аппарата, м; h - высота цилиндрической части аппарата, м.

I При h= 0,5D формула примет вид:

 

V = , откуда:

D = ,

D = = 0, 54м..

 

Поверхность нагрева сферического днища (в м²) равна:

 

F = ,

F = = 0,457

 

Исходя из расчетов к установке принимаем реактор с рубашкой типа РР-550 с данными техническими характеристиками указанные в таблице 2.14:

Таблица 2.14

Технические характеристики

диаметр, мм	1000
объем, л	500
высота, мм	2860
масса, кг	1210

Необходимая мощность электродвигателя якорной мешалки. Мощность электродвигателя якорной мешалки (в кВт) можно рассчитать по формуле:

 

N_э = ,

 

где ρ- плотность перемешиваемой массы, кг/м³ (ρ = 1316,3 кг/м³); n – частота вращения мешалки, с^-1 (n = 0,33 - 1,33 с^-1, примем n = l c^-1); d_H – наружный диаметр лопасти мешалки, м (d_H = 0,70 м); d_B - внутренний диаметр мешалки, м (d_B = 0,56 м); η - КПД привода (η = 0,75):

 

N_э = .

 

Выбираем по каталогу электродвигатель 4А806УЗ (N_э = 1,1 кВт, n = 100 мин^-1).

Материальный баланс сироповарочного котла. Количество воды W выпариваемой при варке сиропа, обычно не превышает 10 % от первоначального количества. Составим уравнение материального баланса:

 

W = М – М_в - Мс,        

 

где М, М_в, Мс - массы соответственно сахарного сиропа, залитой воды для засыпанного сахарного песка, кг.

Количество воды, выпаренной при варко сиропа, определяют из того, что количество сахара при варке сиропа, остается постоянным, изменяется только концентрация сиропа. Тогда:

 

,

 

где В_н и В_к - соответственно начальная и конечная концентрация сиропа. Откуда:

 

W = (М_с+ М_в)·(1- В_н/В_к),

W = (226,997+135,606)·(1- 60/65) = 27,9 кг.

 

Тепловой баланс сироповарочного аппарата

Составим тепловой баланс сироповарочного котла:

 

М_с·с_с·t_c + М_n·c_в·t_в + G_n·c_а·t₁ + D = (М_с +М_в –W)·с_сир·t_cир + W· i_в + G_в·c_в·t₂ + D ·c_в·t_к + Q_п,

 

где М_с, M_B, G_a - массы засыпанного сахарного песка, воды, заливаемый в аппарат, и аппарата, кг; D - расход греющего пара, кг; W- масса выпариваемой воды, кг; с_с, с_в, с_а, с_сир удельные теплоемкости соответственно caxарного песка, воды, аппарата, сиропа, кДж/(кгК); t_c, t_B, t₁, t₂, t_сир, t, - темпер сахарного песка, воды, стенок аппарата до начала варки и после окон варки, сиропа и конденсата пара, °С; i, i_B -- энтальпии греющего и вторичного пара, кДж/кг; Q_n - потери теплоты аппаратом, кДж (Q_n= 5 %). Удельную теплоемкость сахара кДж/(кгК) определим по формуле В. В. Яновского:

 

С_с = 1,1618 + 0,00356 · t_с,

 

где t_с - температура сахара перед закладкой, °С (t_c = 20 С),

 

С_с = 1,1618 + 0,00356 · 20 = 1,233.

 

Оборудование сироповарочного отделения

При непрерывном способе варки сахарного сиропа сахар-песок предварительно подрабатывают для освобождения его от металлических и других предметов. Крупные предметы отделяют на ситах. Обычное рамное сито устанавливается на загрузочном бункере.

Бункер для сахара стальной, прямоугольной формы с усеченной частью. Объем бункера (в м³ на полусменный расход сахара)

 

V = , м³,

V =  = 1,15 м³.

 

где Q_см — расход сахара на сменную производительность, т; 1,1 — коэффициент, учитывающий 10%-ный запас вместимости; 0,8 — объемная плотность сахара, т/м³.

Объем бункера следует принимать в размере не более 2,5—3 м³. При необходимости устанавливают два бункера и более.

Оборудование для варки сахарного сиропа.

Для приготовления сахарного сиропа периодическим способом применяются котлы стальные эмалированные закрытые с мешалкой типа КМ. Вместимость аппаратов от 63 до 1600 л, коэффициент заполнения 0,8. Сироповарочные котлы работают по следующему графику (в мин): набор воды (20-25˚С) – 5-10, нагрев воды до 60˚С – 10-15, внесение сахара (60˚С) – 5-10, нагрев смеси до 105˚С – 30, освобождение котла – 15-20, мойка котла – 10. итого продолжительность работы котла составляет до 115 мин.

Вместимость сироповарочного отделения рассчитывается на суточный расход сахарного сиропа. Количество сироповарочных котлов:

 

n = , шт,

n = = 1 шт.

 

где Q_сут — расход сахара, кг/сут; 0,838 — содержание сахара в 1 л сахарного сиропа, содержащего 65 % сухих веществ, кг; V_к - вместимость сироповарочного котла, л; z – оборачиваемость котла; 0,8 — коэффициент заполнения реактора.

Оборачиваемость котла при работе сироповарочного отделения в одну смену (8 ч): z₁ = 480:90=5,3; z₂ = 480:115=4,1.

Готовый сахарный сироп подвергается инверсии при температуре 70°С. Таким образом, сахарный сироп, поступающий из котлов, надо охладить с t₂ = 105°С до t₂ = 70°С. После инверсии сахарного сиропа производится его охлаждение в теплообменнике с 70°С до 20 - 21°С.

Количество теплоты (в кДж), которое необходимо отвести при охлаждении от сахарного сиропа,

 

Q = cm·(t₂ — t₁) ·1,05, кДж,

Q = 276195,8 кДж.

 

где с — удельная теплоемкость сахарного сиропа [с=2,93 кДж/(кг-К)]; m — масса сахарного сиропа, кг; t₁ и t₂—начальная и конечная температура сиропа, ˚С; 1,05—коэффициент, учитывающий приток теплоты из окружающей среды.

При охлаждении сиропа до 70°С расход холодной воды по отношению к массе сиропа составляет 2:1. Температура, до которой нагревается вода (в °С),

 

,°С,

°С.

 

где t_в —температура нагрева воды, °С; с_в — удельная теплоемкость воды [с_в=4,19 кДж/(кг·К)]; m_в — масса воды, кг; 20 —начальная температура воды, °С.

Средняя разность температур:

для сиропа 125→ 70;

для воды 66← 20.

 

,°С,

= 54,44°С.

 

Площадь поверхности охлаждения теплообменника (в м²)

 

F = , м²,

F = = 5 м².

 

где К— коэффициент теплопередачи [К= 290,8 Вт/(м²К)]; 3,6 — коэффициент перевода из кДж в Вт·ч.

Принимаем к установке пластинчатый теплообменник с поверхностью теплообмена

F = 5 м², число пластин N= 10 шт., поверхность одной пластины f = 0,5 м².

Оборудование отделения приготовления купажных сиропов

Охлажденный инвертированный сахарный сироп перекачивается для хранения в закрытые вертикальные сборники, эмалированные типа СЗ.

Общая вместимость сборников для хранения сахарного сиропа (в м³)

 

, м²,

= 2,2 м²

 

где Q_сут—расход сахара, кг/сут; 0,838—содержание сахара в 1 л сахарного сиропа, содержащего 64 г сахара в 100 г сахарного сиропа, кг.

Количество сборников

 

, шт,

= 1 шт.

 

где V₁ — вместимость одного сборника, принятого к установке, м³.

Сборникидругого сырья рассчитываются на суточный расход при коэффициенте заполнения 0,9. Сборник для лимонной кислоты рассчитывается на хранение 50% раствора при коэффициенте заполнения 0,8.

Суточный расход лимонной кислоты 33,41 кг. Кислота употребляется в виде 50%-ного раствора. Объемная плотность кислоты 0,8 т/м³. Объем сборника для лимонной кислоты

 

V_сб = =0,1 м³.

 

Принимаем к установке сборник вместимостью 0,1 м³.

Суточный расход бензоата натрия 3,714 кг. Раствор бензоата натрия употребляется в виде 9 %-ного раствора. Объемная плотность 0,9 т/м³. Объем сборника для бензоата натрия

 

V_сб = =0,02 м³.

 

Принимаем к установке сборник вместимостью 0,02 м³.

Суточный расход ароматизатора 7,231 кг. Объем сборника для ароматизатора

 

V_сб = =0,02 м³.

 

Принимаем к установке сборник вместимостью 0,02 м³.

Для приготовления купажных сиропов применяются вертикальные стальные эмалированные аппараты с перемешивающими устройствами .

Число купажных аппаратов

 

 шт,

 = 1 шт.

 

где  — сменный расход купажа для всего ассортимента, м³; 1,1—коэффициент, учитывающий запас вместимости; V₁ —полный объем одного аппарата, м³; z — оборачиваемость купажного аппарата.

Оборачиваемость купажного аппарата

 

,

=3,7.

 

где τ — продолжительность работы купажера; 480 — число часов работы купажера в смену.

Принимаем к установке три купажных аппарата вместимостью 0,5 м³.

Купажные аппараты работают по следующему графику (в мин): внесение сахарного сиропа 10—15, раствора лимонной кислоты 5—10, раствора аскорбиновой кислоты 5 -10, раствора бензоата натрия 5 -10, ароматизатора 5— 10; перемешивание 15—20; проверка качества 15—20; фильтрование 15—20; мойка резервуара 10—15. Продолжительность цикла составляет 90—130 мин.

Для фильтрования купажных сиропов применяют рамные фильтр – прессы. Фильтр-прессы обеспечивают высокое качество фильтрования, просты в эксплуатации, высокопроизводительны (от 3000 до 9000 л/ч). Фильтр-пресс работает по следующему графику (в мин): сборка фильтра 15—20, промывка и заполнение 5—10, фильтрование 20—30, промывка фильтра 10—15, разборка фильтра 10—15, мойка пластин 15—20. Продолжительность цикла составляет 75—110 мин.

Оборачиваемость фильтра

 

,

= 4,3

 

где τ— продолжительность работы фильтра; 480 — число часов работы фильтра в смену.

Число фильтров, которое необходимо установить

 

, шт,

 = 1 шт.

 

где g — производительность фильтра, л/ч.

В течение часа необходимо охладить купаж из одного аппарата в объеме V₁·0,9, где V₁— полный объем одного купажера; 0,9 — коэффициент заполнения купажера.

Количество теплоты, которое необходимо отвести:

 

Q =  = 31151,6 кДж/ч

 

где 1,31028 — относительная плотность сиропа; 3,35 — удельная теплоемкость купажа, кДж/(кгК); 25 и 10 — начальная и конечная температура купажа, °С; 1,05 - коэффициент, учитывающий потери теплоты в окружающую среду.

Охлаждение купажа производится водой температурой - 5°С.

Определим среднюю разность температур:

для купажа: 25 - 7

для воды: (-3)-(-5)

 

=18,9°С

 

Площадь поверхности охлаждения

 

F = м²,

 

где 290,8 — коэффициент теплопередачи, Вт/(м²К).

Принимаем к установке пластинчатый теплообменник с площадью поверхности охлаждения F = 2 м², число пластин N = 4 шт., поверхность одной пластины f = 0,5 м².

Напорные сборники для купажа рассчитываются на 4-часовой запас. Объем сборника:

 

V_cб =  , м³,

V_cб =  = 1 м³.

 

где — сменный расход купажа для всего ассортимента, л.

К установке принимаем два сборника вместимостью 1 м³.

Оборудование участка автоматического розлива напитков

Часовая выработка напитков с учетом коэффициента использования оборудования отделения розлива (в дал)

 

Ч = , дал,

Ч =  дал.

 

где С_см — выпуск продукции в смену, дал; 1,025 — коэффициент, учитывающий потери напитков при розливе и хранении; 8—количество часов работы в смену; е — технический коэффициент использования автоматической моечно-разливочной линии: при 12000 бут/ч и выше е=0,8; при 6000 бут/ч е=0,9.

Сменный выпуск безалкогольных напитков:

 

С_см = дал.

 

Число наливаемых в час бутылок вместимостью 1 л

 

Ч ₁ = , бутылок,

 

где n₁ — количество безалкогольных напитков, наливаемых в бутылки вместимостью 1 л, %.

При розливе 50% всей продукции в бутылки вместимостью 1 л число наливаемых в час бутылок

 

Ч ₁ = = 1601,5 бутылок.

 

Затем выбирают производительность автоматических линий розлива. Зная часовую выработку продукции и паспортную производительность линий, рассчитывают их число.

Розлив безалкогольных напитков осуществляется на автоматических линиях производительностью 6000, 12000, 24000 бутылок в час. Линии укомплектованы пакетоформирующими и пакеторасформировывающими автоматами, автоматами по выемке бутылок из ящиков, бутыломоечными машинами. В комплект линий также входят разливочно-укупорочный блок, автомат для бракеража бутылочной продукции, этикетировочный автомат, счетчики готовой продукции, транспортеры для перемещения ящиков и бутылок.

Расчет вспомогательного оборудования

Согласно технологической схеме вспомогательным оборудованием являются насосы. Насос для перекачивания безалкогольных напитков на розлив подбирается по производительности. Принимаем, что время перекачивания 640,6 дал безалкогольных напитков составляет 120 минут. Производительность насоса составит

 

N = , м /с,

 

где U – объем перекачиваемой жидкости, м ; τ – требуемое время перекачивания, с.

Следовательно, необходим насос с производительностью не менее:

 

N = = 0,00044 м /с

 

По найденной производительности подбираем центробежный насос Siemens AWT/45-80 BH или многоступенчатый GRUNDFOS Contra с подачей до 10 м /ч и напором до 170 м в гигиеническом исполнении.

Количество погрузчиков. Рассчитывается по условия работы в посудном складе и складе готовой продукции: 10-12 ч/сут в наиболее напряженный период работы завода при перевозке паллетами по 50 ящиков (1000 бутылок) и коэффициенте непрерывности перевозок 1,3. Производительность погрузчиков рассчитывается по формуле

 

 

где m – грузоподъемность погрузчика, паллет; Т - фактическое время оборота погрузчика принимается на 15 % больше средней продолжительности одного рейса, мин; 60 – минут в ч.

Следовательно, производительность погрузчиков равна:

 

 пал/ч.

 

Количество необходимых погрузчиков находится по формуле:

 

шт,

 

где q – суточный выпуск продукции; Q – производительность погрузчиков; 10 – часы работы погрузчика в 2 смены; 1,3 – коэффициент неравномерности перевозок; n - количество бутылок в паллете, шт.

Значит, 1 погрузчик на склад готовой продукции должен успевать обслуживать линию розлива и вполне нас устраивает. Полученное количество погрузчиков для склада готовой продукции принимается и для посудного склада.

Расчет потребности в таре, вспомогательных и подсобных материалах

Бутылки и ящики (короба)

Примем условно, что напиток разливается в бутылки емкостью 1,0 л. В таком случае для выработки 5000000 л напитка бутылок потребуется

 

 

Деформацию бутылок при хранении, розливе и внутризаводских транспортировках примем в следующих размерах, %: на тарном складе – 0,8; в производстве – 2,5; в складе готовой продукции – 0,1. Всего он составит 3,4%.

С учетом деформации бутылок потребуется

 

 

Для покрытия деформации потребуется бутылок

 

 

Расход коробов в год составит 500000 шт, т.к. в каждый короб вкладывается 1 л бутылок на 1 дал продукции.

Расход пробок и самоклеящихся этикеток принимается равным 10,45 шт/дал, следовательно, на годовой план производства их необходимо

 

шт.

 

В качестве ополаскивающего раствора для бутылок перед розливом используется вода, циркулирующая в контуре ополаскивателя бутылок в течение рабочей смены. Объем требуемой воды для непрерывной работы в течение дня – 1 м , это соответствует вместимости контура ополаскивателя. Затем она отправляется на фильтрацию и кондиционирование и может быть снова использован до 12 раз. Унос с каплями составляет 400 мл воды за 10 ч работы. Соответственно, на год работы (250 раб дней) требуется не менее 20 м воды.

Нагрузка при хранении материалов принимается равной 1200 кг/м при коэффициенте использования площади 1.

Расчет складских помещений

Склад новых бутылок рассчитывается на 4-суточный запас с учетом площади, необходимой для установки оборудования и проезда погрузчиков.

Площадь посудного отделения требуется:

 

, м²,

S_б =

 

где q – суточный выпуск продукции в период напряженной работы завода, ящ; К - коэффициент, учитывающий площадь для установки оборудования и проезда погрузчиков; К - коэффициент, учитывающий бой и брак в посудном отделении; К - коэффициент неравномерности перевозок; n – количество ящиков на 1 м площади.

Площадь склада готовой продукции рассчитывается также на 4-суточный запас продукции с учетом площади, необходимой для проезда погрузчиков. Следовательно, она должна быть равна не менее 401,7 м .