Установка переработки подсырной сыворотки для цеха полутвердых сыров с разработкой блока обратного осмоса

3.1.1 Материальный баланс

Определяется количество пермеата и концентрата, которые получаются после концентрирования на обратноосмотической установке.

Материальный баланс для обратноосмотической установке составляется по уравнениям (3.1) и (3.2)

, (3.1)

где L_исх - производительность по исходной сыворотке, кг/с;

L_кон - производительность по концентрату, кг/с;

L_п - производительность по пермеату, кг/с.

, (3.2)

где Х_исх - концентрация сухих веществ в исходной сыворотке, %;

Х_кон - концентрация сухих веществ в концентрате после прохождения через обратноосмотическую установку, %;

Х_п - концентрация сухих веществ в пермеате после прохождения через обратноосмотическую установку, %.

Подставим численные значения в уравнения (3.1) и (3.2).

,

,

Составив из уравнений (3.1) и (3.2) систему и решив ее, получаем искомые значения: L_кон=0,75 кг/с, L_п=1,75 кг/с.

3.1.2 Приближенный расчет рабочей поверхности мембран

Для расчетов выбираем мембрану МГА-95, имеющую селективность по лактозе =0,95 и удельную производительность по воде кг/ (м²·с) согласно 9, с.322. Принимаем рабочее давление согласно 9, с.321 =1,5 МПа.

Рабочую поверхность мембран F () определяют по уравнению 10, с.23

, (3.3)

где L_ф - расход фильтрата, кг/ с;

G_ср - средняя проницаемость мембран, кг/ (м²·с).

Расход фильтра определяется по уравнению 10, с.23

, (3.4)

где L_н - расход исходного раствора, кг/ ч;

К - степень концентрирования;

- селективность мембран.

Степень концентрирования равна 10, с.23

, (3.5)

где Х_н, Х_к - соответственно начальная и конечная концентрация раствора, %.

Подставим численные значения в формулу (3.5).

.

Подставим численные значения в формулу (3.4).

Средняя проницаемость мембран в аппарате может быть определена по формуле 10, с.23

, (3.6)

где G_н, G_к - проницаемость мембран соответственно на входе и на выходе раствора, кг/ (м²·с).

Проницаемость мембран по отношению к раствору определяется по уравнениям 10, с.23

, (3.7)

, (3.8)

где - проницаемость мембран по воде, кг/ (м²·с);

- осмотическое давление в объеме раствора, Па;

- перепад рабочего давления через мембрану.

Для определения осмотического давления раствора при начальной и конечной концентрации строят график зависимости осмотического давления от концентрации раствора , приведенный на рисунке 3.1. График строится по данным 11, с.122. По графику находим П_н=0,35 МПа; П_к=1,21МПА.

Рисунок 3.1- График зависимости осмотического давления от концентрации раствора лактозы

Подставляем численные значения в формулу (3.7) и (3.8).

кг/ (м²·с),

кг/ (м²·с).

Подставим численные значения в формулу (3.6).

кг/ (м²·с).

Подставим численные значения в формулу (3.3).

м².

3.1.3 Выбор аппарата и определение его основных характеристик

Принимаем согласно 10,с.24 следующие конструктивные параметры:

- рабочая длина модуля l_м=1 м;

- длина пакета l_п=1,6 м;

- число совместно навитых рулонных фильтрующих элементов П_э=10;

- число модулей в корпусе аппарата П_м=4;

- толщина сетки-сепаратора _с=0,0007 м;

- толщина пакета (двух мембран с расположенными между ними дренажным слоем) _п=0,0011 м.

Определим толщину пакета из выражения 10, с.24

, (3.9)

где _д - толщина дренажного слоя;

₁ -толщина подложки;

₂ - толщина мембраны.

К расчету принимаем, согласно 10, с.24, _д=0,0004м, ₁=0,0003 м, ₂=0,0001 м.

Подставим численные значения в формулу (3.9).

м.

Рабочую поверхность мембраны в одном элементе F_э, м, определим из уравнения 10, с.25

, (3.10)

Подставим численные значения в формулу (3.10).

м².

Рабочая поверхность мембран в одном модуле F_м , м², определяется из выражения 10, с.25

, (3.11)

Подставим численные значения в формулу (3.11).

м².

Рабочая поверхность мембран в аппарате F_а, м², равна 10, с.25

, (3.12)

Подставим численные значения в формулу (3.12).

м².

Сечение аппарата, по которому проходит раствор , м², определяется по формуле 10, с.25

, (3.13)

Подставим численные значения в формулу (3.13).

м².

Сечение аппарата, занятое пакетами, , м², составляет 10, с.25

, (3.14)

Подставим численные значения в формулу (3.14).

м².

Общее сечение аппарата , м², определяется 10, с.25

, (3.15)

Подставим численные значения в формулу (3.15).

м².

Внутренний диаметр аппарата d_a, м, составит 10, с.25

м. (3.16)

Подставим численные значения в формулу (3.16).

м.

3.1.4 Определение числа аппаратов и секционирование аппаратов в установке

Общее число аппаратов n в мембранной установке определяют по уравнению 10, с.26

, (3.17)

Подставим численные значения в формулу (3.17).

шт.

Необходимость секционирования обусловлена тем, что при параллельном соединении всех аппаратов велико отрицательное влияние концентрационной поляризации, а при последовательном соединении чрезмерно велико гидравлическое сопротивление потоку разделяемого раствора. Секционирование заключается в определении числа последовательно соединенных секций, в каждой из которых разделяемый раствор подается параллельно во все аппараты 9, с.326.

Число аппаратов первой секции n₁, шт, определяется по формуле 10, с. 26

, (3.18)

где q - допустимое снижение расхода по длине аппарата;

L_фа - расход фильтра в аппарате, кг/с.

Согласно 10,с. 26, выберем q=1,2.

Расход фильтра в аппарате находится из выражения 10, с.26

, (3.19)

Подставим численные значения в формулу (3.19).

кг/с.

Подставим получившиеся значения в формулу (3.18).

шт.

Число аппаратов в последующих секциях n_i определяют из выражения 10, с.26

, (3.20)

Подставим численные значения в формулу (3.20).

шт,

шт,

шт,

шт,

шт.

Суммируя число аппаратов, получаем 9, с.327

шт.

На основании полученных данных заполним таблицу 3.1.

Таблица 3.1- Число аппаратов в секции

Секция	1	2	3	4	5	6
Число аппаратов в секции	3	3	2	2	2	1

3.1.5 Расчет наблюдаемой селективности мембран

Расчет проводится для двух сечений: на входе исходного раствора в аппараты первой секции и на выходе концентрата из аппаратов последней секции.

Наблюдаемую селективность рассчитываем по формуле 10, с.26

, (3.21)

где U - скорость движения раствора по направлению к мембране, вызванное отводом пермеата, м/с;

- коэффициент массоотдачи растворенного вещества от поверхности мембраны к ядру потока разделяемого раствора, м/с.

Для последующих расчетов определяют среднеарифметическое значение наблюдаемой селективности по формуле

, (3.22)

где , - соответственно наблюдаемая селективность на входе в первую секции и на выходе из последней секции.

Скорость движения раствора определяется из выражения 10, с.26

, (3.23)

где - плотность раствора, кг/ м³.

Значение плотности , кг/м³, и нужные для последующих расчетов значения коэффициентов кинематической вязкости , м²/с, и диффузии раствора лактозы D, м²/с, находим, пользуясь 11, с.122.

К расчету принимаем при начальной концентрации лактозы 4,5 % кг/м³, м²/с, D_н=0,505м²/с; при конечной концентрации лактозы 14 % кг/м³, м²/с, D_н=0,48м²/с.

Подставим численные выражения в формулу (3.23).

м/с,

м/с.

Коэффициент массоотдачи выражается из критерия Шервуда 10, с.27

, (3.24)

где D - коэффициент диффузии раствора, м²/с;

d_э - эквивалентный диаметр.

Отсюда коэффициент массоотдачи равен

, (3.25)

Эквивалентный диаметр для кольцевого канала рассчитывается по формуле 10, с.27

, (3.26)

Подставим численные значения в формулу (3.26).

м.

Критерий Шервуда в случае ламинарного режима определяется по формуле 10, с.26

, (3.27)

В случае турбулентного режима критерий Шервуда рассчитывается по формуле 10, с.28

, (3.28)

где Re - критерий Рейнольдса;

Sc - критерий Шмидта;

l - длина канала, м.

Для расчета примем l=l_м 10, с.28.

Критерий Рейнольдса определяется из выражения 10, с.28

, (3.29)

где V - скорость течения раствора, м/с;

- вязкость раствора, м²/с.

Критерий Шмидта рассчитывается по формуле 10, с.28

, (3.30)

Скорость течения раствора находится по формуле 10, с.28

, (3.31)

где L - соответственно расход концентрата и пермеата, кг/с.

Расход концентрата определяется из выражения 10, с.28

, (3.32)

Подставим численные значения в формулу (3.32).

кг/с.

Подставим численные значения в формулу (3.31).

м/с,

м/с.

Подставим численные значения в формулу (3.30).

м/с,

м/с.

Подставим численные значения в формулу (3.29).

,

.

Таким образом, в аппаратах ламинарный режим течения разделяемого раствора.

Подставим численные значения в формулу (3.27).

,

.

Подставим численные значения в формулу (3.25).

м/с,

м/с.

Подставим численные значения в формулу (3.21).

,

.

Отсюда

,

.

Подставим численные значения в формулу (3.22).

.

3.1.6 Уточненный расчет поверхности мембран

Для уточненного расчета поверхности мембран можно используется уравнение 9, с.330

, (3.33)

где С - константа для данной системы.

Константа для данной системы рассчитывается по формуле 10, с.29

, (3.34)

где С_н, С_к - соответственно константы для сечения на входе в аппараты первой секции и на выходе из аппаратов последней секции.

Константы С_н, С_к определяют по уравнениям 10, с.29

, (3.35)

, (3.36)

где Q_н, Q_к - соответственно проницаемость мембран на входе в первую секцию и на выходе из последней секции, кг/(м²·с).

Проницаемость мембран рассчитываются по уравнению 10, с.29

, (3.37)

где П₃ - осмотическое давление разделяемого раствора у поверхности мембран, Па;

П₂ - осмотическое давление фильтрата, Па.

Значения П₂, П₃ находят по графику зависимости П=f(X), предварительно определив значения концентраций раствора у поверхности мембраны Х₃ (% )и фильтрата Х₂ (%) (рисунок 3.1).

Концентрации растворов у поверхности мембран рассчитываются по формулам 10, с.30

, (3.38)

, (3.39)

, (3.40)

. (3.41)

Подставляем численные значения в формулы (3.38), (3.39), (3.40) и (3.41).

,

,

,

.

По графику (рисунок 3.1) находим

МПа,

МПа,

МПа,

МПа.

Подставим численные значения в формулу (3.37).

кг/(м²·с),

кг/(м²·с).

Подставим численные значения в формулы (3.35) и (3.36).

,

.

Подставим численные значения в форму (3.34).

.

Подставим полученные значения в формулу (3.33).

.

Расхождение с рабочей поверхностью мембран, равной 1591 м², составляет 7,7 %. Полученная разница не превышает 10%, поэтому пересчета не требуется 9, с.330.

3.1.7 Расчет гидравлического сопротивления

Гидравлическое сопротивление необходимо рассчитывать для определения фактического давления в аппаратах обратного осмоса и потребного напора насоса.

Развиваемое насосом давление расходуется на создание перепада рабочего давления через мембрану , преодоление гидравлического сопротивления потоку разделяемого раствора в аппаратах и потоку пермеата в дренажах 9,с. 330.

Максимальное рабочее давление , Па, которое должен развивать насос, определяется по уравнению 10, с.30

, (3.42)

где , - гидравлическое сопротивление соответственно потокам раствора и фильтрата, Па.

Гидравлическое сопротивление при течении жидкости в каналах, образованных сетками-сепараторами и дренажным слоем определяется из уравнений 10, с.30

, (3.43)

, (3.44)

где , - гидравлическое сопротивление полых каналов соответственно для раствора и для фильтрата, Па;

l₀₁, l₀₂ - коэффициент, зависящий от вида сепарирующей сетки и дренажного материала.

Согласно10, с.30 к расчетам принимаем l₀₁=7; l₀₂=110.

Гидравлическое сопротивление полых каналов соответственно для раствора и для фильтрата рассчитывается по уравнениям 10, с.31

, (3.45)

, (3.46)

где l - общая длина канала, м;

d - эквивалентный диаметр (в пересчете на полый канал), м.

Общая длина канала определяется по формуле 10, с.31

, (3.47)

Подставим численные значения в формулу (3.47).

м.

Эквивалентный диаметр (в пересчете на полый канал) определяется из выражения 10, с.31

, (3.48)

Подставим численные значения в формулу (3.48).

м.

Поскольку плотность, вязкость, скорость и проницаемость мало меняются от первой к последней секции, то в уравнения (3.45) и (3.46) подставляют среднеарифметические значения этих параметров 10, с.31

, (3.49)

, (3.50)

, (3.51)

. (3.52)

Подставим численные значения в формулу (3.49), (3.50), (3.51) и (3.52).

м/с,

кг/м³,

м²/с,

кг/(м²·с).

Подставляем численные значения в формулы (3.45) и (3.46).

,

.

Подставим численные значения в формулы (3.43) и (3.45).

Па,

Па.

Подставим получившиеся значения в формулу (3.42).

Па.

Напор насоса Н, м, определяется по уравнению 10, с.31

, (3.53)

где q - ускорение свободного падения, м/с².

Подставим численные значения в формулу (3.53).

м.

3.1.8 Расчет концентрационной поляризации

В процессе разделения растворов с помощью полупроницаемых мембран через мембрану преимущественно проходит растворитель. При этом концентрация растворенного вещества в пограничном слое у поверхности мембраны увеличивается.

Влияние концентрационной поляризации всегда отрицательно, так как снижает эффективное давление вследствие увеличения осмотического давления раствора, возникают условия, способствующие освобождению на мембране высокомолекулярных соединений, сокращает срок службы мембран.

Так как значение концентрационной поляризации увеличивается с повышением концентрации раствора, расчет ведут для сечения выхода раствора из аппаратов обратного осмоса. Расчет проводят, предполагая, что растворенное вещество переносится в пограничном слое молекулярной диффузией и конвекцией 10, с.31.

Концентрационную поляризацию КП рассчитывают по формуле 10, с.31

, (3.54)

Подставим численные значения в формулу (3.54).

.

3.1.9 Выбор насоса

Определим расход раствора Q, м³/с, подаваемый насосом по формуле 9, с.16

, (3.55)

где S - площадь поперечного сечения аппарата, м².

Примем S=0,126 м².

Подставим численные значения в формулу (3.55).

м³/с.

Полезная мощность насоса N_п, Вт, определяется по формуле 9, с.16

, (3.56)

Подставим числовые значения в формулу (3.56).

Вт.

Мощность на валу двигателя насоса находится по формуле 9,с. 20

, (3.57)

где - соответственно коэффициенты полезного действия насоса и передачи от электродвигателя к насосу соответственно.

Принимаем согласно 9, с.20 .

Подставляем численные значения в формулу (3.57).

Вт.

Получившимся параметрам соответствует многоступенчатый центробежный вертикальный насос Grundfos CR 45-12-2 F, имеющий характеристики 12:

- подача Q=58 м³/ч;

- напор Н=297 м;

- мощность электродвигателя N=45 кВт.

3.1.10 Расчет на прочность и устойчивость

Рассчитаем проектную толщину стенки корпуса и толщину стенки плоской крышки.

Расчет обечайки цилиндрической

Расчет ведется согласно методике [13, с.24].

Расчетное давление по условиям прочности , МПа определяется по формуле

, (3.58)

где P_{i max}, P_{i min} - соответственно максимальное и минимальное по условиям работы давления снаружи рассчитываемой стенки, МПа;

P_{j max}, P_{j min} - соответственно максимальное и минимальное по условиям работы давления внутри рассчитываемой стенки, МПа.

К расчету принимаем P_{j max}=Р_д=2,8 МПа, P_{i min}=Р_атм=0,1 МПа.

Подставим численные значения в формулу (3.58).

МПа.

Проектная толщина стенки аппарата S, мм рассчитывается по формуле

, (3.59)

где расчетная толщина стенки элемента аппарата, ;

прибавка к расчетной толщине, учитывающая процессы коррозии при работе конструкции, ;

- прибавка к расчетной толщине, компенсирующая возможное

уменьшение толщины стенок при изготовлении аппарата, ;

изменение толщины стенки, связанное с округлением результата вычисления суммы (S_p+с₁+с₂) до ближайшего стандартного значения толщины листа, из которого изготавливается конструкция, .

Расчетная толщина стенки по условиям прочности , мм определяется по формуле

, (3.60)

где внутренний диаметр аппарата, ;

допускаемое напряжение материала стенки,

коэффициент прочности сварного шва.

К расчету толщины стенки по условиям прочности принимаем, , согласно [ 13,с.55].

Подставим численные значения в формулу (3.60).

мм.

Прибавка для компенсации коррозии и эрозии определяется по формуле

, (3.61)

где скорость коррозии материала конструкции в условиях эксплуатации, ;

рекомендуемый срок эксплуатации аппарата, .

К расчету принимаем А=0,01 мм/год, t=10 лет [12, с.24].

Подставим численные значения в формулу (3.61).

мм.

К расчету толщины стенки обечайки принимаем с₂=0,15 мм [ 13,с.23].

Поставим численные значения в формулу (3.59).

.

Принимаем проектную толщину стенки аппарата S=2 мм.

Расчет толщины плоской крышки аппарата

Расчетная толщина стенки плоской крышки определяется по формуле

, (3.62)

где D_P - расчетный диаметр D_p = D, мм;

Р_рi - расчетное давление по условиям прочности, принимаемое таким же, как и для цилиндрической обечайки, к которой присоединяется крышка или днище, МПа;

[] -допускаемое напряжение материала днища или крышки, МПа;

- коэффициент прочности сварного шва;

К - коэффициент, зависящий от вида сварного соединения днища и крышки с цилиндрической обечайкой;

К₀- коэффициент, учитывающий ослабление днища или крышки отверстиями.

К расчету принимаем []=160 МПа, =1, К=0,53, согласно [13, c.56].

Коэффициент ослабления К₀ для крышек, имеющих одно отверстие, определяется по формуле

, (3.63)

где d - диаметр отверстия, мм.

Подставим численные значения в формулу (3.63).

=1,1.

Подставим численные значения в формулу (3.62).

мм.

Принимаем расчетную толщину стенки крышки аппарата S_1p=15,5 мм.

3.2 Расчет конструктивных параметров теплообменника типа «труба в трубе»

Расчет будет производиться по методике, изложенной в [14,c.219].

К расчету принимаем температуру воды соответственно на входе и на выходе из теплообменника t_вх=15 єС, t_вых=20 єС, и температуру сыворотки соответственно на входе и на выходе из аппарата t_лн=45 єС, t_лк=48 єС.

Рисунок аппарата представлен на рисунке 3.2.

Принимается, что аппарат изготовлен из труб 431,5 (внутренняя труба) и 702 (наружная труба) [15c. 27].

Массовый расход воды G_в,, кг/с определим по формуле

Рисунок 3.2 - Схема теплообменника типа «труба в трубе»

, (3.64)

где G_л - расход раствора лактозы в одном аппарате, кг/с;

С_л - удельная теплоемкость раствора лактозы, ;

С_в - удельная теплоемкость воды, .

Средняя температура раствора лактозы t_ср.л , єС определяется по формуле

, (3.65)

Подставим численные значения в формулу (3.65).

єС.

Полученной температуре соответствуют следующие параметры водного раствора лактозы:

- теплоемкость С_л=4130 Дж/(кг· єС) [16,c.175];

- плотность с_л=1027 кг/м³;

- коэффициент кинематической вязкости м²/с;

- коэффициент динамической вязкости Па·с;

- коэффициент теплопроводности Вт/м· єС [16,c.175].

Средняя температура охлаждающей воды t_ср.в, єС определяется по формуле

, (3.66)

Подставим численные значения в формулу (3.66).

єС.

Полученной температуре соответствуют следующие параметры воды:

- теплоемкость С_в=4190 Дж/(кг· єС) [17,c.273];

- плотность с_в=995 кг/м³) [17,c.273];

- коэффициент кинематической вязкости м²/с [17,c.273];

- коэффициент теплопроводности Вт/(м· єС ) [17,c.273];

- число Прандля Pr=7,5 [17,c.273].

Подставим численные значения в формулу (3.64).

кг/с.

Площадь поверхности нагрева F, м² определяется по формуле

, (3.67)

где - тепловая нагрузка, Вт.

q - плотность теплового потока, Вт/м².

Тепловая нагрузка Q, Вт определяется по формуле

, (3.68)

Подставим численные значения в формулу (3.68).

Вт.

Плотность теплового потока q, Вт/м² определяется по формуле

, (3.69)

где К - коэффициент теплопередачи , Вт/(м²· єС).

Коэффициент теплопередачи определяется по формуле

, (3.70)

где , - соответственно коэффициент теплоотдачи от греющего раствора лактозы к стенке трубы и от стенки трубы к нагреваемой воде, Вт/(м²·єС);

- толщина стенки внутренней трубы, м;

- коэффициент теплопроводности материала стенки,

Вт/(м· єС ).

Коэффициент теплопроводности стали 12Х18Н10Т составляет =17,5 Вт/(м· єС ).

Коэффициент теплоотдачи ,Вт/(м²·єС) от греющего раствора лактозы к стенке трубы определяется по формуле

, (3.71)

где Nu_л - число Нуссельта;

d - диаметр внутренней трубы, мм.

Число Рейнольдса для потока раствора лактозы определяется по формуле

, (3.72)

где V - скорость движения раствора лактозы, м/с.

Скорость движения раствора лактозы определяется следующим образом

, (3.73)

Подставим численные значения в формулу (3.73).

м/с.

Подставим численные значения в формулу (3.72).

.

Так как получившееся значение числа Рейнольдса , то поток греющего раствора является турбулентным. Расчет числа Нуссельта Nu_л ведется по формуле

, (3.74)

где Pr_л - критерий Прандтля раствора лактозы;

Pr_ст - критерий Прандтля для стенки.

Критерий Прандтля раствора лактозы рассчитывается по формуле

, (3.75)

Подставим численные значения в формулу (3.75).

.

Так как точная температура стенки t_ст не известна, то в первом приближении она рассчитывается по формуле

, (3.76)

Подставим численные значения в формулу (3.76).

єС.

При этой температуре Pr_ст=5,4, согласно [17,c.273] .

Подставим численные значения в формулу (3.74).

.

Подставим численные значения в формулу (3.71).

Вт/(м²·єС).

Коэффициент теплоотдачи , Вт/(м²·єС) от стенки трубы к нагреваемой воде определяется по формуле

, (3.77)

где d_э - эквивалентный диаметр для кольцевого канала, м.

Эквивалентный диаметр рассчитывается по формуле

, (3.78)

где D - диаметр наружной трубы, м.

Подставим численные значения в формулу (3.78).

м.

Число Рейнольдса для потока охлаждающей воды определяется по формуле

, (3.79)

где V_в - скорость движения охлаждающей воды, м/с.

Скорость движения охлаждающей воды определяется по формуле

, (3.80)

Подставляем численные значения в формулу (3.80).

м/с.

Подставим численные значения в формулу (3.79).

.

Так как получившееся значение числа Рейнольдса , то поток охлаждающей жидкости является переходным. Расчет числа Нуссельта Nu_в ведется по формуле

, (3.81)

Подставим численные значения в формулу (3.81).

.

Подставим численные значения в формулу (3.77).

Вт/(м²·єС).

Подставим численные значения в формулу (3.70).

Вт/(м²· єС).

Так как в рассматриваемом случае выполняется соотношение <1,5, то расчет ведется по среднеарифметической разности температур

, (3.82)

Подставим численные значения в формулу (3.82).

єС.

Подставим численные значения в формулу (3.69).

Вт/м².

Рассчитаем площадь поверхности нагрева по формуле (3.67).

м.

Длина теплообменника l, м определяется по формуле

, (3.83)

где n - число секций теплообменника, шт.

Подставим численные значения в формулу (3.83).

м.

Уточняется температура стенки трубы t_c1,

, (3.84)

Подставим численные значения в формулу (3.84).

.

При этой температуре число Прандтля Pr=7,4.

Поправка на изменение физических свойств жидкости по сечению потока имеет следующее значение

В расчете было принято , совпадение достаточно точное. В конечном итоге принимается площадь теплообмена м², длина теплообменника l=3,4 м.

Диаметр присоединительных патрубков для входа и выхода охлаждающей воды d, м определяется по формуле

, (3.85)

Подставим численные значения в формулу (3.85).

=0,05 м.

3.3 Выбор статического смесителя

Для выбора статического смесителя типа ИХЛ, исходя из условий его работы и требуемого качества смешивания, целесообразно использовать номограмму, приведенную на рисунке 3.3, согласно [18, с.14].

Согласно вышепредставленным расчетам расход концентрата сыворотки Q составил 3,7 м³/ч.

Внутренний диаметр смесителя примем из конструктивных соображений d_в=54 мм.

Допустимая неоднородность смеси принимается равным 10^-3, согласно рекомендациям [18,с.14].

Отметим на шкале точки, соответствующие заданным значениям d_в, Q, построим прямую через эти точки, которая пересечет шкалу скоростей w. Таким образом, скорость концентрата равна 0,3 м/с.

Кинематическая вязкость концентрата сыворотки мм²/с, согласно [16,с.176]. Проведя прямую линию через точку, отображающую это значение, и точку пересечения первой прямой со вспомогательной линией, получим значение Re8·10³. Проведя прямую через данную точку и отмеченный кружком угол координатной сетки, найдем ее пересечение с наклонной линией сетки, соответствующей =10^-3 , и в этой точке отсчитаем необходимое значение L/h=3,5. Выбрав смеситель с h=d_в=54 мм, получим необходимую длину смесителя L=200 мм [18, с.14].



Рисунок 3.3 - Номограмма для выбора смесителя по требуемой производительности

4. Техника безопасности и охрана труда

Согласно Трудовому кодексу под охраной труда понимается «система сохранения жизни и здоровья работников в процессе трудовой деятельности, включающая в себя правовые, социально-экономические, организационно-технические, санитарно-гигиенические, лечебно-профилактические, реабилитационные и иные мероприятия».

Проблема обеспечения безопасности человека приобретают особую остроту в производственной сфере, в которой осуществляется трудовая деятельность и происходит формирование различных опасных и вредных факторов.

Современному производству свойственна быстрая смена технологий, обновление оборудования, внедрения новых процессов и материалов, которые недостаточно изучены с точки зрения негативных последствий их применения.

Технологические процессы пищевых производств связаны с большими тепло- и влаговыделениями, зачастую сопровождаются значительными шумами и вибрациями. Отдельные операции не исключают попадание в воздух помещений пыли, паров и газов, оказывающих вредное воздействие на организм человека. Предприятия оснащены высокомеханизированным и автоматизированным оборудованием, в связи с этим увеличивается потенциальная опасность возникновения травмоопасных ситуаций, повышается степень риска возникновения несчастных случаев [19, с.11].

4.1 Организация службы охраны труда на сыродельном предприятии

Ответственность за организацию и проведение работ по охране труда возлагается на руководителя предприятия. Он должен обеспечить на предприятии установленные законом условия труда и несет ответственность за ущерб, причиненный работникам предприятия во время трудовой деятельности.

Руководитель предприятия назначает ответственных за состояние и организацию работ по охране труда, непосредственно руководит службой охраны труда.

На сыродельных предприятиях все специалисты, ответственные за обеспечение здоровых и безопасных условий труда в пределах своей компетенции, ведут работу по разработке мероприятий по охране труда, проведению инструктажей всех рабочих, обеспечивая их необходимой литературой. Инструктаж бывает вводный, на рабочем месте (первичный, повторный, периодический, плановый).

При приеме на работу обучение безопасности работника начинается с водного инструктажа, проводимого инженером по охране труда.

Задача вводного инструктажа заключается в ознакомлении вновь поступающего работника с общими положениями и правилами по технике безопасности при выполнении работ, использовании оборудования и другое. Кроме этого, вводный инструктаж включает следующие основные вопросы:

- правила внутреннего распорядка;

- обязанности работника по выполнению инструкций, правил и норм по технике безопасности и производственной санитарии;

- меры предосторожности при нахождении на территории предприятия;

- порядок оказания первой помощи при несчастных случаях;

- меры пожарной безопасности на предприятии.

Инструктаж регистрируют в журнале вводного инструктажа. с обязательной подписью инструктируемого и инструктирующего.

При допуске к работе или переводе на другую работу проводится инструктаж на рабочем месте. Такой инструктаж включает в себя ознакомление с устройством оборудования, предохранительными устройствами, сигнализацией, потенциально опасными и вредными факторами конкретного рабочего места, а также действия, которые необходимо предпринять при возникновении аварийных ситуаций. О его проведении вносят соответствующую запись в журнал регистрации инструктажей по вопросам охраны труда, который хранится у руководителя участка [19, с.31].

4.2 Организация пожарной безопасности

Противопожарные мероприятия на сыродельных предприятиях осуществляются пожарной охраной. Работники предприятий на случай пожара разделяются на группы, которые имеют свои непосредственные задачи: тушение, водоснабжение, защита, охрана.

Система пожарной защиты включает мероприятия и средства, направленные:

- применение конструкций с регламентированным пределом огнестойкости;

- предотвращение распространения пожара и обеспечение эвакуации работающих на предприятии при возникновении пожара;

- организацию пожарной охраны;

- ограничение применения горючих веществ в технологическом процессе;

- использование средств пожарной сигнализации и тушения пожара.

Большое значение имеет мера применения огнепреградительных устройств на технологических коммуникациях, системах вентиляции, воздушного отопления и продуктопроводах.

Своевременное извещение о возникшем пожаре дает возможность быстро его ликвидировать и уменьшить размеры ущерба. Для своевременного извещения о возникшем пожаре в ближайшую пожарную часть используют электрическую систему пожарной сигнализации [19, с.338].

Противопожарные требования к технологическому, электрическому оборудованию, отоплению и вентиляции в цехе полутвердых сыров сводятся к следующему:

- применение оборудования и установок, соответствующих категории помещений по пожаро- и взрывоопасности;

- строгое соблюдение предусмотренных технологическим регламентом и паспортными данными режимов работы оборудования, регламентов его эксплуатации, осмотров, ремонтов и допустимых нагрузок;

- надежная гермитизация оборудования, установок, аппаратуры, резервуаров и трубопроводов с веществами, выделяющими взрывоопасные пары, газы;

- теплоизоляция нагретых поверхностей оборудования и коммуникаций, обеспечивающая температуру ее наружной поверхности 45 єС и менее;

- оснащение оборудования средствами, предотвращающими накапливание статического электричества и его стекание со всех элементов оборудования;

- установление на оборудование предельных норм загрузки, скоростей переработки и транспортирования, оснащение его аппаратурой автоматического контроля этих норм;

- соблюдение режимов смазки, соответствия смазочных масел технической характеристики оборудования для предупреждения увеличения температуры трущихся деталей [19, с.319].

4.3 Обеспечение безопасности при эксплуатации оборудования

При переработке молока на всех стадиях производства, начиная с получения сырья и заканчивая выпуском готовой продукции, необходимо строго соблюдать правила техники безопасности.

Машины, аппараты и устройства, находящиеся в эксплуатации, должны быть в исправном состоянии. Движущие части оборудования необходимо ограждать. Машины снабжают блокировкой, заземлением, контрольно-измерительными приборами, предохранительными устройствами и средствами сигнализации.

Перед эксплуатации новой машины, аппарата или устройства на предприятии, в цехе новое оборудование принимает комиссия. В состав комиссии входят представители заказчика, представители проектной организации, организации, проводившей пусконаладочные работы, представители санитарной инспекции и пожарной охраны.

Машины, аппараты и устройства установлены с учетом необходимых проходов для обслуживания и ремонта, минимальных расстояний между выступающими частями оборудования в местах, где не предусмотрено движение людей (0,5 м). Минимальное расстояние между выступающими частями оборудования с учетом одностороннего прохода составляет 0,8 м. Расстояние от верха оборудования до низа балок потолочного перекрытия 0,8 м. Ширина лестниц для обслуживания оборудования с площадок равна 0,8 м, а уклон лестниц - 45є.

Машины и аппараты можно устанавливать в непосредственной близости от стен помещения только в том случае, если сторона машины или аппарата, обращенная к стене, не имеет движущихся частей, а также если в промежутке между стеной и аппаратом не выполняются производственные или ремонтные работы. Пусковые приборы машин и аппаратов в кнопочном исполнении располагают непосредственно у аппарата на высоте, удобной для обслуживания.

На рабочих местах должны быть вывешены инструкции по правилам безопасности и производственной санитарии при обслуживании каждого вида оборудования.

Одним из важнейших условий безопасности эксплуатации оборудования является строгое соблюдение трудовой и технологической дисциплины.

Категорически запрещено работать на неисправном оборудовании, оставлять работающую машину или аппарат без надзора, перепоручать надзор за оборудованием лицу, не имеющему на это права, ремонтировать оборудование в процессе его работы.

Правила безопасности при работе на основном технологическом оборудовании сводятся к соблюдению правил по безопасной эксплуатации каждого вида оборудования, предусмотренной инструкцией по его использованию и эксплуатации.

Рассмотрим более подробно правила безопасности основного оборудования.

Насосы, устанавливаемые на фундаментах, должны быть прочно закреплены, а муфтовые соединения насосов с электродвигателями должны иметь прочно закрепленные легкосъемные ограждения. Электродвигатели открытого типа, приводящие в движение насосы, должны быть защищены съемными металлическими кожухами.

В процессе работы насоса запрещено проводить какой-либо ремонт, снимать ограждения или разбирать его. При мойке помещения нельзя направлять струю воды на насос или его электродвигатель и токоведущие части.

По окончании работы, при длительном перерыве и перед началом работы, насос подвергают санитарной обработке. Необходимо следить за тем, чтобы рабочее колесо центробежных насосов вращалось против часовой стрелки и не допускать неправильной укладки резинового уплотнительного кольца в паз корпуса. Не разрешено эксплуатировать насосы с графитовыми или резиновыми уплотнителями без жидкости.

Сепаратор, как правило, устанавливают на бетонный или кирпичный фундамент и закрепляют на анкерных болтах. Между фундаментом и планками станины сепаратора должны быть резиновые прокладки., чрезмерное сжатие которых недопустимо. Скорость вращения барабана сепаратора должна соответствовать паспортной. Эксплуатировать сепаратор с неудовлетворительно отбалансированным барабаном и неисправным тахометром запрещено. В случае замены тарелок сепаратора и после лужения барабана необходимо провести ее балансировку заново.

Разбирать сепаратор можно только после остановки барабана. Заменять детали сепаратора деталями с других сепараторов запрещено.

Перед пуском сепаратора в работу необходимо вывести стопорные винты из пазов барабана и поставить тормоза в нерабочее состояние. При этом следуют проверить, полностью ли завинчена зажимная гайка барабана и правильно ли посажен барабан на веретено.

Запрещено эксплуатировать сепаратор при чрезмерно ослабленных пружинах горлового подшипника, сломанной или отсутствующей пружине. До полной остановке сепаратора запрещено снимать распределительные чаши, смазывать и осматривать механизм, останавливать барабан руками или какими-либо приспособлениями. При появлении вибрации, постороннего звука, резкого колебания частоты вращения сепаратор необходимо немедленно остановить.

По окончании работы сепаратора барабан промывают водопроводной водой от остатков продукта, после чего выключают электродвигатель привода сепаратора.

Пастеризаторы готовят к работе в соответствии с требованием инструкцией по его эксплуатации. Перед началом работы необходимо проверить наличие и состояние резиновых уплотнений крышек, исправность оградительных устройств, наличие пломбы на манометре и красной черты на его циферблате.

После промывке аппарата водой, необходимо пустить продукт на циркуляцию до достижения необходимой температуры пастеризации. Затем поток переключают с циркуляции на прямое направление в емкость или на автоматический режим.

Оператор должен следить по манометру за давлением пара в паровой рубашке. Пар в рубашку пускают только при наличии циркуляции продукта по трубам. Конденсат не должен накапливаться в паровой рубашке. При вынужденном останове аппарата немедленно перекрывают подачу пара в паровую рубашку, отключают насосы для горячей, холодной воды и продукта.

По окончании работы пастеризатора остатки продукта из аппарата и трубопровода вытесняют водой. Мойку и чистку проводят в соответствие с требованиями инструкции по их эксплуатации.

Оборудование, работающее под давлением, для обеспечения нормальной эксплуатации, должны быть снабжены приборами для измерения давления, температуры (манометрами, термометрами), предохранительными устройствами, запорной арматурой и указателями уровня жидкости [4, с.85].

Мойку всего оборудования осуществляют специально подготовленные рабочие не моложе 18 лет, не имеющие медицинских противопоказаний к данной работе, прошедшие обучение приемам безопасной работы и инструктаж. Рабочие обеспечены специальной одеждой, обувью, защитными приспособлениями (защитные очки, респираторы, резиновые перчатки и др.), а также необходимым уборочным инвентарем, химикатами и материалами.

Рабочие растворы кислот, щелочей и технических моющих средств готовят из концентрированных растворов или сухих порошков с соблюдением мер безопасности. При этом необходимо учитывать, что соляная и азотная кислота, а также концентрированный раствор каустической соды, попадая на кожу, вызывают ожоги.

Особую опасность эти вещества представляют для глаз. Поэтому работу с едкими (агрессивными) веществами проводят только в предохранительных защитных очках, резиновых перчатках, резиновых сапогах и фартуках.

Растворы технических моющих средств готовят в воде температурой 55-60єС, при этом рабочие пользуются индивидуальными средствами защиты - защитными очками и респираторами.

Каждый работник получает санитарную одежду, назначение которой состоит в защите продукции от возможного загрязнения личной одеждой работника [4, с.85].

4.4 Меры обеспечения норм микроклимата

Цех полутвердых сыров имеет значительные тепло- и влаговыделения, поэтому для обеспечения нормативных показателей микроклимата и защиты работающих от перегрева и охлаждения, простудных и других заболеваний используются инженерно- строительные меры. Они включают теплоизоляцию зданий, средства снижения солнечной инсоляции, теплоизоляцию поверхностей оборудования, вентиляцию, кондиционирование, отопление, воздушное душирование рабочих мест.

Для системы отопления производственных и вспомогательных зданий предпочтительнее использовать в качестве теплоносителя перегретую воду, допускается также использование водяного насыщенного пара. Во всех производственных цехах и вспомогательных помещениях основного производства в качестве нагревательных приборов должны применяться радиаторы, конструкция которых обеспечивает доступную очистку их от пыли (лучше регистры из гладких труб).

В производственных помещениях должна быть предусмотрена естественная, механическая, смешенная вентиляция или кондиционирование воздуха в соответствии с требованиями "Санитарных норм проектирования промышленных предприятий". Подаваемый в производственные помещения приточный воздух должен подвергаться очистке от пыли.

Оборудование, являющееся источником интенсивного выделения тепла, влаги и вредных веществ, должно снабжаться местными системами вытяжной вентиляции [19, с.231].

4.5 Освещение

Одним из важнейших составных элементов условий труда является освещение, рациональные параметры которого обеспечивают требуемую производительность труда, качество продукции, повышают безопасность труда, предупреждают утомление, травмы и заболевания [19, с.235].

Освещение производственных помещений должно соответствовать требованиям СНиП "Естественное и искусственное освещение. Нормы проектирования" и "Санитарным требованиям к проектированию предприятий молочной промышленности". В производственных помещениях наиболее приемлемо естественное освещение. При недостаточном естественном освещении следует применять искусственное освещение - преимущественно люминесцентные лампы. Искусственное освещение должно быть представлено общим во всех цехах и помещениях, а в производственных при необходимости - местным или комбинированным. При выполнении производственных операций, требующих особого зрительного напряжения, следует использовать комбинированное или местное освещение в зависимости от объема и характера работы. Светильники с люминесцентными лампами должны быть оборудованы защитной решеткой (сеткой), рассеивателем или специальными ламповыми патронами, исключающими возможность выпадения ламп из светильников; светильники с лампами накаливания - сплошным защитным стеклом. Также светильники не должны размещаться над технологическим оборудованием, чтобы исключить возможность попадания осколков в продукт [19, с.235].

4.6 Защита от производственного шума и вибрации

Технологическое оборудование цеха полутвердых сыров является источником шума и вибрации. В основе шума и вибрации лежит одно физическое явление - механические колебания, создаваемые при работе оборудования из-за неуравновешенности вращающихся частей, трения и соударения деталей, больших скоростей движения и пульсации перемещаемых в транспортных магистралях жидкостей и газов, а также при их выбросе в атмосферу.

К организационным мерам относится:

- исключение из технологической схемы активного виброакустического оборудования, замена его вибробезопасным и малошумным;

- использование оборудования с минимальными динамическими нагрузками, правильный его монтаж с соблюдением допусков, соосности соединений вращающихся элементов;

- правильная эксплуатация оборудования, своевременная смазка, освидетельствование, проведение профилактических и капитальных ремонтов;

- проведение санитарно-профилактических мер (контроль уровня вибрации и шума на рабочих местах, внедрение рациональных режимов труда и отдыха, производственной гимнастики, водных процедур, медицинских осмотров).

Технические меры включают в себя:

- использование оснований и фундаментов для вибрирующего оборудования, соответствующих их динамической нагрузке;

- изоляция оснований оборудования от несущих конструкций здания с помощью виброизолирующих фундаментов или упругих опор;

- использование виброгасящих вставок на трубопроводах вентиляционных и кондиционирующих систем;

- использование звукопоглощающих покрытий и облицовок;

- применение ограждений (перегородок, кожухов, экранов) [19, с.264].

Соблюдение вышеуказанных требований улучшит охрану труда и уменьшит уровень производственного травматизма.

5. Экологическая часть

5.1 Экологическая экспертиза сыродельного производства

Охрана окружающей природной среды - это комплекс мер, предназначенных для ограничения отрицательного влияния человеческой деятельности на природу.

В результате экологической экспертизы необходимо выявить основные источники загрязнения сыродельного производства и оценить влияние таких загрязнителей на состояние окружающей среды. Для этого рассмотрим технологическую схему работы этого производства. Технологическая схема типовой линии производства сыра представлена на рисунке 5.1.

Рисунок 5.1 - Упрощенная технологическая схема производства сыра

Кроме того необходимо рассмотреть технологическую схему переработки образовавшейся в процессе производства сыра сыворотки. Технологическая схема работы участка по переработке молочной сыворотки представлена на рисунке 5.2.

Отходы сыродельного производства связаны с выбросами вредной пыли и газов, сбросами в водоемы сточных вод, которые их загрязняют и отравляют, ухудшают состояние почвы, прилегающей к предприятию.

Рисунок 5.2 - Упрощенная технологическая схема участка по переработке подсырной сыворотки

5.2 Очистка сточных вод

Сыродельные предприятия являются крупными потребителями чистой воды. Вода расходуется на охлаждение молока и молочных продуктов, охлаждение оборудования, мойку тары, оборудования, автомобильных и железнодорожных цистерн, помещений во вспомогательном производстве и на хозяйственно-бытовые нужды. С ростом производства, технической оснащенности предприятий и повышением санитарных требований общий расход воды возрастает. Соответственно увеличивается и сброс сточных вод [20, с.49].

Производственные сточные воды могут быть разделены на три вида:

- технологические (или производственные) - использованные в технологическом процессе;

- хозяйственно-бытовые (или коммунальные) - из санитарных узлов производственных и непроизводственных помещений, душевых, образовавшиеся при уборке помещений, в столовых, ресторанах, жилых зданиях, предприятиях коммунального хозяйства;

- поверхностные - дождевые (ливневые), образовавшиеся при таянии снега, и другие воды, прошедшие загрязненные территории.

5.2.1 Источники образования сточных вод

Анализ работы участка (рисунок 5.1) показал, что основным агентом, загрязняющим окружающую среду, являются сточные воды предприятий, в которые наряду с промывными водами и другими производственными отходами попадает молочная сыворотка, содержащая значительное количество способных к окислению органических веществ (белков, жиров и углеводов). Такая вода имеет мутный беловатый или желтоватый цвет. Кислая среда сыворотки убивает микроорганизмы, которые применяются на сооружениях биологической очистки воды. Резкое окисление органических соединений вызывает неприятный запах, кроме того это удар по биоразнообразию водоемов, так как попадая в водоем без очистки, органические вещества потребляют для своего окисления большое количество кислорода, в результате чего резко ухудшаются условия развития флоры и фауны водоемов. В сточных водах сыродельных предприятий содержатся растворы солей и кислот [20, c.54].

Также одним из вариантов утилизации сыворотки и сточных вод является использование в качестве удобрений полей. Но при концентрации сыворотки в сточных водах более 10% происходит угнетение роста многих сельскохозяйственных культур.

Большое количество сыворотки теряется по следующим причинам: не соблюдается норматив ее сбора, что обусловлено тем, что прессы, формовочные столы и другое оборудование зачастую не имеют для этого приспособлений. На предприятиях нет строгого учета ее получения и расхода. Имеют случаи залпового сброса молочной сыворотки в заводской канализационный коллектор [21, c. 20].

Промывочная вода, использованная для мойки сырья, оборудования, тары, полов содержит моющие средства, жир и остатки сырья.

5.2.2 Мероприятия по защите водных объектов от загрязнения

Для защиты водоемов от загрязнения сточными водами промышленных предприятий применяют комплекс мероприятий, выбор которых определяется в основном характеристикой источника образования сточных вод, объемом и составом сточных вод. Полный перечень мероприятий по защите водоемов определяется законодательно-нормативными документами.

Сточные воды сыродельного предприятия подразделяют на следующие категории:

­ производственные - промывные (после промывки масла, сыра, казеина) и моечные (после мойки фляг, бочек, технологического оборудования, резервуаров, автоцистерн, помещений);

­ условно чистые - незагрязненные производственные воды (от холодильного и теплообменного оборудования);

­ дождевые и бытовые (санузлы, столовые и другие вспомогательные помещения) [20, с.54].

На предприятиях молочной промышленности осуществляют следующие мероприятия по защите водоемов:

- технологические;

- применение повторного и оборотного водоснабжения;

- планировочные;

- разбавление сточных вод;

- очистка сточных вод;

- организация контроля состава сточных вод и влияния стоков

на санитарный режим водоемов.

Технологические мероприятия включают разработку и применение безотходных или малоотходных технологических процессов, максимальное использование и утилизацию различных компонентов сырья и побочных продуктов. Эти мероприятия позволяют уменьшить содержание веществ (жиров, органических соединений) в сточных водах.

Повторное и оборотное водоснабжение непосредственно связано с техническими мероприятиями, однако в этом случае сокращается водопотребление чистой воды и водоотведение сточных вод.

При повторном водоснабжении воду после использования в каком-либо технологическом процессе, сохранившую достаточные качественные показатели, без промежуточной обработки используют снова для производства.

При оборотном водоснабжении использованную воду подвергают специальной обработке (очистка, охлаждение, подогрев), после чего снова

используют для производственных нужд. Оборотное водоснабжение широко применяют в холодильных агрегатах, пастеризационно-охладительных аппаратах, а также при процессах, где нет непосредственного контакта воды с продукцией, так как к качеству воды для технологических операций в молочной промышленности предъявляются высокие требования.

Планировочные мероприятия заключаются в учете гидрогеологических условий при планировании предприятий, а также проектировании требуемого комплекса очистных сооружений в зависимости от местных условий: наличия городских очистных сооружений (их состава и мощности), необходимости сброса сточных вод непосредственно в водоем (учет места сброса и водозабора, скорости проточного водоема и т. п.) или необходимости принять на очистные сооружения предприятия сточные воды от других источников.

Разбавление сточных вод природной водой осуществляется при непосредственном выпуске сточной воды в водоем после очистных сооружений предприятия. При определении необходимой степени очистки учитывают способность водоемов к самоочищению, благодаря которой происходят процессы снижения концентрации органических и минеральных загрязнений. Процессы самоочищения зависят от быстроты и полноты смешения сточных вод с водой водоема. Процесс самоочищения зависит от многих условий (сосредоточенный или рассеивающий выпуск, влияние течений, ветровых нагонов воды и т. д.).