Материал: Проектирование тепломассообменного оборудования линии обработки зерна гречихи производительностью 1 т/ч

Проектирование тепломассообменного оборудования линии обработки зерна гречихи производительностью 1 т/ч

Введение

Темой данной работы является проектирование тепломассообменного оборудования линии обработки зерна гречихи производительностью 1 т/ч. В рамках данной работы будут рассмотрены наиболее распространенные методы тепловой обработки зерна гречихи, с подробным анализом преимуществ и недостатков. Значительная роль в данной работе отводится технико-экономическим показателям и энергоэффективности тепломассообменных процессов в ходе обработки зерна гречихи, поскольку основой для внедрения в производство является экономическая обоснованность разрабатываемого проекта.

1. Анализ состояния и разработка новой системы

Стандартная технология получения крупы из зерна гречихи включает подготовку зерна к переработке и непосредственно переработку его в крупу путем шелушения.После очистки, при выработке быстроразвариваюшейся крупы, гречихуподвергают гидротермической обработке. Способ гидротермической обработки зерна гречихи включает предварительный прогрев зерна, пропаривание, сушку, охлаждение.

Поступающее зерно обычно имеет невысокую влажность, структурно-механические свойства эндосперма и оболочек различаются незначительно. Поэтому разделить их при шелушении трудно и результаты переработки такого зерна получаются невысокими. При проведении ГТО стремятся прежде всего усилить различие свойств оболочек и эндосперма (ядра) путем повышения прочности ядра и уменьшения прочности оболочек (пленок). Обработка паром (пропаривание) приводит к быстрому увлажнению и прогреву зерна. При этом в результате физико-химических изменений преобразуется структура эндосперма, происходит его пластификация, снижение хрупкости, повышение сопротивляемости разрушению. Вследствие неравномерного набухания составных частей зерна ослабевает связь пленок и ядра.

Последующая после пропаривания сушка обезвоживает в большей степени наружные пленки, которые, теряя влагу, становятся более хрупкими и легче раскалываются при шелушении. Кроме того, возникающие в процессе пропаривания и сушки деформационные изменения в составных частях зерна приводят к отслаиванию оболочек.

Охлаждение после сушки дополнительно снижает влажность зерна, при этом холодные оболочки становятся более хрупкими. Таким образом, ГТО улучшает технологические свойства зерна, позволяет снизить дробимость ядра при шелушении и шлифовании, а происходящие при этом биохимические изменения позволяют получать продукцию с улучшенными органолептическими качествами, повышающими потребительские достоинства крупы при сохранении ее биологической ценности.

Рис. 1 Конструктивно-технологическая схема обработки зерна гречихи

Из уровня техники известен способ гидротермической обработки зерна гречихи для получения крупы быстроразваривающейся, который предусматривает обжаривание очищенного зерна гречихи при 170-200°С в течение 3-5 минут, увлажнение водой с температурой 90-100°С до массовой доли влаги в зерне 19-21%, пропаривание паром с атмосферным давлением в течение 4,9-5 мин, отволаживание в течение 1-2 часов в изотермических условиях, подсушивание до массовой доли влаги не выше 13,5% и охлаждение до температуры, не превышающей температуру окружающего воздуха производственного помещения на 6-8°С.

Известен также способ гидротермической обработки зерна гречихи предусматривающий увлажнение зерна гречихи водой при наборе вакуума с остаточным давлением 0,02-0,04 МПа и подаче воды в зерно в течение 10-60 секунд. Затем осуществляют отволаживание зерна в течение 4-6 часов и сушку.

Недостатком вышеприведенных способов является длительность процесса и, как следствие, малая производительность, а также большое количество колотых зерен.

Гидротермическая обработка гречихи включает пропаривание зерна, его отволаживание, сушку и охлаждение. Перед пропариванием зерно подогревают (предварительный нагрев зерна сокращает расход пара на пропаривание и сушку), пропаривание ведут при давлении пара 0,25-0,30 МПа в течение 5 минут в пропаривателях периодического действия А9-БПБ. После пропаривания проводят непродолжительноеотволаживание. Затем зерно сушат воздухом с температурой 120-140°С до остаточной влажности 13,0-13,5%, охлаждают и подают на шелушение. Выход гречневой крупы ядрицы составляет не менее 67,0%, в том числе колотых зерен 3,0-5,0%. Крупа имеет кремовый цвет с желтоватым или зеленоватым оттенком, что ухудшает ее потребительские свойства и товарный вид.

Большое количество колотых зерен в готовом продукте и его цвет обусловлены неравномерностью прогрева зерна. При пропаривании через неподвижную массу зерна гречихи пропускают пар, однако при известных параметрах проведения способа конструкция пропаривателя не позволяет осуществить равномерное пропаривание всей массы, что приводит к образованию застойных зон в верхней и нижней частях пропаривателя. Поэтому для завершения физико-химических процессов в зерне, выравнивания влажности в массе зерна необходимо проводить отволаживание. Однако после пропаривания поверхность влажного зерна становится смолистой из-за клейстеризации крахмала в зерне и при отволаживании оно слипается в комок (комкуется), что при дальнейшей обработке приводит к увеличению количества колотых зерен. Для исключения стадии отволаживания необходимо обеспечить равномерность пропаривания, например, путем повышения давления пара и времени обработки.

Таким образом, недостатками способа являются большое содержание в готовой крупе колотых зерен (дробленого зерна), невысокие потребительские свойства крупы и низкий товарный вид, а также невысокая производительность способа.

Для проведения ГТО зерна крупяных культур, в т.ч. зерна гречихи, используют специальные аппараты-пропариватели.

Недостатками пропаривателей являются относительно небольшая производительность при обработке зерна крупяных культур, что связано с невозможностью обработки продукта паром при высоком избыточном давлении, низкое качество пропаривания зерна из-за наличия застойных зон в рабочем объеме камеры, что приводит к неравномерности пропаривания.

Ближайшим по технической сущности и достигаемому эффекту является аппарат периодического действия с автоматическим управлением А9-БПБ. Пропаривание осуществляют в течении 5-12 минут при давлении пара 0,40-0,65 МПа. Пропариватель содержит вертикально расположенный цилиндрический корпус с конической нижней частью и сферическую крышку, загрузочный и разгрузочный патрубки, предохранительный клапан, приспособление для подачи и распределения пара, приспособление для сброса давления и отвода пара. Приспособление для подачи и распределения пара представляет собой вертикальную полую трубу с открытым нижним концом, по длине ограниченную расстоянием до низа корпуса в 0,4-0,6 диаметра отверстия разгрузочного патрубка и снабженную равноудаленными друг от друга и установленными с зазором к боковой поверхности корпуса дополнительными парораспределяющими трубками с открытыми концами, расположенными под углом 120° относительно друг друга и направленными вниз под углом 25-30° к оси полой вертикальной трубы. Полая вертикальная труба верхним концом сообщена с горизонтальной полой трубой, установленной в верхней части корпуса, один конец которой закрыт, а другой выполнен в виде патрубка. На вертикальной полой трубе и дополнительных парораспределяющих трубках выполнены равноудаленные друг от друга отверстия, причем на вертикальной полой трубе отверстия расположены по четырем сторонам относительно ее оси под углом 90° относительно друг друга, а на дополнительных парораспределяющих трубках они расположены под углом 90° в трех плоскостях относительно их центральной оси, при этом соотношение диаметров вертикальной полой трубы и дополнительных парораспределяющих трубок составляет 1,6:1,0. Приспособление для сброса давления и отвода пара выполнено в виде пружинного клапана и размещено на крышке пропаривателя.

Аппарат работает следующим образом. После заполнения пропаривателя через загрузочный патрубок в него через отверстия в змеевике подают пар для обработки зерна. По истечении срока обработки подачу пара в рабочую камеру прекращают и постепенно уменьшают (сбрасывают) давление в рабочей камере до атмосферного. Затем обработанную партию зерна выгружают из аппарата через разгрузочный патрубок и подают на отволаживание в специальные короба. После отволаживания зерно гречихи сушат, охлаждают и подают на шелушение.

Недостатками пропаривателя является выполнение парораспределяющего приспособления в виде конических змеевиков, что приводит к неравномерному распределению пара по сечению корпуса и по его высоте, т.е. к неравномерному нагреву зерна. Конструкция парораспределителя предусматривает подачу пара в его центральную часть, что приводит к образованию зоны перепаривания в центре и недопаривания на периферии в верхней и, особенно, в нижней частях корпуса. В центральной части корпуса создается повышенная температура и влажность, приводящие к обильному конденсатообразованию, что в неподвижном слое зерна приводит к комкованию и слипанию зерна, налипанию его на конструктивные элементы парораспределителя. Это затрудняет разгрузку зерна, а также обычно приводит к повторному пропариванию налипшей части зерна и, как следствие, - к получению горелых пересушенных зерен, снижается производительность пропаривателя. Выполнение устройства для сброса пара в виде колена с верхним открытым концом, расположенным под крышкой, и нижним концом, соединенным с паропроводом для отвода пара, не позволяет при сбросе давления организовать циркуляцию пара по всему объему пропаривателя - в нижней его части застойная зона сохраняется.

Технической задачей, решаемой А9-БПБ, является также повышение качества обработки зерна путем обеспечения более равномерного пропаривания зерна, повышение производительности и упрощение конструкции пропаривателя.

Пропариватель А9-БПБ

Поставленная техническая задача достигается тем, что в способе ГТО зерна гречихи, включающем предварительный прогрев зерна, пропаривание, сушку, охлаждение, пропаривание осуществляют в течение 5-12 минут при давлении 0,40-0,65 МПа. Также в пропаривателе для проведения ГТО зерна гречихи, содержащем вертикально расположенный цилиндрический корпус с конической нижней частью и сферическую крышку, загрузочный и разгрузочный патрубки, предохранительный клапан, приспособление для подачи и распределения пара, приспособление для сброса давления и отвода пара, приспособление для подачи и распределения пара представляет собой вертикальную полую трубу с открытым нижним концом, по длине ограниченную расстоянием до низа корпуса в 0,4-0,6 диаметра отверстия разгрузочного патрубка и снабженную равноудаленными друг от друга и установленными с зазором к боковой поверхности корпуса дополнительными парораспределяющими трубками с открытыми концами, расположенными под углом 120° относительно друг друга и направленными вниз под углом 25-30° к оси полой вертикальной трубы, полая вертикальная труба верхним концом сообщена с горизонтальной полой трубой, установленной в верхней части корпуса, один конец которой закрыт, а другой выполнен в виде патрубка;на вертикальной полой трубе и дополнительных парораспределяющих трубках выполнены равноудаленные друг от друга отверстия, причем на вертикальной полой трубе отверстия расположены по четырем сторонам относительно ее оси под углом 90° относительно друг друга, а на дополнительных парораспределяющих трубках они расположены под углом 90° в трех плоскостях относительно их центральной оси, при этом соотношение диаметров вертикальной полой трубы и дополнительных парораспределяющих трубок составляет 1,6:1,0; приспособление для сброса давления и отвода пара выполнено в виде пружинного клапана и размещено на сферической крышке пропаривателя.

При этом величина зазора между боковой поверхностью корпуса и дополнительными парораспределяющими трубками составляет 0,6-0,8 диаметра корпуса, а размер отверстий, выполненных на вертикальной полой трубе и дополнительных парораспределяющих трубках меньше размера обрабатываемого зерна.

Проведение процесса в таких условиях, во-первых, позволяет обеспечить равномерное пропаривание всей массы зерна и получить крупу ядрицу гречихи с повышенным выходом не менее 72% и с содержанием колотого зерна 0,5-1,5%, а во-вторых, стабилизирует процесс пропаривания и положительно влияет на качество крупы. В сравнении с прототипом вырабатывается крупа более однородная по цвету по всей массе партии, при этом она приобретает более ярко выраженный запах, свойственный гречневой крупе.

При закрытых патрубке и клапане через загрузочный патрубок корпус заполняют зерном гречихи до уровня фланцевого соединения его со сферической крышкой. Перекрывают загрузочный патрубок и одновременно подают пар в корпус по горизонтальной трубе через патрубок, соединенной с линией подачи пара. Пар, проходя через отверстия в вертикальной трубе и дополнительных парораспределяющих трубках, поступает в нижнюю часть корпуса, а также в весь объем корпуса и равномерно пропаривает зерно гречихи. При достижении заданной величины давления и окончании установленного времени пропаривания подачу пара прекращают и постепенно открывают патрубок для сброса пара. Для выпуска зерна закрывают патрубки с одновременным открытием патрубка. Зерно гречихи сушат и направляют на шелушение. Получают крупу гречихи с выходом не менее 72% и содержанием колотых зерен 0,5-1,5%.

Предлагаемая конструкция позволяет организовать подачу пара снизу по всему объему зерна, что обеспечивает равномерность насыщения всей зерновой массы паром, устраняет образование застойных зон. Расположение дополнительных парораспределяющих трубок, наклон их под углом 25-30 к оси вертикальной трубы, также наличие определенным образом расположенных отверстий позволяет не только обеспечить равномерность поступления пара в объем зерна, но и устраняет налипание на трубы, что обеспечивает качество пропаривания, облегчает выпуск пропаренного зерна из-за устранения его зависания, позволяет снизить время набора необходимого давления в корпусе, что снижает общее время пропаривания, т.е. увеличивает производительность пропаривателя.

Взаимное расположение дополнительных трубок и величины углов определены экспериментально. Уменьшение этих параметров, как и их увеличение, нарушает равномерность пропаривания, т.е. снижает егокачество, а также производительность пропаривателя. Ограничение длины вертикальной полой трубы расстоянием до низа корпуса в 0,4-0,6 диаметра отверстия разгрузочного патрубка оптимизирует процесс пропаривания в нижней части (зоне) пропаривателя. Уменьшение этого расстояния препятствует выгрузке пропаренного зерна, увеличению времени выгрузки, а увеличение - не позволяет равномерно пропарить нижнюю зону.

Предлагаемыйпропариватель работает следующим образом. При закрытых патрубке и клапане через загрузочный патрубок корпус заполняют зерном гречихи до уровня фланцевого соединения его со сферической крышкой. Перекрывают загрузочный патрубок и одновременно подают пар в корпус по горизонтальной трубе через патрубок, соединенной с линией подачи пара. Пар, проходя через отверстия в вертикальной трубе и дополнительных парораспределяющих трубках, поступает в нижнюю часть корпуса, а также в весь объем корпуса и равномерно пропаривает зерно гречихи. При достижении заданной величины давления и окончании установленного времени пропаривания подачу пара прекращают и постепенно открывают патрубок для сброса пара. Для выпуска зерна закрывают патрубки с одновременным открытием патрубка. Зерно гречихи сушат и направляют на шелушение. Получают крупу гречихи с выходом не менее 72% и содержанием колотых зерен 0,5-1,5%. Дальнейшая работа пропаривателя повторяется согласно вышеописанной схеме. В таблице приведено время работы пропаривателя по прототипу и заявляемого в течение одного цикла пропаривания - от загрузки зерна до его выпуска Таким образом, улучшаются органолептические качества крупы, т.е. появилась возможность получения различных цветовых оттенков пропаренной крупы, что позволило значительно улучшить конкурентоспособность этой продукции. Увеличение использования пара на себестоимости не сказывается, так как в качестве топлива на существующей котельной, вырабатывающей пар, используют лузгу гречневую и/или овсяную, которая является отходом действующих производств.

Использование для ГТО зерна гречихи пропаривателяА9-БПБ позволяет улучшить качество пропаривания путем повышения равномерности пропаривания, упростить конструкцию и повысить производительность пропаривателя.

После пропарки, гречихи попадает в паровую сушилку ВС-10-49, предназначенная для сушки и поджаривания крупяных культур и готовой крупы. Сушка зерна осуществляется воздухом с температурой 75 C до влажности не выше 13,5% охлаждение ведется до температуры, не превышающей температуру производственного помещения на 6-8 C.

Вертикальная паровая сушилка непрерывного действия предназначена для сушки и поджаривания крупяных культур или готовой крупы. Сушилка собрана из отдельных секций прямоугольного сечения, образующих вертикальную шахту. Шахту комплектуют из восьми, десяти, двенадцати и четырнадцати тепловых секций. Над верхней секцией установлен приемный ковш, а в нижней секции расположено выпускное устройство. Во всех остальных секциях в продольном направлении в шахматном порядке проходят девять труб 50 мм, внутри которых проходят трубы 25 мм. К боковым стенкам секций прикреплены скаты, направляющие зерно на паровые трубы. Для предотвращения пригорания зерна над трубами укреплены отражательные козырьки в виде уголков из листовой стали. Тепловые секции комплектуют из двух чугунных боковин, к которым крепят двойные трубы. Внутренние трубы ввинчены в стенку канала и открыты с обоих концов, а наружные трубытолько одним концом ввинчены в стенку канала, другой же конец закрыт крышкой. В передней стенке сушилки сделано два вертикальных канала: канал подачи свежего пара и канал отвода отработавшего пара (конденсата). Канал подачи свежего пара в верхней секции соединен с паровой магистралью, а канал отвода пара в нижней секции сообщается с конденсатоотводящей магистралью. Тепловые секции снаружи ограждены съемными щитами, в которых с одной стороны устроены люки с задвижками для засасывания воздуха в сушилку, а с другой стороны - отверстия для всасывающих труб вентилятора, который отсасывает из сушилки воздух вместе с водяными парами.