ПРОДОЛЖЕНИЕ ЛЕКЦИИ № 6

4. Принцип наилучшего использования энергии

Пищевая промышленность потребляет значительное количество энергии, которая затрачивается на непосред­ственное проведение технологических операций, а также на транспортирование и другие вспомогательные опера­ции. Расход электрической энергии определяется количеством киловатт-часов на единицу (масса, объем, шту­ки) продукции, тепловой - соответственно количеством топлива или теплоты. Электрическая энергия использу­ется главным образом в приводных устройствах машин и аппаратов, транспортирующих устройств, а иногда для превращения в тепловую, тепловая энергия состав­ляет основу техно-логических операций нагрева, стери­лизации, пастеризации, плавления, сушки, выпаривания, ректификации.

Тепловая энергия чаще всего используется в виде пара либо горячей воды. Энергоемкие пищевые предприя­тия (например, сахарные заводы), как правило, имеют свои котельные и даже электростанции. Поэтому расход энергии у них определяется одним показателем (расхо­дом топлива). Средние расходы электроэнергии и пара на производство некоторых пищевых продуктов приве­дены в табл. 6.1.

Таблица 6.1. - Расход электроэнергии и пара на производство некоторых пищевых продуктов

Эффективность использования энергий в технологическом процессе устанавливают, составляя энергетиче­ский баланс, основой которого служит закон, сохранения массы и энергии. Степень использования теплоты вы­ражают тепловым КПД, под которым понимают отно­шение количества теплоты, использованной на проведе­ние технологической операции, к общему количеству за­траченной теплоты:

                                                                                                                      (6.14)

Если при проведении процесса энергия подводится и отводится в разных формах, то в общем балансе ее учи­тывают с помощью соответствующих эквивалентов теп­лоты. Количество энергии, подведенной к системе и по­лученной в результате превращений (приход теплоты), должно, быть равно ее количеству, которое расходуется на отдельных этапах процесса, преобразуется в другие виды энергии и отводится из системы материальными потоками, а также переходит в окружающую среду (по­тери теплоты).

Для составления теплового баланса необходимо иметь количественные значения удельных теплоемкостей участвующих в процессе веществ, тепловых эффектов химических реакций и фазовых превращений. На осно­вании этих данных, а также химического состава и ко­личеств взаимодействующих веществ в отдельных пото­ках можно рассчитать статьи прихода и расхода баланса отдельных этапов процесса и в конечном счете всего тех­нологического процесса.

Тепловые потери определяются по известным фор­мулам. Однако поскольку эти потери зависят от условий проведения процесса (характеристики потоков, материалов, толщины стенок, изоляции), то в предвари­тельном балансе учитывают ориентировочные их значе­ния; установленные в результате изу-чения аналогичных, реализованных ранее, процессов. Подобные ориентиро­вочные значения принимаются для учета расходов элек­троэнергии (например, на измельчение, сортирование, перемешивание, транспорт и т. д.).

Экономии энергии можно добиться использованием современных видов оборудования, применением менее энергоемких технологических операций, многократным использованием теплоты, уменьшением ее потерь в окружающую среду, доведением технологических операции только до необходимой степени завершенности и пр. На­пример, в процессе измельчения твердых тел выходной измельченный продукт должен содержать фракции толь­ко заданного размера (быть «непереизмельченным») в процессе сушки – быть «непересушенным» и т. д. «Пе­реизмельчение» и «пересушка» связаны с излишними за­тратами энергии и к тому же могут привести к получе­нию некондиционного продукта.

Одним из способов экономии энергии является извлечение из потока исходного продукта перед направлением его на дальнейшую переработку частиц требуемого ко­нечного качества (размеров, влажности), т. е. выделение какого-либо целевого компонента на промежуточных стадиях.

5. Принцип наилучшего использования оборудования

Сущность этого принципа состоит в получении мак­симального выхода продукции с единицы объема либо поверхности аппарата (машины), с единицы длины либо площади рабочих органов, т. е. он направлен на наилуч­шее использование рабочего пространства. Используя этот принцип, можно снизить затраты на производство продукта, поскольку величина амортизационных отчисле­ний (постоянная часть затрат) не меняется, а количество продукта (их переменная часть) увеличивается.

Один из способов реализации принципа наилучшего использования оборудования - возврат (рециркуляция) потоков с целью стабилизации режимов, регенерации теплоты либо повторного ее использования. Особенно выгодно применять этот способ при технологических операциях, включающих химические превращения. Из смеси, отводимой из реактора, выделяют целевые про­дукты, а исходные вещества возвращают в реактор. Та­ким образом обеспечивается увеличение движущей силы процесса и увеличивается выход продукта в расчете на единицу объема аппарата. В промышленности этот спо­соб обычно применяется, когда положение равновесия не имеет большого значения и продукт можно легко вы­делить из реакционной смеси.

Другой способ наилучшего использования оборудо­вания - согласование единичных операций и технологи­ческих потоков.

В технологической линии, состоящей из периодиче­ски работающих аппаратов, расходы основного продук­та, и рабочих тел непостоянны и меня-ются от минималь­ных до максимальных значений. Такие перепады затруд­няют работу силовых установок, котельного отделения и в конечном итоге всего предприятия. Поэтому в периоди­ческом процессе продолжительность отдельных операций и производительность аппаратов должны быть такими, чтобы не возникали (либо были возможно меньшими) простои. Для этого в каждом аппарате в единицу вре­мени должно перерабатываться одинаковое количество материалов. Если продолжительность сложных опера­ций различна, то необходимо предусмотреть промежу­точные емкости (межоперационные сборники).

Для увеличения равномерности потоков один перио­дически работающий аппарат можно заменить некото­рым числом меньших аппаратов. Их количество должно быть равным числу операций, из которых состоит про­цесс, При этом вначале устанавливают продолжитель­ность самой короткой операции, а для остальных выби­рают такое же время либо кратное ему. Цикл работы каж-дого аппарата батареи смещен относительно циклов соседних, аппаратов на период, равный продолжитель­ности самой короткой операции.

Надлежащая согласованность работы периодически работающих установок может быть обеспечена про­граммным автоматическим управлением.

Согласованность работы оборудования при непрерыв­ных процессах основана на правильном выборе произво­дительности аппаратов. Пиковые ситуации в системах непрерывного действия не возникают, поскольку здесь аппараты работают с постоянной нагрузкой. Межоперационные сборники в этом случае применяются как ава­рийные емкости для реагентов. Величина промежуточной емкости определяется из условий необходимого накоп­ления продуктов за период прекращения подачи про­дукта:

,

откуда

                                                                                                                                        (6.15)

где G_ср – средний расход основного продукта;

          τ – продолжительность прекращения подачи про­дукта (аварийного состояния);

μ – коэффициент, показывающий степень уменьшения расхода (при μ = 1 подача продукта полностью прекращается, при 0<μ<1 прекращается  Частично, при  μ=0  расход продукта соответствует номинальному). Чтобы было возможным использование накопленно­го в емкости продукта, производительность последующих элементов технологической  линии  должна   превышать нормативную  за промежуток  времени ∆τ на  величину ∆G, которую определяют из соотношения

,

тогда

 .                                                                                                                          (6.16)

Принцип наилучшего использования оборудования определяет основные требования к машинам и аппара­там:

• максимальная либо заданная производительность и высокая интенсивность работы;
• наибольший выход продукта и разделяющая способ­ность процесса (извлечение ценного либо удаление вред­ного компонента);
• минимальные энергетические затраты на измельче­ние, перемешивание и транспортировку материалов и наилучшее использование выделяемой в аппарате и под­водимой в него энергии;
• устойчивость режима, легкая управляемость и без­опасность при обслуживании;
• низкая стоимость самого аппарата и ремонта, ремон­топригодность и надежность в работе.

При разработке систем автоматического управления к машинам и аппаратам дополнительно предъявляются требования, связанные с возмож-ностями получения ин­формации об их функционировании путем установки Измерительных приборов и устройств, а также с воз­можностями установки исполнительных органов.

Перечисленные требования взаимосвязаны и в зна­чительной степени противоречивы, вследствие чего ред­ко удается реализовать всех их с достаточной степенью полноты. Поэтому на практике обычно принимают наи­более приемлемое с точки зрения реализации решение, обеспечивающее поддержание основных параметров процесса на уровне заданных или расчетных значений, а также минимальную себестоимость и надлежащее ка­чество готового продукта.

6. Принцип оптимального варианта

Этот принцип предусматривает наилучшее сочетание последовательности технологических операций, их фи­зико-химических и биохимических закономерностей, тех­нологических режимов, конструктивных параметров машин и аппаратов, основных законов управления и эко­номики в соответствии с конкретными условиями пред­приятия, направленное на повышение качества пищевого продукта и снижение затрат на его производство.

В условиях общественного производства при про­ектировании промышленных предприятий этот принцип является основополагающим. Конкретно он выражается в выборе такой последовательности технологических опера-ций, режимов, типов машин и аппаратов, порядка размещения машин и аппара-тов, соединительных трубо­проводов и других коммуникаций, средств механизации и автоматизации, которая обеспечивала бы достижение заданных техно-логических целей при минимальных за­тратах. На практике такие задачи решают эмпирически, путем перебора вариантов, и аналитически, с использо­ванием методов математического программирования и вычислительных машин.

Понятие оптимального размещения оборудования включает:

• обеспечение наименьшей протяженности коммуника­ций;
• использование естественных напоров для транспор­тирования сыпучих продуктов и жидкостей;
• обеспечение налучших условий перемещения про­дукта;
• централизованное размещение аппаратов, предназна­ченных для выполнения однотипных процессов (опера­ций) ;
• соблюдение заданной очередности выполнения тех­нологических операций и правил техники безопасности.

Отступление от этих принципов допустимо в том слу­чае, если их соблюдение вступает в противоречие с тре­бованиями охраны труда, охраны окру-жающей среды и т. п.

На современном этапе развития производства прин­цип оптимального варианта обязательно предполагает решение вопросов комплексной механизации и автома­тизации. В пищевой промышленности наряду с механи­зацией и автоматизацией операций, выполняемых вруч­ную, важной задачей является повышение производи­тельности расфасовочных, упаковочных и других машин, аппаратов и линий.

Рост единичных мощностей машин и агрегатов - одно из основных нап-равлений научно-технического про­гресса, определяющих перспективы развития народного хозяйства. На важность этого положения неоднократно указывалось в решениях директивных органов. Произ­водительность (скорость процессов) ма-шин и линий во всех отраслях пищевой промышленности непрерывно возрастает. Например, в маслобойно-жировой промыш­ленности производительность экстракционных линий по­высилась с 400 т семян, перерабатываемых в сутки, до 1000÷1500 т. На консервных заводах суточная произво­дительность линий по производству томатной пасты возросла со 150 т сырья до 300 т. Введены в действие линии производительностью 500, 720 т и даже 1000 т в сутки.

При определении целесообразности проведения про­цесса периодически или непрерывно обычно сравнивают экономические показатели обоих методов, в частности себестоимость получаемой продукции в зависимости от производительности аппарата. Графики, отражающие зависимость себестоимости продукции от постоянных и переменных расходов и стоимости сырья, показаны на рис. 6.1.

Постоянные расходы (амортизационные и эксплуата­ционные, зарплата и т. п.), представленные прямой 1, от производительности не зависят. Для непрерывных процессов они несколько выше, чем для периодических. Переменные расходы (электроэнергия, пар, вода) про­порциональны производительности (прямая 2). Для пе­риодических процессов, где характерны частые пуски и остановки, периоды нагрева, охлаждения и т. п., они выше. Затраты на сырье (прямая 3) пропорциональны производительности и одинаковы для обоих процессов. Общие затраты на производство продукта (прямая 4) представляют собой сумму постоянных и переменных затрат и себестоимости сырья. Отпускная цена продукта (прямая 5) одинакова для периодического и непре­рывного процессов.

Рис. 6.1. Зависимость затрат от производительности аппарата: а ‒ при периодическом процессе, б ‒ при непрерывном процессе.

Разность между ценой продукта и общей стоимостью производства составляет прибыль (убыток) от работы предприятия. Из графиков, приведенных на рис. 6.1, следует, что производительность, при которой процесс становится убыточным, для агрегата периодического действия меньше, чем для агрегата непрерывного дейст­вия. Таким образом, при небольшой производительности может оказаться экономически выгодным использова­нием установки перио-дического действия.

Принцип оптимизации технологических процессов предполагает использование системы методов и средств, обеспечивающих сокращение затрат на производство продукции новейших достижений науки и техники, наи­лучших технологических режимов, прогрессивного обо­рудования, комплексной меха-низации и автоматизации.

Так, в мясной промышленности большой экономиче­ский эффект дает разработанный советскими специали­стами способ однофазного замораживания полутуш при низких температурах (–30°С) вместо предварительного охлаждения и последующего замораживания. При этом длительность процесса холо-дильной обработки сокра­щается вдвое, вдвое увеличивается производи-тель­ность труда, на 40% уменьшается производственная площадь, снижа-ется естественная убыль мяса, повыша­ется его стойкость при хранении.

В производстве растительного масла перспективным является внедрение прямой экстракции масла из под­солнечных, хлопковых и других семян без предваритель­ного извлечения части масла прессованием. И хотя на­грузка на экстракционные установки при таком способе увеличивается, устраняется громоздкое прессовое хозяй­ство, которое занимает большие площади и связано со значи-тельными затратами труда, общие удельные капи­тальные вложения в производ-ственные расходы умень­шаются, а качество масла улучшается.

Сокращение длительности производственного цикла может быть обеспечено применением быстродействую­щих высокопроизводительных машин. С этой целью су­ществующие автоматизированные обжарочные печи про­изводительностью 2 т готового продукта в час заменяют аналогичными печами производительностью 5 т/ч, что сокращает удельные затраты почти на треть.

В пивоварении, виноделии, сыроделии процессы естественной доводки продуктов до нужного качества длятся очень долго. Кроме того, для выдер-живания продуктов требуются специальные резер­вуары или склады, на сооружение которых затрачивается большая часть капитальных вложений, расходуемых на все предприятие. В хлебопекарной и мясной отраслях длительность выдержки (бро­жение, созревание) измеряется часами, однако ввиду огромного объема перерабатываемого сырья затраты на сооружение соответ­ствующих устройств и помещений здесь тоже очень велики.

Успехи молекулярной биологии позволили раскрыть механизм явлений, происходящих в пищевых продуктах при их выдержке, и применить физические и химические методы для ускорения этих процессов без ухудшения, а часто и с улучшением качества готового продукта. Это обеспечивает существенное сокращение удельных ка­питальных затрат и улучшение других экономических показателей. Например, обычная длительность производства Жигулевского пива составляет 28 сут, а других сортов – 40÷50 сут. За последние го­ды разработано много вариантов непрерывных процессов приготов­ления сусла, главного брожения и ускоренного дображивания, обес­печивающих сокращение общей длительности приготовления пива в 2÷3 раза. В частности, на Одесском пивоваренном заводе № 2 эксплуатируется линия непрерывного брожения Жигулевского пива с общей продолжительностью процесса 11 сут. Температура броже­ния изменяется автоматически по заданной программе с 14 до 2°С. Это позволило значительно увеличить коэффициент использования полезной площади, причем улучшилось также качество пива.

Одновременно принимаются меры к сокращению длительности ращения солода. Метод передвижной грядки, например, увеличивает производительность солодовни в 1,5 раза, а применение гиббериллиновой кислоты сокращает срок солодоращения на 25%.

Уменьшению обшей длительности процесса производства пива способствует применение несоложенных материалов – ячменя, ку­курузы и другого зерна, что частично устраняет длительную стадию приготовления солода. Это достигается внесением в пивное сусло специально подобранных ферментов. Ныне в пивоварении использу­ют до 50% несоложенных материалов. Разрабатываются новые спо­собы, которые позволят увеличить долю несоложенных материалов до 80÷90% и даже целиком отказаться от солода.

Применение ферментов, органических кислот, сухой молочной сыворотки и других стимулирующих добавок в сочетании с интен­сивной механи-ческой обработкой в мощных тестомесильных машинах позволяет сократить длительность приготовления теста до 2÷3 ч. Исследования показывают, что применение физических и химиче­ских разрыхлителей теста, насыщение тестовых заготовок воздухом или углекислым газом позволяют сократить длительность приготов­ления хлеба до 40÷60 минут. Уменьшение времени естественных про­цессов сочетается с техническими и организационными мероприя­тиями, направленными на сокращение рабочего периода, ускорение операций по обработке сырья и выработке продукции.

В хлебопечении ускоренные методы приготовления теста соче­тают с интенсивными методами выпечки, одним из которых являет­ся применение токов высокой и сверхвысокой частоты, сокращающее длительность выпечки по сравнению с обычными способами в не­сколько раз.

Оригинальный способ ускорения сушки макарон разработан в Московском технологическом институте пищевой промышленности. Здесь создан непрерывно действующий сушильный аппарат, в кото­ром благодаря предва-рительным гигротермической обработке и кондиционированию длитель-ность сушки сокращается более чем в два раза. Длина сушилки также вдвое меньше по сравнению с аппаратами существующих конструкций.

Значительно сокращается сушка овощей, картофеля и фруктов в кипящем (псевдоожиженном) или виброкипящем слое. Кроме то­го, по срав-нению с сушкой в обычных паровых конвейерных су­шилках съем, с единицы площади сушильной установки в этом случае увеличивается в 10÷15 раз. Этот способ внедряется и в са­харной промышленности для сушки сахара-песка.

В консервной промышленности ускорение стерилизации дости­гается применением автоматических непрерывно действующих сте­рилизаторов. Продолжительность самого прогрева в них не изменя­ется, т. е. остается такой же, как и в автоклавах периодического действия, но загрузка и раз-грузка происходят без потерь времени. Весьма экономичен способ асептического консервирования, при котором после кратковременного прогрева и выдержки в теплооб­меннике тонкий слой продукта упаковывается в стерилизованную герметичную тару.

           Контрольные вопросы.

1. Как классифицируют процессы и аппараты пищевых производств?
2. Как классифицируют единичные  процессы и технологические опера­ции?
3. Какие типы технологических потоков (связей) существуют в пищевой промышленности и какова их роль в интенсифи­кации процессов?
4. В чём заключается сущность принципа наилучшего использования сырья?
5. В чём заключается сущность принципа сокращения времени процесса?
6. В чём заключается сущность принципа наилучшего использования энергии?
7. В чём заключается сущность принципа наилучшего использования оборудования?
8. В чём заключается сущность принципа оптимального варианта?