a Tehnologica Pentru Obtinerea Laptelui Praf

UNIVERSITATEA DIN BACĂU FACULTATEA DE INGINERIE SPECIALIZAREA : INGINERIE BIOCHIMICĂ

OPERAŢII ŞI APARATE ÎN INDUSTRIA BIOCHIMICĂ

Coordonator :

Prof. dr. ing. Lucian Gavrila Grupa:D

Bacau 2007

Cuprins Tema de proiectare................................. proiectare........................................................ .............................................. .............................................. .....................................3 ..............3 Memoriu justificativ.................................. justificativ......................................................... ............................................... ............................................... .................................4 ..........4 I. Componentii esentiali ai laptelui.................................... laptelui........................................................... .............................................. .................................5 ..........5 I.1. Laptele materie prima........................................ prima............................................................... .............................................. ...............................5 ........5 I.2. Compozitia chimica a laptelui................................... laptelui.......................................................... .............................................. .......................55 I.3. Componenti de baza a laptelui................................... laptelui.......................................................... .............................................. .......................66 I.3.1. Apa...................................... Apa............................................................. .............................................. .............................................. ........................6 .6 I.3.2. Substante azotate................................ azotate....................................................... .............................................. ................................6 .........6 I.3.3. Glucidele.............................. Glucidele..................................................... .............................................. .............................................. .......................77 I.3.4. Lipidele................................. Lipidele........................................................ .............................................. .............................................7 ......................7 I.3.5. Vitaminele din lapte.................................... lapte........................................................... .............................................. .......................88 Oligoelementele minerale din lapte..................................... lapte............................................................ ...............................8 ........8 II. Tehnologia de uscare a latelui.................................... latelui........................................................... .............................................. ..................................10 ...........10 II.1. Aspecte generale............................... generale...................................................... .............................................. .............................................1 ......................100 II.1.1. Prezentarea produselor lactate uscate.................................................. uscate.....................................................10 ...10 II.1.2. Tipuri de produse uscate................................................ uscate....................................................................... .........................10 ..10 II.2. Proedurile de uscare a laptelui.................................. laptelui......................................................... .............................................1 ......................111 II.2.1. Uscarea prin scurgre de film.............................................................. film...................................................................11 .....11 II.2.2. Uscarea prin pulverizare............................. pulverizare.................................................... ............................................1 .....................111 II.3. Fabricarea laptelui praf........................................... praf.................................................................. .............................................. ........................12 .12 II.3.1. Tipuri de lapte praf si materia prima utilizata ........................................12 ........................................12 II.3.2. Procesul tehnologic.............................. tehnologic........................................ .......... ........................................13 ........................................13 II.3.3. Schema tehnologica de fabricre a laptelui praf ......................................17 ......................................17 II.3.4. Proprietatile si defectele laptelui praf.....................................................18 praf.....................................................18 II.3.5. Defectele laptelui praf.......................................... praf................................................................. ...................................19 ............19 Diagrama Sankey............................... Sankey...................................................... ............................................... ............................................... ........................................20 .................20 III. Operatii folosite in procesul de fabricare a laptelui............................................ laptelui............................................................21 ................21 III.1. Filtrarea................................... Filtrarea.......................................................... .............................................. .............................................. ...............................21 ........21 III.2. Amestecarea...................... Amestecarea............................................. .............................................. .............................................. .....................................23 ..............23 III.3. Evaporarea........................ Evaporarea............................................... .............................................. .............................................. ......................................24 ...............24 III.4. Transportul fluidelor..................................... fluidelor............................................................ .............................................. ................................25 .........25 IV. Bilanturi de materiale si bilanturi termice.................................. termice......................................................... ........................................27 .................27 IV.1. Schema bloc a instalatiei de conentrare............................ conentrare................................................... ...................................31 ............31 V. Dimensionarea utilajelor.................................... utilajelor........................................................... .............................................. ...........................................39 ....................39 V.1. Dimensionarea amestecatorului....................... amestecatorului.............................................. .............................................. ..............................39 .......39 V.2. Dimensionarea filtrului.......................................... filtrului................................................................. .............................................. ........................41 .41 V.3. Dimensionarea evaporatorului I.............................................. I..................................................................... ..............................42 .......42 V.4 Dimensionarea eaporatorului II.............................................. II..................................................................... ................................44 .........44 V.5. Dimensionarea preincalzitorului.............................. preincalzitorului..................................................... .............................................4 ......................477 V.6. Dimensionarea evapoatorului III............................................... III...................................................................... ............................50 .....50 V.7. Dimensioarea pompei................................... pompei.......................................................... .............................................. ..................................53 ...........53 Concluzii.............................. Concluzii..................................................... .............................................. .............................................. .............................................. ................................56 .........56 Bibliografie................................... Bibliografie.......................................................... .............................................. .............................................. .............................................. .......................57 57

2

Tema de proiectare

Sa se proiecteze o instalatie tenologica pentru obtinerea laptelui praf 

3

 Memoriu justificativ

Laptele este un aliment valoros, insa relativ perisabil , datorita contaminarii sale cu microorganisme, inca de la mulgere. Din cele mai vechi vechi timpuri s-a cautat cautat o metoda de conservare conservare a laptelui laptelui sub diverse forme si in conditii convenabile. Transformarea laptelui in lapte praf este un proces complex care consta in concentrarea concentrarea laptelui impreuna cu o fractiune fractiune variabila de grasime si substante substante minerale, cu eliminarea unei cantitati importante de apa. În acest proiect am ales ca temă obţinerea laptelui praf din lapte integral. Am ales această temă deoarece mi s-a părut interesant ca plecănd de la laptele integral şi trecănd prin mai multe operaţii se obţine laptele praf.Laptele prezintă o compoziţie complexă cu patru grupe grupe de componente componente principal principale: e: substanţ substanţee azotoase azotoase,, glucide, glucide, lipide şi săruri săruri minerale. minerale... În afara acestora, în lapte sunt prezente şi o serie de alte substanţe în proporţii mai reduse, dar cu importanţă mare în alimentaţie sau tehnologie. Ca sursă convenţională de proteină animală, laptele se situează situează pe locul al doilea, după carne, în privinţa aportului proteic în alimentaţia umană. Am început acest proiect cu o parte de teorie, pentru a avea o bază solidă în scopul înţelegerii tuturor proceselor care care au loc de-a lungul lungul obţinerii laptelui praf. Etapele parcurse în acest proiect sunt: procedeelor de proiectare a unei instalaţii de lapte praf; • Cunoaşterea procedeelor • Amestecarea şi filtrarea; cunoaşterea acestor noţiuni teoretice ne ajută să înţelegem complexitatea şi importanţa acestor procese; • Cunoaşterea tipurilor de pompe şi a instalaţiilor auxiliare; • Stabilirea fluxului de materiale pentru fiecare utilaj în parte şi dimensiunile acestuia. Cel mai important utilaj folosit pentru obţinerea laptelui praf din laptele integral este concentratorul. La fel de importantă ca operaţia de concentrare este şi operaţia de uscare care joacă un rol important în obţinerea laptelui praf. În acest proiect am pornit de la o cantitate de 5893,75 kg/h lapte integral şi am obţinut o cantitate de 1440 kg/h lapte praf.

4

Capitolul I Componentii esentiali ai laptelui

I.1. Laptele – materie primă

Este alimentul cel mai complex si mi usor asimilat de organism, constituind unul din alimentele de baza si in nutritia omului.Laptele este denumit si „Sangele alb” prin valoare sa haranitoare. Are peste o suta de substante nutritive necesare vietii omului (20 aminoacizi,  peste 10 acizi grasi, 4 feluri de lactoze, 25 vitamine, peste 45 elemente minerale, proteine). Proteinele contin aminoacizi necesari cresterii si mentinerii sanatatii. Grasimea in afara de rolul ei energetic constituie si la formarea rezervelor de grasime in organism. Important este faptul ca substantele nutritive din lapte se gasesc in proportii optime, astfel ca laptele este asimilat de organism mai bine decat orice alt aliment. Atat laptele cat si  produsele lactice maresc rezistenta organismelor fata de infectii si intoxicatii, ridicand nivelul de sanatate a populatiei.[ 1 ] I.2. Compoziţia chimicǎ a laptelui

În absenţa microorganismelor şi enzimelor libere, laptele este un aliment alcǎtuit din douǎ faze total nemiscibile, dar aflate într-o stare de emulsie perfectǎ una în alta: 1. faza apoasa, care conţine:   proteine, substanţe bio-organice dar compatibile cu faza apoasǎ datoritǎ gradului lor ridicat de hidratare precum şi grupǎrilor anorganice terminale electrolitice, ce le asigurǎ starea coloidalǎ şi, prin urmare, compatibilitatea cu apa; zaharurile, compuşi organi solubili în apǎ;   vitaminele hidrosolubile; sǎrurile şi oligo-elementele minerale. [ 1 ]  2. faza organicǎ constituitǎ din materia grasǎ, emulgatǎ în faza apoasǎ şi alcǎtuitǎ din: gliceridele;  steridele;  acizii graşi;  fosfolipidele, dintre care lecitina, care asigurǎ interferenţa dintre cele douǎ faze;  vitaminele liposolubile;   pigmenţii. [ 1 ]  Din punct de vedere chimic, laptele conţine urmǎtorii componenţi:  apa;  substanţa uscatǎ negrasǎ;  materia grasǎ. [ 1 ] Unele din aceste substanţe se gǎsesc în stare dizolvatǎ într-o fazǎ sau alta, iar altele sub formǎ de emulsie sau de suspensie coloidalǎ, apa jucând rol de mediu de dispersie al acestora. Toate tipurile de lapte conţin practic aceiaşi componenţi majori, într-o distribuţie 5

aproape similarǎ care fluctuieazǎ uşor în funcţie de specia animalierǎ, de rasǎ în cadrul aceleiaşi specii, de regimul alimentar precum şi de perioada de lactaţie. [ 1 ]

I.3. Componenţii de bazǎ a laptelui I.3.1. Apa

Principalul component al laptelui este apa, care reprezintǎ peste 80% din masa totalǎ a laptelui, proporţie ce variazǎ, în primul rând, în funcţie de specia animalului. [ 1 ] Apa este faza majoritarǎ, în care au loc cvasitotalitatea proceselor chimice, biochimice şi fizice. Tensiunea superficialǎ a soluţiei apoase din lapte numite  plasmǎ   joacǎ un rol determinant în stabilitatea emulsiei de materie grasǎ şi a suspensiilor de proteine. [ 1 ] I.3.2. Substanţe azotate

Apa din lapte este faza de dispersie a ceea ce se numeşte, de regulǎ,  substanţa  substanţa uscatǎ , care rezultǎ din eliminarea totalǎ a apei din lapte, printr-o deshidratare integralǎ. [ 1 ] Din eliminarea materiei grase din substanţa uscatǎ, rezultǎ  substanţa uscatǎ negrasǎ , care, în afara de substanţe minerale (sǎruri de Ca, Mg, K etc.), mai conţine şi elemente organice specifice laptelui, printre care putem enumera urmǎtoarele:  lactoza (dizaharid compus din glucozǎ şi galactozǎ);  cazeinǎ;  lactalbuminǎ;  lactoglobulinǎ;  enzime libere;  urme de alti compuşi. [ 1 ] Cea mai mare parte a substanţei uscate, grase sau negrase, poate, de asemenea, fi obţinutǎ prin coagularea fie a laptelui normal, fie a laptelui smântânit şi formarea unei mase floculante, numitǎ coagul . În masa subsatnţelor azotate, proteinele reprezintǎ, în medie, o  proporţie de circa 95%. [ 1 ] Proteinele laptelui sunt substanţe macromoleculare formate din combinarea a circa 20 de aminoacizi elementari. Ele pot fi uşor separate din soluţie, utilizând acid tricloracetic (ATCA) sau acid fosfotungtic şi pot fi precipitate cu o soluţie concentratǎ de sulfat de amoniu. În funcţie de starea lor de dispersie, proteinele din lapte pot fi clasificate în douǎ grupe: 1. cazei cazeina na aflata aflata în stare stare de suspe suspensi nsiee coloi coloida dalǎ lǎ şi care care reprezin reprezintǎ tǎ 80% din totalul totalul  proteinelor; 2. prot protei eine nele le zeru zerulu luii sau sau proteinele serice, solubile în apǎ, şi anume:  lactalbumina, în proporţie de 9-15% din masa proteinelor;  lactoglobulina, în proporţie de 3,3% din totalul proteinelor;  proteozopeptonele, în proporţie de 3,7% (solubile în zer). [ 1 ]   proteozopeptonele, Aceastǎ distribuţie a principalelor proteine fluctueazǎ în limite foarte înguste, în funcţie de sursa laptelui, raportul dintre diferitele proteine pǎstrându-se aproape constant. [1] Cele mai importante proteine din lapte pot fi clasificate în trei categorii, în funcţie de structura lor chimicǎ: 1. holop holoprot roteid eidele ele,, care care conti continn numai numai α-aminoacizi (α-lactalbumina, β-lactoglobulina); 2. fosfoprote fosfoproteidele idele,, care conţin conţin acidul acidul fosforic fosforic în grupar gruparea ea proteicǎ proteicǎ ( α-cazeina, βcazeina); 3. lipoprotei lipoproteidele, dele, care care conţin conţin glucide glucide drept grupare grupare prostetic prosteticǎǎ (K-cazeinǎ (K-cazeinǎ), ), 6

ele deoseb deosebind indu-s u-see prin prin struct structura ura şi compoz compoziţia iţia molecu molecular larǎ, ǎ, care care le determ determinǎ inǎ forma forma de dispersie în lapte. [ 1 ] I.3.3.Glucidele

Lactoza este un component al laptelui care determinǎ, sub acţiunea microorganismelor, toate   pro proce cese sele le ferm fermen enta tati tive ve care care au loc loc în lapt lapte. e. Lact Lactoz ozaa poat poatee sufe suferi ri o seri seriee de proc proces esee fermentative de descompunere pentru a da naştere, în funcţie de tipul de microorganisme implicate, la acid lactic, acid propionic, acid butiric sau alcool. [ 1 ] Lactoza este principalul component glucidic al laptelui, pe lângǎ urmele de galactozǎ şi glucozǎ, ce rezultǎ din procesul de hidrolizǎ. Din punct de vedere chimic, lactoza este un dizaharid (diozǎ) format dintr-o moleculǎ de glucozǎ şi o moleculǎ de galactozǎ. [ 1 ] Lactoza este un glucid specific laptelui, şi , prin urmare, singura sursǎ de galactozǎ  pentru om, fiindu-i necesarǎ în sintetizarea metabolicǎ a galactocerebrozidelor, substanţe implicate în dezvoltarea sistemului nervos central şi a facultǎţilor mintale, în special la copil. Cecetǎri riguroase au demonstrat cǎ eliminarea galactozei din raţia nutritivǎ a sugarului şi înlocuirea ei cu zaharoza duce la tulburǎri de inteligenţa la copil. [ 1 ] Cu o putere de îndulcire de 6,25 ori mai micǎ decât cea a a zaharozei, lactoza îi conferǎ laptelui un gust dulceag. Acest gust dulceag este mai pronunţat în zerul nefermentat, deoarece, în lapte, acesta este mascat de prezenţa cazeinei. Laptele de vacǎ conţine în jur de 4,3-4,8% lactozǎ raportatǎ la cantitatea totalǎ de substanţǎ uscatǎ. [ 1 ] În plus plus de proc proces esel elee ferm fermen enta tati tive ve,, lact lactoz ozaa poat poatee sufe suferi ri proc proces esul ul de hidr hidrol oliz izǎ, ǎ, enzimaticǎ sau acidǎ cu formarea de glucozǎ şi galactozǎ. Se obţine astfel siropul de lactozǎ, caracterizat printr-un gust dulce mai intens şi utilizat în fabricarea îngheţatei. Prin convertirea glucozei, se intensificǎ gustul de dulce, prin formarea fructozei. Toate aceste produse sunt destinate în special persoanelor cu intoleranţǎ la lactozǎ. [ 1 ] I.3.4.Lipidele

Fracţiuna grasǎ reprezintǎ, în medie, 3,6-3,8% în laptele de vacǎ, conţinut apropiat de cel din laptele de caprǎ (4%) şi peste 7% în laptele de oaie şi de bivoliţǎ. Materia grasǎ din lapte este un amestec complex, alcǎtuit de o multitudine de compuşi, printre care se numǎrǎ gliceridele, steridele, fosfolipidele, acizii graşi liberi, diverse tipuri de cearǎ şi altele. [ 1 ] I.3.5.Vitaminele I.3.5.Vitaminele din lapte

Principalele vitamine întâlnite în lapte sunt cele de tip: A, D, E, K, B 1, B2, B6, PP şi B12, şi sunt dispersate, în principal, în douǎ faze:  vitaminele hidrosolubile, dizolvate în plasmǎ;  vitaminele liposolubile, care sunt dispersate în materia grasǎ. [ 1 ] Distribuţia vitaminelor în cele douǎ faze ale laptelui variazǎ în funcţie de specia animalului, rasa animalului, perioada de lactaţie, regimul alimentar, precum şi de tipul de  prelucrǎri anterioare ale laptelui. [ 1 ] Vitaminele Vitaminele contribuie, contribuie, în mod esenţial, esenţial, la valoarea valoarea nutritivǎ a laptelui, laptelui, prin acţiunea acţiunea lor, alǎturi de enzime şi de alţi factori de nutriţie, în procese metabolice ce au loc în organismul consumatorului. consumatorului. [ 1 ]

7

Vitaminele din lapte

Vitaminǎ Stabilitate Vita Vitami mina na A Rezi Rezist sten entǎ tǎ la cǎldurǎ, sensibilǎ la oxidare. Vita Vitami mina na D Rezi Rezist sten entǎ tǎ la fierbere,  pasteurizare şi depozitare. Vitamina E -

Vitaminele B1, B6, B12

-

Rol Favorizeazǎ creşterea şi rezistenţa organismului tânǎr.

Sursǎ de provenienţǎ Hidrolizǎ enzimaticǎ a β-carotenului.

Element antirabic, regleazǎ metabolismul fosfocalcic, favorizând absorbţia şi reţinerea calciului în organism. Necesarǎ fecunditǎţii şi formǎrii laptelui de cǎtre glandele mamare. Rol antioxidant important. Protejeazǎ sistemul nervos şi apǎrǎ organismul de anemie.

Descompunerea fotoliticǎ a erosterolului.

Vitamina B2

Rezistentǎ la Favorizeazǎ creşterea, se cǎldurǎ, sensibilǎ la regǎseşte în zer. razele UV. Vita Vitami mina na C Inst Instab abil ilǎǎ la la cǎld cǎldur urǎǎ Rol multiplu. şi în prezenţa oxigenului.

Plante verzi (pǎpǎdie, germeni de cereale). Sintetizate de flora digestivǎ a rumegǎtoarelor. Zer  Fructe, legume.

I.3.6.Oligoelementele I.3.6.Oligoelementele minerale din lapte

Fracţiunea mineralǎ din lapte reprezintǎ o proporţie de circa 0,7-0,9%, fiind alcǎtuitǎ, în esenţǎ, de sǎruri de cloruri, citraţi şi fosfaţi de caciu, de sodiu, potasiu şi magneziu. Citraţii de sodiu, calciu şi magneziu se combinǎ cu lactoza pentru a fi asimilate de organism şi joacǎ un rol foarte important în procesele fermentative, favorizând formarea de compuşi de tip diacetil şi diacetilmetilcarbonil, care conferǎ aromǎ produselor lactate. [ 1 ] În lapte se mai aflǎ şi alte combinaţii chimice pe bazǎ de sulf, aluminiu, zinc, fier, aflate în constituţia metaloproteinelor, precum şi calciu şi fosfor care joacǎ un rol foarte important în nutriţia omului şi în stabilizarea cazeinei. De menţionat faptul cǎ distribuţia acestor oligoelemente variaza, în principal, în funcţie de gradul de prospeţime a laptelui şi vice-versa. Astfel, prezentǎm douǎ argumente în acest sens:  laptele zis anormal are un conţinut relativ ridicat de cloruri;  laptele prelucrat termic are un conţinut redus în sǎruri solubile de calciu şi se  preteazǎ mai greu la coagulare. O modalitate de remediere, în acest sens, constǎ în corectarea acestui conţinut cu un adaos de clorurǎ de calciu. [ 1 ] Fracţiunea enzimaticǎ din lapte

Enzimele sunt compuşi proteici funcţionalizaţi şi joacǎ rol de catalizatori, foarte activi şi selectivi, în diferitele procese chimice şi biochimice ce pot avea loc în lapte. Pânǎ în zilele noastre, peste 20 de enzime au putut fi identificate în lapte. [ 1 ] 8

Enzimele esenţiale

Acestea sunt clasificate în diferite grupe şi ele se localizeaza în special în celulele epiteliale ce provin din glandele mamare. Principalele grupe de enzime sunt:  lipazele;  esterazele;  amilazele (α şi β);  aldolazele;  citocromreductazele;  fosfatazele;  reductazele;   peroxidazele;  catalazele. Fracţiunea enzimaticǎ din lapte determinǎ, în mod semnificativ, comportarea fizicochimicǎ, stabilitatea termicǎ şi mecanicǎ, precum şi capacitatea laptelui de a fi prelucrat ulterior în vederea unei valorificǎri superioare. [ 1 ]

9

Capitolul II Tehnologia de uscare a laptelui II.1. Aspecte generale

II.1.1. Prezentarea produselor lactate uscate Laptele praf şi derivatele uscate din lapte sunt obţinute prin eliminarea cvasitotalǎ a apei, proces ce are loc printr-o concentrare maximǎ controlatǎ a laptelui. Produsele uscate  prezintǎ numeroase avantaje, avantaje, printre care se numǎrǎ:  un conţinut ridicat în substanţǎ uscatǎ, ceea ce determinǎ o valoare nutritivǎ ridicatǎ;  o conservabilitate îndelungatǎ, datoritǎ lipsei de apǎ, fapt ce duce la inhibarea  proceselor chimice şi biochimice, precum şi a celor biologice de creştere şi înmulţire celularǎ;  o rentabilitate ridicatǎ a transportului şi a stocǎrii datoritǎ volumelor reduse ocupate de aceşti produşi. [ 1 ] Procesul de deshidratare se realizeazǎ la scarǎ industrialǎ, ţinându-se cont de anumite criterii cu privire la materia primǎ şi la produs finit. Astfel produşii uscaţi obţinuţi trebuie sǎ fie solubili în apǎ şi stabili din punt de vedere chimic pentru perioade îndelungate de timp, iar  laptele folosit ca meterie primǎ sǎ nu prezinte proprietǎţi anormale. [ 1 ]  II.1.2. Tipuri de produse uscate

1. Lapte ptele praf  raf   Laptele praf integral  este produsul cel mai rǎspândit şi cel mai comercializat din

aceastǎ categorie, datoritǎ, în primul rând, succesului pe care l-a avut acest sortiment şi rǎspândirii sale rapide în lume, precum şi datoritǎ aplicaţiilor multiple ale acestuia, pe lângǎ consumul direct sub formǎ de lapte reconstituit cu un adaos de apǎ. [ 1 ] 2.Lapte praf smântânit

 Laptele praf smântânit ,

mai iesftin decât laptele integral, este un produs pentru care cererea creşte continuu, datoritǎ aplicaţiilor sale din ce în ce mai diversificate. Principalul avantaj al acestui produs constǎ în conţinutul sǎu ridicat de proteine, riboflavinǎ şi substanţe minerale, un conţinut mai ridicat decât cel din laptele prafintegral. Un alt avantaj îl reprezint o stabilitate ridicatǎ a acestui produs pentru perioade lungi de conservare. [ 1 ] 3.Laptele şi produsele uscate pentru sugari şi copii Aceste produse au fost adaptate nutriţiei umane, datoritǎ rolului lor important în creşterea organismului. [ 1 ] 4.Subprodusele uscate ale laptelui 10

Cele mai cunoscute subproduse lactate uscate sunt zerul şi zara praf. Aceste produse au aplicaţii multiple, în special, în tehnologia produselor alimentare şi în gastronomie. [ 1 ]

II.2. Procedurile de uscare a laptelui

În tehnologia de uscare a laptelui şi a derivatelor lactate, au fost consacrate la nivel de  procedee tehnologice douǎ proceduri diferite de uscare şi anume: uscarea prin scurgere de film sau de peliculǎ şi uscarea prin pulverizare. [ 1 ]  II.2.1. Uscarea prin scurgere de film

Aceastǎ procedurǎ constǎ în asigurarea scurgerii laptelui sub formǎ de film subţire pe o suprafaţǎ metalicǎ încǎlzitǎ. Aceastǎ procedurǎ are în vedere mǎrirea suprafeţei de contact între produsul ce urmeazǎ a fi uscat şi agentul de încǎlzire pentru a asigura o deshidratare cât mai eficientǎ. În acest sens, o procedurǎ convenţionalǎ, care este din ce în ce mai puţin folositǎ la scarǎ industrialǎ, se bazeazǎ pe scurgerea lapteluisub formǎ de film pe suprafaţa unui cilindru rotativ încǎlzit. [ 1 ] Procesul de uscare a laptelui pe valţuri se realizeazǎ la presiune atmosfericǎ, la o temperaturǎ de 80-140 oC şi un timp de contact scurt de 2-3 secunde. Aceste condiţii sunt considerate optime şi permit o uscare corespunzǎtoare prin minimalizarea procesului de degradare termicǎ a elementelor nutritive ce alcǎtuisc laptele. Procesele de degradare termicǎ rǎmân, însǎ, destul de importante în astfel de tehnologii datoritǎ temperaturii relativ ridicate de uscare. [ 1 ] O altǎ variantǎ a acestei proceduriconstǎ în micşorarea temperaturii de uscare la temperatura de 50-60 oC şi mǎrirea vitezei de rotire a valţurilor şi diametrului acestora. Aceastǎ variantǎ s-a dovedit, însǎ, destul de costisitoare şi nu mai prezintǎ interes tehnologic în comparaţie cu noile metode de uscare a laptelui prin pulverizare, deoarece procesele de degradare pot fi numai minimalizate dar nu şi eliminate în întregime. [ 1 ] II.2.2. Uscarea prin pulverizare Aceastǎ procedurǎ este mai modernǎ şi mai rentabilǎ şi constǎ în atomizarea laptelui lichid sub forma unui nor de picǎturi mici într-o incintǎ în care circulǎ un curent de aer cald. [1] Atomizarea fazei lichide (lapte) într-o fazǎ gazoasǎ caldǎ (aer) are în vedere mǎrirea suprafeţei de contact lichid-gaz precum şi o mǎrire a transferului de materie (evaporarea apei). Contactul dintre picǎturile mici de lapte şi moleculele de aer cald este foarte rapid şi uscarea este aproape instantanee. Cu toate cǎ aerul cald are o temperaturǎ de 140-170 oC, timpul scurt de contact dintre picǎturi şi aer, face ca temperatura picǎturilor sǎ nu depǎşeascǎ valoarea de 50-55oC. [ 1 ] Contactul dintre faza lichidǎ şi faza gazoasǎ se poate realiza în douǎ moduri diferite: unul în contracurent şi unul în echicurent. [ 1 ] Pentru procedeele industriale ce funcţioneazǎ în contracurent, picǎturile se formeazǎ cu ajutorul unui dispozitiv de pulverizare situat în partea superioarǎ a camerei de uscare. [ 1 ] Cǎderea liberǎ a picǎturilor de apǎ este frânatǎ de rezistenţa pneumaticǎ exercitatǎ de curentul ascendent de aer. Pe mǎsurǎ ce particulele coboarǎ, ele se deshidrateazǎprogresiv, densitatea lor creşte treptat şi cǎderea lor devine din ce în ce mai rapidǎ (fig. 1.) [ 1 ] 11

Fig.1. Uscator in contracurent Timpul de contact dintre picǎturi şi aerul cald este reglat de temperatura de uscare prin modificarea debitului de aer. Procedeele ce funcţioneazǎ în echicurent (curenţi paraleli) folosesc camere de uscare orizontale. orizontale. [ 1 ] În aceste instalaţii, timpul de contact este adeseori mai scurt, dar temperatura de uscare mai ridicatǎ. Separarea particulelelor are loc în dispozitive de tip separator-ciclon ce funcţioneazǎ pe principiul forţei centrifuge. Procedeele de uscare prin pulverizare sunt mai  performante decât cele prin scurgere de film şi prezintǎ avantajul suplimentar de a pǎstra calitǎţile calitǎţile laptelui, laptelui, în special, special, solubilita solubilitatea tea acestuia acestuia în apǎ la reconstitu reconstituire ire (solubilita (solubilitatea tea fiind mai mare de 99%). Astfel procedeele de pulverizare au devenit cele mai folositeîn industria laptelui. [ 1 ]

II.3. Fabricarea laptelui praf   II.3.1. Tipuri de lapte praf şi materie primǎ utilizatǎ 

Pe baza conţinutului de materie grasǎ existǎ mai multe sortimente comercializate dintre care cele mai cunoscute sunt:  Lapte praf tip 26 cu conţinut în materie grasǎ de 26%;  Lapte praf 20 cu conţinut în materie grasǎ 20%; grasǎ de 1,5. [ 1 ]  Laptele smântânit cu conţinut n materie grasǎ Materia primǎ folositǎ pentru obţinerea laptelui praf este supusǎ unor norme severe similare cu cele cerute în cazul laptelui concentrat si anume: o  O aciditate mai micǎ de 20 T’;  Un gust şi un miros de lapte proaspǎt;  O consistenţǎ normalǎ şi o culoare albǎ normalǎ. [ 1 ]

12

 II.3.2. Procesul tehnologic

Etapele tehnologice de fabricare a laptelui praf sunt urmǎtoarele: 1.Recepţie, filtrareşi rǎcire

Laptele, recepţionat conform normelor prescrise privind proprietǎţile organoleptice şi fizico-chimice, este imediat supus unor operaţii de filtrare, care se realizeazǎ, de regulǎ, folosind un dispozitiv centrifugal performant şi adoptat capacitǎţii de producţie. Ulterior, funcţie de regimul de funcţionare a procesului tehnologic, laptele filtrat este: temperaturǎ de 4-6oC şi conservat în rezervoare tampon înaintea  Fie rǎcit la o temperaturǎ unei prelucrǎri ulterioare. Acest caz este valabil pentru un regim discontinuu sau atunci cand apare un excedent de materie primǎ;  Fie trimis direct cu ajutorul unor pompe în utilaje destinate operaţiilor de normalizare. Acest caz este valabil pentru un regim dinamic, în care are loc o recepţie optimizatǎ în raport cu parametrii tehnologici de fabricare. [ 1 ] 2.Normalizarea

 Normalizarea are drept scop principal omogenizarea compoziţiei laptelui şi evitarea fluctuaţiilor în timp ale acesteia. Într-un flux continuu, parametrii tehnologici trebuie sǎ rǎmânǎ constanţi iar compoziţia chimicǎ a laptelui trebuie menţinutǎ la un nivel invariabil. [1] 3.Pasteurizarea

Cu toate cǎ uscarea ulterioarǎ a laptelui distruge o mare parte a microflorei, o  pasteurizare suplimentarǎ s-a dovedit a fi necesarǎ pentru diustrugerea speciilorrezistente cum ar fi: sporii streptococii termorezistenţi şi micrococii. Uscarea prin scurgere de film pe valţuri este destul de eficientǎ din punct de vedere al sterilizǎrii, dar prezintǎ inconvenientul inconvenientul major de a afecta calitatea produsului. [ 1 ] Pasteurizarea laptelui în astfel de tehnologie este corelatǎ, în general cu operaţia de uscare, cele douǎ etape fiind complementare. Temperatura de pasteurizarepoate fi redusǎ la 85-88oC pentru un lapte normal şi la 80-82 oC pentru un lapte smântânit. [ 1 ] 4.Concentrarea

Concentrarea, în tehnologia de faţǎ, este o operaţie similarǎ cu cea efectuatǎ în diferitele sortimente de lapte concentrat. Ea este necesarǎ în tehnologia uscǎrii laptelui pentru evitarea termodegradǎrii laptelui. Gradul de uscare este strâns legat de gradul de concentrare  prealabilǎ. O concentrare optimǎ minimizeazǎ formarea de pungi de aer în particulele de lapte, pungi care pot avea un rol nefast asupra etapei ulterioare de conservare a laptelui. Pentru mai multǎ eficienţǎ se recomandǎ ca uscarea sǎ aibǎ loc sub vid în utilaje performante şi puţin voluminoase. [ 1 ] Operaţia de concentrare se justificǎ prin consumul sǎu redus de energie, dat fiind faptul cǎ eliminarea unei cantitǎţi de un kg de apǎ necesitǎ un consum de abur cald în timpul uscǎrii de 2-8 ori mai important decât etapa de uscare. Consumul de materie auxiliarǎ kg abur/kg apǎ eliminatǎ este redatǎ în tabelul urmǎtor:

13

Consumul specific de materie auxiliarǎ (kg abu/kg apǎ eliminatǎ) Operaţie (utilaj) Concentrare sub vid Uscare prin scurgere de film pe valţuri Ucare în pulverizator

Consum de materie auxiliarǎ kg abur/kg apǎ eliminatǎ 0,5 1-1,5 2,5-4

Din datele prezentate în tabel, rezultǎ cǎ este mai economic sǎ se recurgǎ la o concentrare prealabilǎ a laptelui înaintea uscǎrii acestuia. Un grad de concentrare prealabilǎ de 45-48% este considerat optim, deoarece valori mai ridicate duc la o vâscozitate ridicatǎ a lapt laptel elui ui conc concen entra tratt şi afec afecte teaz azǎǎ efic eficie ienţ nţaa oper operaţ aţii iilo lorr ulte ulteri rioa oare re de usca uscare re.. Gradu Gradull de concentra concentrare re a laptelui laptelui depinde, depinde, în mare mǎsurǎ, de geometria geometria utilajului utilajului şi de hidrodina hidrodinamica mica fluidelor implicate în procesul respectiv. [ 1 ] Fluxurile cu care opereazǎ utilajele de concentrare şi de uscare au debite diferite şi de aceea se recomandǎ o stocare temporarǎ a laptelui concentrat în rezervoare tampon. Aceastǎ operaţie de stocare prezintǎ, însǎ, dezavantajul major a apariţiei unei posibile infecţii a  produsului. [ 1 ] 5.Uscarea

Un control periodic al proprietǎţilor organoleptice este necesar înainte de a se efectua uscarea laptelui concentrat. La acest control, aciditatea nu trebuie sǎ depǎşeascǎ valoarea de 75oT pentru un grad de concentrare de 47%. [ 1 ] Laptele concentrat este introdus apoi în camera de uscare la o temperaturǎ de minim o 50 C. Parametrii tehnologici ai acestei etape sunt reglaţi, în prealabil, prin circularea de apǎ în instalaţie, înaintea introducerii laptelui în camera de uscare. [ 1 ] Procesul de uscare depinde de mai mulţi factori, cum ar fi:  Temperatura de intrare a laptelui;  Debitul de lapte introdus;  Viteza de rotire a dispozitivului de pulverizare;  Temperatura de intrare a aerului;  Debitul de intrare a aerului;  Gradul de concentrare prealabilǎ a laptelui. [ 1 ] Valorile acestor parametrii parametrii tehnologici variazǎ variazǎ în domenii domenii largi, în funcţie de tipul de instalaţie instalaţie folosit. folosit. Indiferent Indiferent de instalaţia instalaţia folositǎ, folositǎ, laptele laptele concentra concentratt este aspirat dintr-un dintr-un rezervor tampon cu ajutorul unei pompe şi trimis în dispozitivul de uscare, care constǎ într-un disc rotativ perforat care împrǎştie lichidul sub formǎ picǎturi sub acţiunea forţei centrifuge. Aceste dispozitive sunt adaptate pulverizǎrii laptelui concentrat şi sunt mai eficiente decât cele ce funcţioneazǎ pe bazǎ de jet, care prezintǎ inconvenientul major de a se obtura în timpul tim pul proce procesul sului ui din cauza cauza depune depunerii rii progre progresiv sivee de lapte lapte uscat. uscat. La dispoz dispoziti itive vele le de  pulverizare cu disc disc rotativ, dispersia radialǎ, radialǎ, a picǎturilor asigurǎ un un timp mai lung de şedere a picǎturilor în curentul de aer uscat. [ 1 ] Pe mǎsur mǎsuraa ce picatu picaturile rile se îndep îndepǎrt ǎrteaz eazǎǎ de centru centrull dispoz dispoziti itivul vului ui de pulver pulveriza izare, re, acestea intrǎ în contact cu aerul cald şi începe diferitele trepte ale fenomenului de transfer al apei din picǎtura de lapte cǎtre faza gazoasǎ. Astfel, au loc urmǎtoarele etape:  Micşorarea trepatatǎ a energiei cinetice şi încetinirea mişcǎrii orizontale a  picǎturilor de lapte;  Cǎderea liberǎ a picǎturii sub acţiunea greutǎţii, însoţitǎ de frânarea particulei  prin frecare cu aerul; 14

Deshidratarea progresivǎ a picǎturii de lapte, în urma cǎreia particulele capǎtǎ o densitate din ce în ce mai mare, ceea ce duce la accelerarea cǎderii libere, la ridicarea temperaturii în masa picǎturilor şi la intensificarea fenomenului de evaporare. [ 1 ] Evaporarea apei este un proces relativ rapidf şi în ciuda faptului cǎ aerul este foarte cald, temperatura vaporilor nu depǎşeşte valoarea de 49-50 oC. Cea mai mare parte a laptelui uscat este recuperatǎ în fundul camerei de pulverizare şi apoi evacuatǎ cu ajutorul unor  dispozitive speciale. [ 1 ] O micǎ parte din laptele uscat (particule mici şi uşoare) este antrenatǎ, transportatǎ cu aerul cald şi recuperatǎ în dispozitive speciale numite ciocloane. Pierderile în tehnologia de obţinere a laptelui praf sunt, în general mici (de aproximativ0,5%) datoritǎ folosirii acestor  cicloane. [ 1 ] 

6.Ambalarea

Durata de conservare a laptelui uscat depinde, într-o foarte mare mǎsurǎ, de materiale folosite pentru ambalare. Aceste materiale trebuie sǎ satisfacǎ anumite cerinţe, cum ar fi:  O rezistenţǎ apreciabilǎ la rupere şi o impermeabilitate suficientǎ la   pǎtrunderea umiditǎţii şi a oxigenului din aer. În acest sens, cutiile metalice cilindrice (capacitate de 500 g) sunt cele mai indicateambalaje pentru laptele uscat destinat copiilor şi sugarilor, datoritǎ numeroaselor avantaje, cum ar fi:  Etanşeitate apreciabilǎ;  Rezistenţǎ mecanicǎ ridicatǎ;  Prelucrarea metalului folosit pentru fabricarea cutiilor este relativ uşoarǎ;  Cutiile se preteazǎ uşor procedurilor de sterilizare. [ 1 ] Aceste Aceste ambala ambalaje je prezin prezintǎ, tǎ, însǎ, însǎ, şi unele unele inconv inconveni enient ente, e, printr printree care care se numǎrǎ numǎrǎ  pierderile de volum util (spaţiul dintre cutiile cilindrice), greutatea metalului folosit pentru fabr fabric icar area ea cuti cutiil ilor or care care ridi ridicǎ cǎ cost costul ul trans transpo port rtul ului ui şi cost costur uril ilee ridic ridicat atee de fabr fabric icar area ea ambalejelor. [ 1 ] La ora actualǎ, în funcţie de tehnologie şi de capacitatea de producţie, se folosesc şi alte tipuri de ambalaje, cum ar fi:  Carton acoperit cu o peliculǎ de polietilenǎ;  Carton acoperit cu o peliculǎ alcǎtuitǎ din straturi succesive de: poliofilm,  pergament vegetal, polietilenǎ; acest material este folosit pentru ambalarea sub vid, fiind impermeabil la pǎtrunderea oxigenului;  Foi de aluminiu acoperite cu straturi de poliofilm sau/şi polietilenǎ;  Pungi de polietilenǎ în cutii de carton (capacitate 500). [ 1 ] Drept ambalaj de transport (secundar) se folosesc frecvent saci de hârtie specialǎ combinatǎ cu straturi de polietilenǎ (capacitate de 20, 25, 30, 50 kg). [ 1 ] Tehnica cea mai modernǎ de ambalare implicǎ trei trepte succesive: 1. umplerea ambalajului; 2. aspirarea aerului sub vid pentru minimalizarea riscurilor de infecţie; 3. injectarea de gaz inert (azot molecular în general) şi ermetizarea simultanǎ. Acestǎ procedurǎ de ambalare permite evitarea proceselor de oxidare a materiei grase şi îmbunǎtǎţirea conservabilitǎţii pentru mai mulţi ani, cu condiţia ca conţinutul de oxigen în gazul inert sǎ nu depǎşeascǎ o proporţie de 1-2% . [ 1 ] 7.Stocarea

Laptele praf, ca de altfel toate celelalte produse lactate uscate, este relatiov instabil în  prezenţa anumitor factori aerul, umiditatea şi cǎldura) care joacǎ roluri foarte importante în  procesele chimice de degradare. [ 1 ] 15

Datori Datoritǎ tǎ higros higroscop copiei iei lactoz lactozei, ei, a protei proteinel nelor or şi a sǎruri sǎrurilor lor minera minerale, le, proces procesele ele de degradare a laptelui uscat sunt, din pǎcate, destul de frecvente. Existǎ totuşi o tehnologie care  permite reducerea acestei higroscopii şi obţinerea unui produs numit lapte instant , acesta numindu-se   procedura instant . Aceastǎ procedurǎ prezintǎ un avantaj majorce constǎ în evitarea formǎrii de cocoloaşe la contactul cu apa sau cu umiditatea. [ 1 ] Umiditatea şi cǎldura sunt principalele cauze ale apariţiei de cocoloaşe şi brunificarea laptelui, procese ce se traduc prin:  Transformarea lactozei amorfe în monohidrat de α-lactozǎ cristalinǎ (la o umiditate mai mare de 7%), ducând la formarea de granule lipicioase de lapte praf;  Reacţia lui Maillard de degradare a proteinelor, ce duce la scǎderea solubilitǎţii acestora. Aceastǎ reacţie, favorizeatǎ de creşterea temperaturii, este implicatǎ şi hidroliza lecitinei cu formarea de trimetil aminǎ ce conferǎ laptelui un gust de peşte,   precum şi în obţinerea de compuşi secundar de culoare brunǎ, insolubili, care afecteazǎ  proprietǎţile organoleptice ale laptelui;  Oxidarea şi fotooxidarea materiei grase, în cazul unei pasteurizǎri necorespunzǎtoare. necorespunzǎtoare. [ 1 ] Cercetǎri îndelungate au permis stabilirea condiţiilor optime de stocare prelungitǎ a laptelui praf (de la 6-8 luni), care sunt:  Ambalarea cu injectare de gaz inert (azot molecular);  Folosirea de ambalaje ce nu permit penetrarea apei, aerului şi a luminii; o  O temperaturǎ mai micǎ de 20 C;  O umiditate a aerului ambiant din zona de stocare mai micǎ de 75% pentru temperaturi mai mici de 15 oC;  Un conţinut de oxigen sub 1-2%; aceastǎ condiţie este necesarǎ pentru stocarea mai multor tipuri de produse lactate uscate cu o conservabilitate îndelungatǎ, îndelungatǎ, chiar de câţiva ani. [ 1 ]

16

II.3.3.Schema tehnologicǎ de fabricare a laptelui praf 

Lapte refuzat

Recepţie

Filtrare

Impuitǎţi solide

Excedent Centrifugarea Rǎcire T=4-6oC

Normalizare

Pasteurizare T=85-88oC Preincalzire

Concentrare SU=44-46% Aer cald T=150-190oC

Uscare-pulverizare

Aer rǎcit T=70-90oC

Ambalare

Rǎcire T=15oC

Stocare T<15oC

Livrare

17

Livrare

II.3.4.Proprietǎţile şi defectele laptelui praf 

Crit Criter eriu iu Forma  particulei Suprafaţa granulelor 

Mǎrimea  particulelor 

Cara Caract cter eris isti tici ci Sfericǎ sau ovalǎ O suprafatǎ netedǎ O suprafaţǎ încreţitǎ

10-250µm

Conţinutul de 10-15% aer  Conţinutul de 3-4% apǎ Densitatea aparentǎ

0,5-0,8g/cm 3

Conţinutul de lactozǎ Conţinutul de materie grasǎ Conţinutul de gaze Viteza umectare

38% 50% 20-26% 1,5% O2 sub 1-2% CO2,N2 variabil de Variabilǎ

Maxi Maxim malǎ alǎ Solubilitatea

Microflora

Proprietǎţile organo-

Maximalǎ  peste 97-99%

Obse Observ rvaţ aţii ii Pentru o uscare corespunzǎtoare corespunzǎtoare Atunci când aerul este excesiv de cald, apa din granule fierbe intensiv ceea ce duce la formarea de cratere la suprafaţa granulelor  Pulverizare pe disc centrifug duce la formarea de particule groase. Pulverizarea cu jet sub presiune duce la formareavde  particule fine. Mǎrimea particulelor este proporţionalǎ cu gradul de concentrare prealabil al laptelui. Sub formǎ de pungi Valorile mai ridicate ale acestuiconţinut afecteazǎ conservabilitatea, conservabilitatea, în special, pentru valori mai mari de 5% Densitatea este invers proporţionalǎ cu conţinutul de aer  înglobat în granule. Laptele smântânit praf este mai dens datoritǎ conţinutului sǎu mai redus în materie grasǎ. Pe de altǎ parte granulele de lapte smântânit sunt mai puţin poroase (datoritǎ conţinutului de materie grasǎ care are tendinţe de umflare) Pentru lapte normalizat praf   Pentru lapte smântânit praf   Pentru lapte normalizat praf   Pentru lapte smântânit praf   Acest conţinut creşte odatǎ cu creşterea mǎrimii particulei de materie grasǎ deoarece spaţiul dintre aceste globule este mai mare. În funcţie de mǎrimea particulelor  În funcţie de porozitatea lor (mǎrimea globulelor de materie grasǎ) În funcţie de temperaturǎ (temperaturǎ mai mare de 65 oC duce la formarea de cocoloaşe) Pen Pentru tru dia diame metr tree ale ale gran ranule ulelor lor de de cc cca 100 100-1 -1550 µm µm o Pentru temperaturǎ de de 45 C Pentru o degradare minimǎ a proteinelor  Pentru o mǎrime mǎrime minimǎ a particulelor (suprafaţa de contact) Cu o agitare riguroasǎ În ceea ce priveşte germenii patogeni În ceea ce priveşte bacteriile coliforme Totalul speciilor microbiologice

0 0 Sub 150000 germeni/gram Culoarea Albǎ, gǎlbuie, uniformǎ Aspectul Pulbere finǎ omogenǎ Gustul şi Agreabile, uşor dulci (gust uşor de fiert) mirosul 18

leptice

Consistenţa

Pulbere sfǎrâmicioasǎ

II.3.5.Defectele II.3.5.Defectele laptelui praf 

Defect Solubilitate redusǎ Formare de cocoloaşe

Cauza Materie primǎ acidǎ; temperaturǎ de uscare ridicatǎ; o stocare necorespunzǎtoare: etanşeitate necorespunzǎtoare necorespunzǎtoare şi o temperaturǎ de stocare prea ridicatǎ. Prezenţǎ de umiditate Ambalaj neermetic

Fenomen Degradarea parţialǎ a  proteinelor 

Hidratarea lactozei şi cristalizarea sa sub formǎ de monohidrat de α lactozǎ Prezenţǎ de Uscare prin scurgere de film; o temperaturǎ prea ridicatǎ; Caramelizarea lactozei  particule un tip de contact prelungit cu aerul cald; prezenţǎ de şi degradarea calcinate urme de lapte uscat pe pereţii utilajului (curǎţire  proteinelor  necorespunzǎtoare). Brunificarea Temperaturǎ de stocare prea ridicatǎ; un conţinut de apǎ (gust şi prea ridicat Degradarea proteinelor   miros dezagreabil) Gust şi O expunere îndelungatǎ la luminǎ; o expunere miros de îndelungatǎ la aer; prezenţǎ de metale grele în special Oxidarea grǎsimilor  seu cupru; temperaturǎ de stocare ridicatǎ; prezenţǎ de aer; un ambalaj necorespunzǎtor. necorespunzǎtor.

19

Diagrama Sankey

RECEPŢIE

FILTRARE Impurităţi solide CENTRIFUGARE  NORMALIZARE  pierderi PASTEURIZARE  pierderi CONCENTRARE USCARE  pierderi AMBALARE

RĂCIRE

STOCARE

LIVRARE

20

Capitolul III Operatiile folosite in procesul de fabricare a laptelui praf  III.1. Filtrarea

Filtrarea este operaţia de separare a fazelor unui amestec eterogen solid-fluid cu ajutorul unei suprafeţe poroase sau al unui strat poros prin care poate trece numai faza dispersatǎ, fluidǎ. [ 3 ] Condiţiile care se cer unei bune filtrǎri sunt :  Puritatea filtratului adicǎ absenţa fazei solide în filtrat;  Puritatea precipitatului adicǎ absenţa substanţei solubile în precipitat;  Umiditatea cât mai scǎzutǎ a precipitatului;  Productivitate cât mai mare a filtrului, adicǎ viteza mare de filtrare;  Cât mai puţinǎ apǎ pentru spǎlare, pentru a nu dilua prea mult substanţa solubilǎ;  Regenerarea uşoarǎ şi completǎ a suprafeţei filtrante sau a stratului filtrant;  Consum minim de energie;  Manopera minimǎ;  Uzura minimǎ a suprafeţei filtrante. [ 3 ] Factori care influenţeazǎ filrarea

Operaţia de filtrare este influenţată de un număr mare de factori. Factorii pot avea valori constante sau variabile în timpul filtrării, în funcţie de procedeul de filtrare şi de condiţiile de realizare a operaţiei. [ 3 ] Suspensia

Filtrarea se realizează pentru orice tip de suspensie indiferent de natura şi caracteristicile fizico-chimice. [ 3 ] Granulometria fazei solide determină alegerea stratului filtrant ca textură şi porozitate, structura de precipitat şi permeabilitatea acestuia . [ 3 ] Mărimea particulelor poate varia între 1m  µ  -1mm . Suspensiile cu un conţinut mare de particule fine sau coloidale dau precipitate cu pori mici, compacte, puţin permeabile. Astfel, vinul, este considerat din punct de vedere fizico-chimic, un sistem complex în care faza dispersă (apa, 75-85%) conţine componente în soluţie: etanol, glicerol, glucoză, fructoză, acizi (tartric, malic, succinic etc.), compuşi fenolici, aldehide, aminoacizi, substanţe aromate, esteri, cationi (K  , Ca2+, Fe 2 etc.) şi o mică parte de particule coloidale şi particule microscopice şi grosiere, de importanţă majoră pentru limpiditatea şi stabilitatea vinului. [ 3 ] În filtrările dificile (industria vinului, berii), realizate cu suspensii cu conţinut redus de   particule de natură microbiană sau coloidală de dimensiuni foarte mici, se modifică în  prealabil granulometria suspensiei prin adaosul de substanţe auxiliare. Substanţele auxiliare sunt materiale granulare sau din fibre fine care se adaugă în proporţii reduse şi care contribuie la îmbunătăţirea condiţiilor de filtrare: kieselgur (material inert, foarte absorbant), fibre de azbest, celuloză etc. [ 3 ] Materialul auxiliar se depune pe suprafaţa filtrantă pentru a forma un strat adsorbant sau se adaugă continuu, într-un dozaj convenabil (0,01 - 0,05 % din greutatea fazei solide) în suspensia iniţială. [ 3 ] +

+

21

Suspensiile cu particule sferoidale sau aciculare dau sediment cu permeabilitate mare care asigură viteze mari de filtrare. Particulele în formă de foiţe elastice se comportă ca nişte supape. (la mărirea presiunii de lucru viteza de filtrare se reduce). [ 3 ] Temperatura de filtrare

Creşterea temperaturii de filtrare influenţează favorabil filtrarea, fie prin micşorarea vâscozităţii, fie prin modificarea granulometriei (inducerea unei coagulări). Efectul favorabil al creşterii temperaturii poate fi micşorat şi chiar anulat dacă temperatura determină umflarea stratului filtrant. [ 3 ] Presiunea de filtrare

Influenţa presiunii utilizate în operaţia de filtrare depinde de comportarea stratului de sedime sediment nt ca strat strat filtran filtrant.t. În cazul cazul sedime sedimentu ntului lui necom necompre presib sibil, il, mărime mărimeaa difere diferenţe nţeii de  presiune, ∆ p, între feţele stratului filtrant are o influenţă favorabilă asupra vitezei de filtrare. Pentru sedimente compresibile, valoarea ∆ p optimă se determină experimental. [ 3 ] Materialul filtrant

Materialul folosit ca strat filtrant trebuie: să reţină cât mai complet faza solidă a suspensiei şi eventualele impurităţi (provenite din surse ca: material filtrant, coroziune, reacţii chim chimic icee etc. etc.); ); să aibă aibă rezi rezist sten enţǎ ţǎ hidr hidrau auli lică că redu redusă să,, rezi rezist sten enţǎ ţǎ meca mecani nică că şi chim chimic icăă corespunzătoare; corespunzătoare; să se regenereze usor; să fie ieftin şi uşor de procurat. [ 3 ] Materialul filtrant poate determina: - o filtrare superficială caracterizată prin reţinerea pe suprafaţa stratului filtrant; - o filtrare în adâncime, caracterizată prin reţinerea fazei disperse în toată adâncimea sa (ex.: filtrarea apei prin filtrele cu nisip). În funcţie de natura lor, materialele se utilizează sub formă de table, site, plăci  poroase, straturi fibroase şi pulverulente, straturi granulare, membrane. [ 3 ] Tablele perforate - site lamelare 51 site obţinute prin procedee electrolitice - sunt

grătare cu ochiuri dreptunghiulare (lăţimea minimă 1,5mm) sau circular. Se utilizează în special special ca suport suport pentru pentru pânze sau alte materiale materiale filtrante (celuloză (celuloză,, azbest, azbest, kieselgur). kieselgur). Prezin Prezintă tă dezava dezavanta ntaju jull unei unei supraf suprafeţe eţe lib libere ere mici. mici. Prin Prin proced procedee ee electr electroli olitic ticee diame diametru trull ochiurilor poate ajunge la 0,01mm. [ 3 ] Se fac împletituri metalice cu ochiuri până la 50 u.m; prin depunere electrolitică ochiurile pot fi micşorate. [ 3 ] Pânzele Pânzele filtrant filtrantee se carac caracter terize izeaz azăă prin prin elasti elasticit citate ate,, supleţ supleţee şi porozi porozitat tatee fină. fină.

Particulele suspensiei sunt reţinute prin efectul de cernere şi adsorbţie. Prezintă o rezistenţă mecanică redusă si se colmatează uşor. Sunt folosite ca suprafeţe filtrante dispuse pe rame vertic verticale ale,, pe supor suportt orizo orizonta ntall sau sub formă formă de saci. saci. Pânze Pânzele le filtra filtrante nte prezin prezintă tă o mare mare adaptabilitate la condiţiile de filtrare. Materialele filtrante textile sunt: fibre vegetale (bumbac, iută), fibre animale (lână, păr de cămilă, mătase naturală), fibre sintetice (mătase artificială), fibre minerale (azbest, sticlă). [ 3 ]

provenien ienţă ţă anima animală, lă, vegeta vegetală lă sau sintet sintetică ică (gelat (gelatină ină,, esteri esteri de Membranele de proven

celuloză depuse pe ţesături ţesături sau pe hârtie) se utilizează ca suprafeţe filtrante pentru filtrări fine. Sunt reţinute: subsţante coloidale, bacterii, virusuri. [ 3 ] Straturile fibroase - din fibre de celuloză, azbest, lână, in - sunt obţinute prin presare

(carton, fetru, pâslă) sau prin sedimentarea fibrelor pe o suprafaţă-suport; se utilizează la filtra filtrarea rea suspen suspensii siilor lor care care colma colmatea tează ză uşor uşor stratu stratull filtran filtrantt (sirop (sirop de zahăr, zahăr, gelati gelatină, nă, ulei ulei vegetal, vinuri). [ 3 ] 22

Plăcile poroase filtrante - din granule reunite prin presare cu sau fără lianţi şi ardere

 prin vitrificare - pot fi din azbest, kieselgur, argilă, porţelan, cuarţ, sticlă, grafit, materiale  plastice. Se caracterizează prin porozitate uniformă, rezistenţă mecanică şi chimică. Plăcile filtrante se întrebuinţează pentru filtrările cele mai fine. Pentru industria berii se utilizează în mod curent patru tipuri de plăci filtrante: plăci sterilizante. Ex., plăci pentru filtrare avansată U800, plăci pentru filtrare fină U1000, plăci de mare productivitate U1600 sau U2000. [ 3 ] Teoria filtrării

Filtrarea este o operaţie complexă (influenţată de un număr mare de factori), care decurge în regim nestaţionar. Abordările teoretice s-au dezvoltat pe baza unor modele fizice simplificate ale curgerii prin stratul poros. Ecuaţiile filtrării exprimă relaţia dintre forţa motrice a operaţiei (zip) şi aria suprafeţei de filtrare (A) necesară obţinerii unui volum de filtrant (V). [ 3 ] Teoriile Teoriile existente existente explică, explică, totuşi, desfăşur desfăşurarea area generală generală a operaţiei operaţiei completa completate te cu determinări experimentale, pot fi utilizate în calculul de proiectare al filtrelor şi la conducerea corectă a operaţiei de filtrare. [ 3 ] Filtrarea prin stratul de precipitat

Teoria filtrării prin stratul de precipitat consideră că filtrarea are loc numai prin reţinerea fazei solide din suspensie de către stratul de precipitat, stratul filtrant avand rol de - suport. În aceste condiţii, filtrarea este o curgere de lichid printr-un strat granular, cu deosebirea că în timp se produce o creştere a grosimii stratului de precipitat şi a rezistenţei hidraulice. Teori Teoriaa filtră filtrării rii şi eleme elemente ntele le de proiec proiectar taree tehnol tehnologi ogică că pentru pentru filtra filtrarea rea prin prin stratu stratull de  precipitat. [ 3 ] Tipuri de filtre

Marea varietate a materialelor filtrante disponibile (celuloză, azbest, diatomit, perlit, polimeri sintetici etc.), precum şi a straturilor filtrante realizabile (pulverulente, fibroase, ţesături, plăci  prefabricate şi membrane) a determinat o largă diversificare a filtrelor atât din punct de vedere constructiv cât şi funcţional. [ 3 ] III.2. Amestecarea

Amesteca Amestecarea rea este operaţia operaţia hidrodinami hidrodinamicǎ cǎ ce are drept drept scop omogenizarea omogenizarea,, manifestatǎ prin reducerea gradienţilor de concentraţie sau de temperaturǎ sau, simultan a ambilor, în interiorul sistemului supus amestecǎrii, pânǎ la atingerea unei distribuţii reciproce optime a materialelor constituiente sau a uniformizǎrii temperaturii. [ 3 ] Se foloseşte ca operaţie independentǎ la omogenizarea amestecurilor, precum şi la obţinerea soluţiilor, emulsiilor şi suspensiilor, iar ca operaţie auxiliarǎ pentru intensificarea transferulu transferuluii de cǎldurǎ cǎldurǎ sau/şi sau/şi substanţ substanţǎ, ǎ, accelerar accelerarea ea reacţiilor reacţiilor chimice chimice şi biochimic biochimicee sau auxiliare altei operaţii (cristalizare, extracţie,absorbţie,etc.). extracţie,absorbţie,etc.). [ 3 ] Factorii care influenţeazǎ operaţia de amestecare sunt urmǎtorii: -factori referitori la materialele supuse amestecǎrii: amestecǎrii: componentelor;   Natura componentelor; componentelor;  Starea fizicǎ a componentelor; componentelor;  Raportul cantitativ al componentelor;  Proprietǎţile componentelor: -densitatea; -solubilitatea; -vâscozitatea; 23

-tensiunea superficialǎ; -factorii referitori la produsul rezultat în urma amestecǎrii: -densitatea; -vâscozitatea; -tensiunea superficialǎ; omogenizare;  Gradul de omogenizare; -factori referitori la operaţia de amestecare (condiţiile de amestecare):  Intensitatea amestecǎrii;  Regimul de funcţionare;  Cantitatea sau debitul de produs;  Durata amestecǎrii dau durata medie de staţionare;  Temperatura de lucru;  Presiunea de lucru;  Scopul urmǎrit;  Tipul amestecǎtorului; amestecǎrii. [ 3 ]  Puterea necesarǎ amestecǎrii. III.3. Evaporarea

Principiul evaporǎrii cu efect multiplu este utilizarea vaporilor secundari, ieşiţi dintrun evaporator, ca abur de încǎlzire în evaporatorul urmǎtor. Prin aceastǎ utilizare a vaporilor  secundari se realizeazǎ: 1. economie economie de abur, abur, pentru pentru cǎ un kilogram kilogram de abur primar primar introdus introdus în primul primul evaporator  evaporator   produce aproximativ un kilogram de vapori secundari care, introduşi ca abur de încǎlzire întrun al doilea evaporator vor produce şi ei aproximativ un kilogram de vapori ş.a.m.d.; cu alte cuvinte, dintr-un kilogram de abur iniţial rezultǎ aproximativ n kilograme de vapori în cele n evaporatoare ale instalaţiei; 2. economie economie de de apǎ de rǎcire rǎcire în conden condensato sator, r, pentru pentru cǎ din din cele cele n kilograme de vapori numai aproximativ un singur kilogram kilogram ajunge şi se condenseazǎ condenseazǎ în condensator; celelalte celelalte ( n –  1) kilograme de vapori secundari, plus kilogramul de abur iniţial, se condenseazǎ în spaţiile de încǎlzire ale evaporatoarelor, cedând cǎldura cǎldura lor lichidului care fierbe; din spaţiul de încǎlzire al fiecǎrui evaporator se scoate condensatul provenit din vaporii produşi în evaporatorul precedent. precedent. [ 3 ] Deosebirea principalǎ în regimul de funcţionare al evaporatoarelor evaporatoarelor unei instalaţii de evaporare cu efect multiplu constǎ în faptul cǎ temperaturile – şi deci şi presiunile – sunt diferite. Dacǎ în spaţiul spaţiul de evaporare al primului evaporator este temperatura t 1, vaporii rezultaţi ajung aproximativ cu aceeaşi temperaturǎ în spaţiul de încǎlzire al evaporatorului urmǎtor; în spaţiul de evaporare al acestui evaporator va fi temperatura t 2 < t 1 ş.a.m.d.; urmeazǎ cǎ temperaturile din cele n evaporatoare ale instalaţiei vor descreşte treptat de la  primul la ultimul evaporator: t 1 > t 2 > t 3 > ... > t n. În consecinţǎ şi presiunile din evaporatoare vor descreşte:  p1 > p2 > p3 > ... > pn. [ 3 ] O instalaţie de evaporare cu efect multiplu este formatǎ din mai multe evaporatoare, de obicei identice, astfel legate încât vaporii secundari produşi în fiecare evaporator sǎ treacǎ t reacǎ în spaţiul de încǎlzire al evaporatorului urmǎtor. În spaţiul de încǎlzire al primului evaporator  intrǎ aburul primar de încǎlzire. Vaporii secundari din ultimul evaporator sunt condensaţi în condensatorul condensatorul instalaţiei. Diferitele variante ale circulaţiei vaporilor şi soluţiei vor fi discutate mai jos; soluţia circulǎ în echicurent cu vaporii: este introdusǎ cu debit constant în primul evaporator, trece apoi succesiv prin evaporatoarele urmǎtoare şi iese – cu concentraţia finalǎ –  din ultimul evaporator. [ 3 ] 24

Temperaturile din evaporatoare sunt cuprinse între temperatura θ0 a aburului primar  disponibil şi temperatura t c = t n corespunzǎtoare corespunzǎtoare presiunii din condensator, aceasta din urmǎ fiind impusǎ de temperatura apei de rǎcire. [ 3 ]

III.4. Transportul lichidelor

Pompele centrifuge au o largǎ rǎspândire în industriile de proces, fiind cel mai utilizate  pompe din industria chimicǎ şi din cea de prelucrare a petrolului. Sunt pompe frecvent folosite şi în ramurile industriei alimentare. [ 6 ] Într-o astfel de pompǎ lichidul este alimentat în centrul unui rotor care se învârte cu o vitezǎ mare, forţa centrifugǎ astfel creatǎ împinge lichidul radial spre periferia rotorului (la pompele centrifuge radiale) sau în lungul axului pompei (la pompele centrifuge axiale). În acest fel energia mecanicǎ disponibilǎ la ax este transferatǎ lichidului sub formǎ de energie cineticǎ. Aceasta este treptat convertitǎ în energie de presiune, pe mǎsurǎ ce lichidul  pǎrǎseşte rotorul. [ 6 ] Existǎ douǎ categorii principale de pompe centrifuge : 1. pompe pompe centrifu centrifuge ge radiale radiale (tip (tip volutǎ volutǎ sau sau cu cu stator) stator) Fig.1. Fig.1. 2. pompe pompe centr centrifu ifuge ge axia axiale le Fig. Fig.2. 2. Pompele centrifuge, radiale sau axiale, se pot clasifica în funcţie de numǎrul rotoarelor  (existând pompe mono- şi multietajate), de forma rotorului, de forma şi poziţia carcasei, de caracteristicile de operare, etc. [ 6 ] Mai cunoscute şi utilizate sunt pompele centrifuge tip volutǎ. Schema de principiu este datǎ în figurǎ. Caracteristicile acestor pompe este faptul cǎ rotorul refuleazǎ lichidul radial într-un canal de colectare spiral cu secţiune continuu crescǎtoare, construcţie care uşureazǎ convertirea energiei cinetice a lichidului în energie de presiune. [ 6 ]

25

Fig : 2. Pompa centrifuga tip voluta – schema de principiu 1 – rotor, 2- palete, 3 – arbore, 4- cutie de etansare, 5 – carcasa, 6 – canal ( melc) colector, 7 – racord de intrare, 8 – racord de iesire.

26

Capitolul IV Blanturi de mteriale si bilanturi termice

Lapte 1

RECEPŢIE

Lapte 2 Gm l1= Gm l2 = 5893,75 Kg/h Tabel bilanţ

Component

Intrări m(kg/s) 1,637

Lapte 1 Lapte 2 Total

Ieşiri m(kg/s) 1,637 1,637

1,637

Lapte 2 impurităţi

FILTRARE

Lapte filtrat  p = 0,3%  p = 17,68 Kg/h Gm laptef  = Gm lapte 2 - Gm imp. [ 3 ] Gm laptef  = 5893,75 – 17,68 Gm laptef  = 5876,06 Kg/h

Tabel bilanţ

27

Component

Intrări m(kg/s) 1,637

Lapte 2 Lapte filtrat Impurităţi Total

Ieşiri m(kg/s) 1,632 0,005 1,637

1,637 Lapte filtrat

CENTRIFUGARE

 pierderi

Lapte centrifugat  p = 0,1 %  p = 5,89 kg/h (B.M.) Gm lapte f = Gm p + Gm l.c. [ 3 ] Gm l.c. = Gm lapte f – Gm p Gm l.c. = 5876,06 – 5,89 Gm l.c. = 5870,17 Kg/h Tabel bilanţ

Component Lapte filtrat Lapte centrifugat Pierderi Total

Intrări m(kg/s) 1,632

1,632

28

Ieşiri m(kg/s) 1,630 0,002 1,632

Lapte centrifugat

 NORMALIZARE

 pierderi

Lapte normalizat  p = 0,5%  p = 29,46 Kg/h (B.M.) Gm lapte c = Gm lapte n + Gm p [ 3 ] Gm lapte n = Gm lapte c – Gm p Gm lapte n = 5870,06 – 29,46 Gm lapte n = 5840,6 Kg/h

Tabel bilanţ

Component Lapte centrifugat Lapte normalizat Pierderi Total

Intrări m(kg/s) 1,630

1,630

29

Ieşiri m(kg/s) 1,622 0,008 1,630

Lapte normalizat T = 20°C  pierderi PASTEURIZARE

Abur  T = 125°C

Abur uzat T = 105°C

Lapte  pasteurizat T = 85°C  p = 1% pierderi pierderi → p = 58,93 Kg/h

(B.M.) Gm lapte n = Gm lapte p + Gm p [ 3 ] Gm lapte p = Gm lapte n – Gmp Gm lapte p = 5846,6 – 58,93 Gm lapte p = 5787,66 Kg/h (B.T.) Qabur + Qlapte n = Qlapte p + Q abur uz. [ 3 ] ( mab. ∙ r ab. ab. ∙ Ti)ab. + (m ∙ Cp ∙T 1)lapte n = (m ∙ Cp ∙ T 2) lapte p + ( m∙ r ∙Tf)ab uz ( m ∙ r ∙Ti)ab. – (m ∙ r ∙ Tf)ab. uz.= (m ∙Cp ∙ T 2)lp. – ( m∙Cp ∙ T 1)ln m ∙r ( Ti – Tf)ab. = m ∙Cp (T 2 – T1)lapte mab. =

m ⋅ Cp ⋅ 65 r  ⋅ 20

=

5846 ,59 ⋅ 3980 ,5 ⋅ 65 2453 ,8 ⋅ 10 3 ⋅ 20

= 30,82 Kg   Kg  / h

ΔT1 = (Ti-Tf) = 125-105 = 20°C ΔT2 = ( T1 – T2) = 85-20 = 65°C Cp 65 C  = 3980,5 J/ Kg∙K [ 5 ] r 20 C  =2453,8 KJ/Kg = 2453,8 ∙10 J/Kg [ 5 ] 0

0

3

30

Tabel bilanţ

Component

Intrări m(kg/s) 1,624 0,008

Lapte normalizat Abur Lapte pasteurizat Abur uzat Pierderi Total

Ieşiri m(kg/s)

1,607 0,008 0,017 1,632

1,632

IV.1. Schema bloc a instalaţiei de concentrare

Ab. primar 120°C P

Lc1

Cond Lc2

C4

Lc3 Apă uz.

Ab. uz.

C1

C2

C3

Aer cald 170°C

Aer răcit 80°C

Uscare

Lapte  praf 

31

97 %

T= 120°C Abur primar  W1 90°C Lapte încălzit T = 50°C X1 = 12%

90°C

Lc1

C1 ( T= 120°C)

Lc1 T = 90°C X2 = 32%

( B.M.) Gm ab.p. + Gm l.î. = Gm W 1 + Gm Lc1 + GmC1 [ 3 ] Gm l.î. ∙  x1 = GmLc1 ⋅ x2 −

−

−

Gm Lc1 =

GmLî ⋅ x1 −

=

5893,75 ⋅ 0,12 0,32

 x 2

=

2210,15kg / h

GmW1 = Gm lapte – Gm Lc 1 GmW1 = 5893,75-2210,15 5893,75-2210,15 GmW1 =3683,6 kg/h (B.T.) Qab.p. = QLc1 + QW1 [3] Gm Ab.p. r 1 = (Gm ∙ Cp ∙ ΔT)Lc 1 + Gm W1 ∙ r 2 GmAb . p =

(Gm ⋅ Cp ⋅ ∆T ) Lc1 + GmW 1 ⋅ r 2

r 1

⇒ 3

⇒ GmAb . p =

Gm Ab.p. =

(5893,75 ⋅ 3990 ⋅ 40) + (3683,6 ⋅ 2283,4 ⋅ 10 )

2202,9 ⋅ 103 940642500 + 8411132240 2202 ,9 ⋅10 3

Gm Ab.p. = 4245,21kg/h 0

=2202,9 ∙10 J/K [ 5 ] r 920 C  =2283,4 ∙10 J/K [ 5 ] Cp 70 C  = 3990 J/Kg∙K [ 5 ] r 1120

C 

3

0

3

0

ΔTm =

50 + 90 2

= 70 0 C 

32

Tabel bilanţ

Component

Intrări m(kg/s) 1,179 1,637

Abur primar Lapte încălzit Abur Condens Lapte concentrat 1 Total

Ieşiri m(kg/s)

1,024 1,179 0,613 2,816

2,816

W1 W2 T = 70°C Lc1 T= 90°C X2 = 32%

70°C Lc2 Lc2 T = 70°C X3 = 48% C2

(B.M.) Gm W1 + GmLc1 = GmW2 + GmLc2 + GmC2 [ 3] GmLc1 ∙  x 2 = GmLc2 ⋅ x3 −

−

−

GmLc2 =

GmLc1 ⋅ x2 −

 x3

=

2210,15 ⋅ 0,32 0,48

= 1473,43 Kg  / h

GmW2 = GmLc1 – GmLc2 GmW2 = 2210,15 – 1473,43 GmW2 = 736,72 kg/h GmC2 = (GmW1 + GmLc1) – ( GmW2 + GmLc2) GmC2 = ( 36836,6 + 2210,17) – (736,7 + 1473,43) GmC2 = 3683,64 Kg/h M extra abur = GmW1 – Gm Ab. 1 [ 3 ] M extra abur = 3683,6 – 701,33 M extra abur = 2982,27 Kg/h 33

(B.T.) Qab.1 = QLc2 + GmW2 [ 3] Gm ab.1 ∙ r 1 = ( Gm ∙Cp∙ΔT) Lc2 + GmW2∙ r 2 Gm ab.1=

(Gm ⋅ Cp ⋅ ∆T ) Lc2 + GmW  GmW 2 ⋅ r 2

r 1

Gm ab.1 = Gm ab.1 =

3 [1473 ,43 ⋅ 4000 ⋅ (−20)] + (736 736 ,7 ⋅ 2333 ,8 ⋅10 )

2283 ,4 ⋅ 10 3 1601436060 −117874400 + 1719310460 2283 ,4 ⋅10 3

=

2283 ,4 ⋅10 3

701,33 Kg   Kg  / h = 701

0

C  r 70 = 2333 ,8 ⋅10 3 J  / Kg  [ 5 ] 2 r 190 C  = 2283,4 ⋅ 103 J  / Kg  [ 5 ] ΔT = 70-90= -20 70 + 90 0 = 80 ΔTm = 2 Cp 80 C  = 4000 J/Kg∙K [ 5 ] 0

0

Tabel bilanţ

Component Abur W1 Lapte concentrate 1 Abur W2 Condens C2 Lapte concentrat 2 Total

Intrări m(kg/s) 1,023 0,613

1,637

Ieşiri m(kg/s)

0,204 1,023 0,41 1,637

Ab.2 70°C

Lapte iniţial T = 20°C

Lapte încălzit T = 50°C X1 = 12%

 preîncălzitor 

Ab. uz. 34

(B.M) Gm W2 + Gm l iniţial = Gm Ab. Uz. + Gm l încălzit [ 3 ]

(B.T.) Qab.uz. + Qli = Q lî + QAb. uz . [ 3 ] Gm ab.1 ∙ r ab.2 + ( Gm ∙ Cp ∙ T 1) li = (Gm ∙ Cp ∙T 2 )lî + Gm ab.uz.∙ r ab.uz. Gm ab.2 ∙ r ab.2 – Gm ab.uz.∙ r ab.uz. = (Gm ∙ Cp ∙ T 2) lî – ( Gm ∙ Cp ∙ T 1)lî Gm ab.2 = Gm ab.2 =

(Gm ⋅ Cp ⋅ T 2 )lî  − (Gm ⋅ Cp ⋅ T 1 )li

r  Gm ⋅ Cp ⋅ (T 2 − T 1 )l  r 

=

5787 ,66 ⋅ 3952 ,3 ⋅ 30 2333,8 ⋅10

3

Gm ab.2 = 294,04 Kg/h ΔT = T2 – T1 = 50 – 20 = 30°C ΔTm =

50 + 20 2

= 35 0 C 

Cp 35 C  = 3952,3 3952,3 J/K∙K [ 5 ] 0 r 70 C  = 2333,8 ∙ 10 J/Kg [ 5 ] 0

3

Tabel bilanţ

Component

Intrări m(kg/s) 0,081 1,637

Abur 2 Lapte iniţial Abur uzat Lapte încălzit Total

Ieşiri m(kg/s)

0,081 1,637 1,718

1,718

W2 70°C W3 T = 50°C Lc2 T = 70°C X2 = 48%

50°C Lc3

Lc3 T = 50°C X4 = 60%

C3 35

(B.M.) Gm W2 + Gm Lc2 = GmW3 + GmLc3 + Gm C3 [ 3 ] GmLc2 ∙  x3 = GmLc3 ⋅ x4 −

−

−

GmLc3 =

GmLc2 ⋅ x3 −

=

1473,43 ⋅ 0,48 0,6

 x 4

= 1178,74kg / h

GmW3 = Gm Lc2 – GmLc3 [ 3 ] GmW3 = 1473,43 – 1178,74 GmW3 = 294,69 kg/h GmC3 = ( GmW2 + GmLc2) – (GmW3 + GmLc3) Gm C3 = 2210,15 – 1473,43 Gm C3 = 736,72 Kg/h M extra abur = GmW2 – Gm ab. 3 = 736,72 – 260, 66 = 476,06 Kg/h

(B.T.) Qab.3 = QLc3 + QW3 [ 3 ] Gm ab.3 r  = (Gm ∙ Cp ∙ ΔT)Lc 3 + GmW3 ∙ r  ab .3

Gm ab.3 = Gm ab.3 = Gm ab.3 =

2

GmW 3 ⋅ r 2 (Gm ⋅ Cp ⋅ ∆T ) Lc3 + GmW  r ab.3

[1178 ,74 ⋅ 3977 ,5 ⋅ (−20 )] + 294 ,69 ⋅ 2382 ,5 ⋅10 3 2333 ,8 ⋅10 3 608330158 − 93768767 + 702098925 2333 ,8 ⋅ 10 3

=

2333 ,8 ⋅ 10 3

Gm ab.3 = 260,66 kg/h ΔT = 50 -70 = -20°C ΔTm =

50 + 70 2

= 60 0 C 

Cp 60 C  = 3977,5 J/Kg∙K [ 5 ] C  3 r 50 = 2382 ,5 ⋅ 10  J  / Kg  [ 5 ] 2 r 70 .3 = 2333,8 ∙10 J/Kg [ 5 ] 0

0

0

C 

3

ab

Tabel bilanţ

Component

Intrări m(kg/s) 36

Ieşire m(kg/s)

0,204 0,41

Abur W Lapte concentrat 2 Abur 3 Lapte concentrat 3 Condens Total 2

0,614

0,073 0,337 0,204 0,614

Lapte 50°C

Aer cald

Aer răcit uscare

T = 170°C

T = 80°C

Lapte praf  (B.M.) Gm lapte + Gm aer cald = Gm aer răcit + Gm lapte praf [ 3 ] (B.T.)

Q aer cald + Qlapte = Qaer răcit + Qlapte praf [ 3 ] ( m ∙ Cp ∙ Ti) a.c. + ( m ∙ Cp ∙Ti) l = ( m ∙ Cp ∙Tf) a.r. + ( m ∙ Cp ∙ T 2) lp. m ∙ Cp ∙ ( Ti – Tf) a.c. = m ∙ Cp ∙ (T 2 – T1)l.p. ( m ∙ Cp ∙ 90) a.c. = ( m∙ Cp ∙35)l.p.

ma.c. =

(m ⋅ Cp ⋅ 35 )l . p. Cp ⋅ 90

=

1440 ⋅ 3990 ⋅ 35 1013 ,5 ⋅ 90

ma.c. = 2204,6 kg/h ΔT = Tf – Ti = 35 ΔTml =

85 + 50 2

ΔT m aer =

= 67 ,5 °C

170 170 + 80 2

= 125 125 °C

Cp med. lapte = 3990 J/kg ∙K [ 5 ] Cp med.aer = 1013,5 J/ kg ∙ K [ 5 ]

Tabel bilanţ

Componet Lapte

Intrări m(kg/s) 0,337 37

Ieşiri m(kg/s)

Aer cald Aer răcit Lapte praf Total

0,612

0,949

0,549 0,4 0,949

Capitolul V Dimensionarea utilajelor V.1. Dimensionare amestecator Am ales un amestecator cu paleta dreptunghiularǎ. [ 2 ] Amestecatoarele cu paletǎ dreptunghiularǎ au o singurǎ paletǎ dreptunghiularǎ fixatǎ de arborele vertical. Dau rezultate bune la lichide cu vâscozitate micǎ.

38

h’

H

h d D

Amestectorul cu paletǎ dreptunghiularǎ are urmatoarele caracteristici : D - diametrul interior al vasului, m D = 2000 mm = 2 m ; H - înǎlţimea vasului, m H = 2000 mm = 2 m ; d – diametrul vasului, m d = 0,5 ⋅ D = 1000 mm = 1 m ; n – turaţia amestecǎtorului, rot/s n = 2 rot/s. Se aflǎ volumul vasului(V v), unde : D = 2 m ; n H = 2 m. Vv =

π  ⋅ d 2 4

⋅ H  ⇒ Vv =

3,14 ⋅ 2

2

4

⋅ 2 ⇒ Vv = 6,28 m

3

[2]

Calculul Reynolds 2

Re ag  =

d  ⋅ n ⋅ ρ 

 µ  4

Cand R aeg 〉 5 ⋅ 1 0 avem :

2

⇒ Re ag  =

 D d 

= 2;

1 ⋅ 2 ⋅ 1030 2,127 127 ⋅ 10

 H  d 

= 2;

c = 14,35 ; h

h

−3

⇒ Re ag  = 954395 ,8 →

,

d 

= 0,36

[2]

m = 0,31 [ 2 ]

,

d 

,

h

V  L

,

,

= 0,36 ⇒ h = 0,36 ⋅ d  ⇒ h = 0,36 ⋅ 1000 ⇒ h = 360 360 mm ,

2

- inaltimea paletei, mm '

V L

'

= π  ⋅ R ⋅ H  ⇒  H  = π 

⋅ R

'

2

⇒  H  =

5,9 3,14 ⋅ 1

'

⇒  H  = 1,878 m

VL – volumul lichidului, m/s 39

regim turbulent [ 2 ]

- înǎlţimea la care ajunge lichidul, m h – distanţa dintre elice şi fundul vasului, mm

 H 

'

200 mm h = 0,2 ⋅ d  ⇒ h = 0,2 ⋅1000 ⇒ h = 200

Calculul Euler agitare.  Euag  = c ⋅ ( Reag  )

−m

⇒  Euag  =

14,35

( 954395,8) 0,31

⇒ Euag  = 0,2

[2]

Calculul puterii necesare amestecǎrii.  Euag  =

 Nu

3

3

5

 ρ ⋅ n ⋅ d 

5

3

5

⇒  Nu =  Euag  ⋅ ρ ⋅ n ⋅ d  ⇒  Nu = O,2 ⋅ 1030 ⋅ 2 ⋅ 1 ⇒  Nu = 1648 W 

⇒  Nu = 1,64 KW  [ 2]

 Nu = Stiind ca :  Nu

75 100 100

⋅ Ni  Ni

 Nu – puterea utilǎ, KW  Ni – puterea instalatǎa, KW  Ni =

 Nu ⋅ 100 100 75

⇒  Ni  Ni =

1,64 ⋅100 100 75

⇒  Ni = 2,18 KW 

Puterea consumatǎ în regim. 5 −2 m

 N  = c ⋅ d 

⋅n

3 −m

1−m

⋅ ρ 

m

4 ,38

⋅η  ⇒ N  = 14 ,35 ⋅1

⋅2

2 , 69

⋅1030

0 , 69

(

⋅ 2,127 ⋅10

⇒ N  = 14,35 ⋅ 6,453 ⋅119 ,91 ⋅1,263 ⋅

−3

)

0 , 31

1 0 , 93

10 ⇒ N  = 14,35 ⋅ 6,453 ⋅119 ,91 ⋅1,263 ⋅ 0,117 ⇒ N  = 1647 ,67W  ⇒ N  = 1,64  KW   KW 

c,m – constante  ρ  - densitatea laptelui, Kg/m 3 η  - vâscozitatea dinamicǎ a laptelui, d – diametrul agitatorului, m n – turaţia, rot/s

 Pa  Pa ⋅ s

V.2. Dimensionare filtru

Am ales un filtru confecţionat din pânzǎ (pânzǎ filtrantǎ). Diametrul porilor filtrului d = 0,1 mm. Calculul vitezei de filtrare : ∆ P  =

∆ P  - cǎderea de presiune, N/m 2;

32 ⋅ µ  ⋅

l  d 2

⋅v

[2]

 µ - vâscozitatea dinamicǎ a amestecului,  Pa  Pa ⋅ s ;

40

[2]

v- viteza de filtare, m/s; d-diametrul porilor, mm; l- grosimea pânzei, mm.

∆ P  =  P 2 − P 1

 P 2 = 1,5 ⋅10  N  / m 5

[2]

2

P1 = 0 Atunci : ∆ P  =1,5 ⋅10  N  / m Adoptam l = 1,5 mm 5

∆ P  = 32 ⋅ µ ⋅

⇒v =14692

2

2

l  d 2

⋅v ⇒ v =

d  ⋅ ∆ P  32 ⋅ µ ⋅ l 

⇒v =

( 0,1) 2 ⋅1,5 ⋅ 105 32 ⋅ 2,127 127 ⋅ 10

−3

⋅ 1,5

=14 ,69 m /  s

,05 mm /  s

Calculul debitului volumic pentru lapte Gv L =

Gm L

 ρ 

⇒ Gv L =

5893,75 1030

3

3

⇒ Gv L = 5,72 m / h = 0,00158 m / s

Calculul debitului volumic al impuritǎţilor din lapte Gv imp imp =

Gm imp imp

 ρ 

⇒ Gv imp imp =

17,68 1500

3 −6 ⇒ Gv imp 011 m / h = 3,2 ⋅10 m / s imp = 0,011

Calculul  χ  :  χ  =

Gmimp Gv L

⇒  χ  =

3,2 ⋅ 10

−6

1,58 ⋅ 10

−3

⇒  χ  = 0,002

Calculul ariei filtrului

Adopt raza filtrului : R = 1,25 m d = 2,5 m  A f  

=

π  ⋅ d 2 4

⇒  A f   =

3,14 ⋅ ( 2,5) 4

2

⇒  A f   =

4,906 m

2

Calculul stratului de precipitat l  =

χ  ⋅ v  A  f  

⇒ l  =

2 ⋅ 10

−3

⋅ 14,69

4,906 906

⇒ l  = 6 ⋅ 10 −3 m 2 / s

[2]

V.3. Dimensionarea evaporator I

Am ales pentru evaporatorul I schimbǎtorul de cǎldurǎ cu plǎci de tip Tehnofrig T – 10000 cu urmǎtoarele caracteristici:  lungime: 1530 mm;  lǎţime: 410 mm; 41

grosime: 1 mm; aria suprafeţiei de transfer: 0,5 m 2 (A0); distanţa dintre plǎci: 3 mm; aria secţiunii de curgere: 175 x 10 -5 m2; diametrul echivalent: d e = 9,5 mm; grosimea plǎcii de capǎt p c = 110 mm; grosimea plǎcii intermediare p i = 72 mm. [ 2 ]

      

120oC ∆T

120oC ∆T

1 o

90 C 50oC

∆T1

= 120 – 50 = 70 oC ∆T2 = 120 – 90 = 30 oC ∆T 1 − ∆T 2 ∆TM

=

ln

∆T 1

=

∆T 2

70 − 30 40 = = 47,29 K  70 0,80 ln 30

Calculǎm numǎrul de canale pentru lapte: m2 =

Gm S 0 ⋅ V 0 ⋅ ρ 

=

1,63 175 175 ⋅ 10

−5

⋅ 0,8 ⋅ 1005,2

=

1,63 1,07

= 1,52 ≈ 2canale

Pentru m = 2 canale calculǎm viteza realǎ a laptelui Gm l 

1,63

= 0,5m / s

[4]

 ρ ⋅ v ⋅ d  1005 ,2 ⋅ 0,5 ⋅ 9,5 ⋅10 −3 Re = = = 7701 ,12  µ  0,62 ⋅10 −3

[2]

Vr  =

 ρ  ⋅ m1 ⋅ S 0

=

1005,2 ⋅ 2 ⋅175 ⋅ 10

−5

Calculǎm Reynolds

Adoptǎm α1 = 15000 W/m2 . K  Calculǎm numǎrul de canale pentru abur m2 =

Gm ⋅  Ab

1,17

−5  ρ  Ab ⋅ V 0 ⋅ S 0 1,121 121 ⋅ 40 ⋅ 175 175 ⋅ 10

42

= 15canale

[4]

[4]

2

GmAb = 1,17 kg/s ρ = 1,121 kg/m 3 [ 5 ] V0p = 40 m/s S0 = 175 . 10-5 m2 Calculǎm viteza realǎ pentru m 2 = 15 canale Vr  =

Gm ⋅  Ab

 ρ  Ab ⋅ m2 ⋅ S 0

=

1,17 1,121⋅ 15 ⋅175 ⋅10

= 39m / s

−5

[4]

Calculǎm Reynolds Re =

 ρ ⋅ v ⋅ d  1,121 121 ⋅ 39 ⋅ 0,0095 = = 32447 ,69  µ  12,8 ⋅10 −6

[2]

Adoptǎm α2 = 10000W/m2 . K  α2 – coeficient parţial coeficient parţial termic pentru abur  Calculǎm coeficientul coeficientul termic t ermic total 1

 K  =

1

α 1

+

α i 1 +  χ  p α 2

[4]

α i – grosimea peretelui ( oţel inoxidabil); χ p – conductivitatea termicǎ a peretelui  K  =

1 15000

+

1 0,001 14,7

2

+

1

= 4436 ,55[W  / m ⋅ K ]

10000

Calculul ariei

Q transfer  = GmAbr  ∙ r abab = 1,17 . 2202,9 . 103 = 2597219,1 [ 4 ] Q = A . K . ∆Tmed → A =

Q  K  ⋅ ∆T med 

=

2597219 ,1 4436 ,55 ⋅ 47 ,29

= 12 ,55 m

Calculǎm numǎrul de plǎci în lucru n=

 Ar   A0

=

12,55 0,5

25,28 ≈ 26 placi

[4]

A0 – aria suprafeţei de transfer  Ar  – aria totalǎ Calculǎm numǎrul de pachete  N  =

n 2( m1 + m2 )

=

26 2 ⋅ (2 + 15)

=

26 2 ⋅17

43

= 0,85 ≈ 1 pachet  [ 4 ]

2

[4]

Calculul lungimii active a schimbǎtorului de cǎldurǎ

L = 2pc + pi + ngp + nc + gc [ 2 ]  pc – grosimea plǎcii de capǎt, m;  pi –  – grosimea plǎcii intermediare, m; n – numǎrul de plǎci, m; gp – grosimea plǎcii, m; nc – numǎrul de canale, m; gc – grosimea canalului, m. L = 2 . 0,110 + 0,073 + 26 . 0,001 + 17 . 0,003 = 0,369[m]

V.4. Dimensionarea evaporatorului II

Am ales pentru evaporatorul II schimbǎtorul de cǎldurǎ cu plǎci de tip Tehnofrig T – 5000 cu urmǎtoarele caracteristici:  lungime: 990 mm;  lǎţime: 250 mm;  grosime: 1 mm; 2  aria suprafeţei de transfer: 0,18 m ;  distanţa dintre plǎci: 3 mm; . -6 2  aria secţiunii de curgere: 636 10 m ;  diametrul echivalent d e = 9,5 – 3,5 = 6 mm;  grosimea plǎcii de capǎt: p c = 110 mm;  grosimea plǎcii intermediare: p i = 72 mm. [ 2 ]

∆T

90oC

1

90oC ∆T

2

o

70 C

90 – 90 = 0oC ∆T2 = 90 – 70 = 20oC ∆T1 =

∆TM =

∆T 1 + ∆T 2 2

=

20 2

= 10 K 

Calculul numǎrului de canale pentru lapte m1 =

Gm ⋅ L

 ρ ⋅ V 0 pt  ⋅ S 0

=

0,61 1000,3 ⋅ 0,6 ⋅ 636 636 ⋅ 10

44

−6

=

0,61 0,38

= 1,6 ≈ 2canale

[4]

GmL = 0,61 kg/s; ρ= 1000,3 kg/m 3; [ 5 ] V0pt = 0,6 m /s; [ 3 ] S0 = 636 . 10-6 m2; [ 2 ] µ = 0,57 . 10-3 Pa . s. [ 5 ] Calculul vitezei reale Vr  =

Gm ⋅ L

 ρ  ⋅ m1 ⋅ S 0

=

0,61 1000,3 ⋅ 2 ⋅ 636 636 ⋅ 10

−6

= 0,5m / s [

4]

Calculǎm Reynolds Re =

 ρ ⋅ v ⋅ d   µ 

=

1000 ,3 ⋅ 0,5 ⋅ 6 ⋅ 10 −3 0,57 ⋅10 −3

= 5264 ,73

[2]

Calculǎm Nusselt

 Nu = c . Rem . Pr n . ε [ 2 ] Ştiind cǎ: c = 0,0645 [ 2 ] m = 0,78 [2] n = 0,46 [2] λ = 0,542 W/m. K [ 5 ] 0,57 ⋅10 −3  µ  Pr  = c p = 4010 ,5 ⋅ = 4,217 0,542 λ  0 , 25

0 , 25   Pr    4 , 2 1 7       ε  =     =1,415  Pr  p   =   1 , 0 5       0 , 78  Nu  Nu = 0,0645 ⋅ ( 5264 ,73 ) ⋅ 4,217 0, 46 ⋅1,415  Nu  Nu = 0,0645 ⋅ 799 ,232 ⋅1,934 ⋅1,415  Nu  Nu =141 ,41

[2]

Calculǎm coeficientul parţial termic pentru lapte  Nu

=

α 1 ⋅ d e λ 

⇒ α 1 =

 Nu ⋅ λ 

=

141,41 ⋅ 0,542

d e

6 ⋅ 10

−3

[2]

2

⇒ α 1 = 12774,34W  / m ⋅ K 

λ - conductivitatea termicǎ a laptelui; de – diametrul echivalent. Calculǎm numǎrul de canale pentru abur m2 =

GmAb mAb

 ρ ⋅ V 0 p ⋅ S 0

=

0,2 0,4233 ⋅ 23,3 ⋅ 636 636 ⋅ 10 −6

GmAb = 0,2 kg/s; ρ= 0,4233kg/m3; [ 5 ] V0p = 23 m/s; [2] 45

= 32canale

[4]

S0 = 636 . 10-6, m2 [ 2 ] Calculul vitezei de curgere a aburului Vr  =

GmAb

 ρ  ⋅ m2 ⋅ S 0

0,2

=

0,4233 ⋅ 23 ⋅ 636 ⋅ 10

= 23,25m / s

−6

[4]

Calculǎm Reynolds  ρ ⋅ V  ⋅ d e 0,4233 ⋅ 23,25 ⋅ 6 ⋅ 10 −3 Re = = = 2460431 ,25  µ  0,0240 ⋅ 10 −6

[2]

Adoptǎm α2 = 10000 W/m2 . K  Calculǎm coeficientul termic total  K  =

1 1

α 1 ⇒  K  =

α i 1 + α 2 i =1 λ i n

=

+∑

1 12774 ,34

+

1 0,001 001 14,7

1 7,8 ⋅ 10

−5

+ 6,8 ⋅ 10

−5

+ 1 ⋅ 10

−4

=

+

1

[4]

10000

1 2,4 ⋅ 10 −4

⇒  K  = 4061,73

Calculul ariei

Q = A . K . ∆TM [ 4 ] Qtransfer  = mAb . r = 0,2 . 2283,4 . 103 = 456680 [ 4 ]  A =

Q  K  ⋅ ∆T M 

=

456680 4061 ,73 ⋅10

= 11,14 m

2

[4]

Calculul numǎrului de plǎci în lucru n=

 A  A0

=

11,14 0,18

= 61,8 ≈ 62  placi

[4]

Calculul numǎrului de pachete  N  =

n 2 ⋅ ( m1 + m2 )

=

62 2 ⋅ ( 2 + 32)

=

62 2 ⋅ 34

= 0,91 ≈ 1pachet 

Calculul lungimii active a schimbǎtorului de cǎldurǎ

L = 2pc + pi + ng p + nc . gc [ 2 ]  pc – grosimea plǎcii de capǎt,m;  pi – grosimea plǎcii intermediare,m; n – numǎr de plǎci, m; g p – grosimea plǎcii, m; nc – numǎrul de canale, m; 46

[4]

gc – grosimea canalului, m. L = 2 . 110 + 72 + 62 . 1 + 34 . 3 L = 456 mm = 0,456 m

V.5.Dimensionarea preîncǎlzitorului

Am ales pentru preîncǎlzitor schimbǎtorul de cǎldurǎ cu plǎci de tip Tehnofrig T5000 cu urmǎtoarele caracteristici:  lungime: 990 mm;  lǎţime: 250 mm;  grosime: 1 mm; 2  aria suprafeţei de transfer: 0,18 m ;  distanţa dintre plǎci: 3 mm; . -6 2  aria secţiunii de curgere: 636 10 m ;  diametrul echivalent: 6 mm;  grosimea plǎcii de capǎt: p c = 110 mm;  grosimea plǎcii intermediare: p i = 72 mm. [ 2 ]

70oC ∆T

70oC ∆T

1

2

60oC

o

20 C ∆T1 = 70 – 20 = 50K  ∆T2 = 70 – 50 = 20K 

∆T M  =

∆T 1 − ∆T 2

ln

∆T 1

=

∆T 2

50 − 20 30 = = 32,75 K  50 0,916 916 ln 20

Calculǎm numǎrul de canale pentru lapte m1

Gm ⋅ l 

 ρ  ⋅ V 0 ⋅ S 0

=

1,63 1022 ⋅ 0,8 ⋅ 636 ⋅ 10

−6

Gm l = 1,63 kg/s; ρ= 1022 kg/m 3; [ 5 ] V0 = 0,8 m/s; S0 = 636 .10-6 m2. [ 2 ] 47

= 3,13 ≈ 4canale

[4]

Calculul vitezei reale Vr  =

G m ⋅ L

1,63

=

 ρ  ⋅ m1 ⋅ S 0

1022 ⋅ 4 ⋅ 636 ⋅ 10

−6

=

0,62 m / s

[4]

Calculǎm Reynolds Re =

 ρ ⋅ V  ⋅ d e

=

 µ 

1022 ⋅ 0,62 ⋅ 6 ⋅ 10

−3

1,2 ⋅ 10 −3

3168 ,2

regim tranzitoriu [ 2 ]

Calculǎm Nusselt

 Nu = c . Rem . Pr n . ε [ 2 ] Ştiind cǎ: c = 0,0645; [ 2 ] m = 0,78; [ 2 ] n = 0,46. [ 2 ]  µ  1,2 ⋅10 −3 Pr  = c p = 3952 = 9,37 λ  0,506 0 , 25

0, 25   Pr    9 , 3 7       ε  =     =1,728  Pr  p   =   1 , 0 5       0 , 78  Nu = 0,0645 ⋅ ( 3168 ,2) ⋅ ( 9,37 ) 0, 46 ⋅1,728  Nu = 0,0645 ⋅ 537 ,81 ⋅ 2,8 ⋅1,728  Nu =167 ,77

[2]

Calculul coeficientului coeficientului parţial termic t ermic pentru lapte  Nu =

α 1 ⋅ d e

α 1

⇒

λ 

=

 Nu ⋅ λ  d e

[4]

λ – conductivitatea termicǎ a laptelui; de – diametrul echivalent. α 1 =

167 167,77 ⋅ 0,506 506 6 ⋅ 10

−3

= 14149 ,35W  / m 2 ⋅ K 

Calculul numǎrului de canale pentru abur m2

=

G mAb

 ρ  ⋅ V 0 ⋅ S 0

0,0817

=

0,1981 ⋅ 40 ⋅ 636 ⋅ 10

−6

⇒

m2

GmAb = 0,0817 kg/s; ρ= 0,1981 kg/m 3; [ 5 ] V0 = 40m/s; S0 = 636 . 10-6 m2 . Calculul vitezei reale de curgere a aburului

48

≈

5canale

[4]

Vr  =

GmAb

=

 ρ  ⋅ m2 ⋅ S 0

0,0816 0,1981⋅ 5 ⋅ 636 ⋅ 10−

6

= 40,5m / s

[4]

Calculǎm Reynolds Re =

 ρ ⋅ V  ⋅ d e

=

 µ 

0,1981 ⋅ 40,5 ⋅ 6 ⋅ 10

−3

= 14228

10,82 ⋅ 10 −6

[2]

Adoptǎm α2 = 10000W/m2 . K 

Calculǎm coeficientul termic total  K  =

1 1

α 1

α i 1 + ∑ α 2 i =1 λ i n

+

1

=

1 14149

+

1 ⋅10 −3

+

14,7

1 10000

[4]

2

 K  = 4201,6W  / m ⋅ K 

Calculul ariei

Q = A . K . ∆TM

[4]

Qtransfer  = mAb . r = 0,0816 . 2333,8 . 103 Qtransfer  = 191372  A =

Q  K  ⋅ ∆T M 

=

191372

2

[4]

= 0,44 ≈ 1 pachet 

[4]

32 ,75 ⋅ 4201 ,6

= 1,39 m

Calculul numǎrului de plǎci n=

 A  A0

=

1,39 0,18

= 7,72 ≈ 8 placi [ 4 ]

Calculǎm numǎrul de pachete  N  =

n 2( m1 + m2 )

=

8 2( 4 + 5)

Calculul lungimii active a schimbǎtorului de cǎldurǎ cu plǎci

L = 2pc + pi +ng p + nc + gc [ 2 ]  pc – grosimea plǎcii de capǎt, mm; 49

 pi - grosimea plǎcii intermediare, mm; n – numǎrul de plǎci, mm; g p – grosimea plǎcii,mm; nc – numǎrul de canale, mm; gc – grosimea canalului, mm. L = 2 . 110 + 72 + 8 . 1 + 9 . 3 L = 327 mm = 0,327 m

V.6. Dimensionarea evaporatorului III

Am ales pentru evaporatorul III, schimbǎtorul de cǎldurǎ cu plǎci tip Alfa Laval P12 cu urmǎtoarele caracteristici:  lungime: 1170 mm;  lǎţime: 420 m;  gosimea: 1,3 mm; 2  aria suprafeţei de transfer: 0,31 m ;  distanţa dintre plǎci: 4 mm; . -5 2  aria secţiunii de curgere: 152 10 m ;  diametrul echivalent: 8 mm. [ 2 ]

∆T

70oC

70oC

1

∆T

2

o

50 C

∆T1 =

0K  ∆T2 = 20K  ∆T med  =

20

= 10 K 

2

Calculul numǎrului de canale prin care trece laptele m1 =

Gm ⋅ L

 ρ ⋅ V 0 pt  ⋅ S 0

=

0,41 1011,1 ⋅ 0,8 ⋅152 152 ⋅10 −5

= 0,33 ≈ 1canal  [ 4 ]

GmL = 0,41 kg/s; ρ= 1011,8 kg/m 3; [ 5 ] V0pt = 0,8 m/s; S0 = 152 . 10-5 m2; [ 5 ] µ = 0,71 . 10-3 Pa . s. [ 5 ] Calculul vitezei reale Vr  =

Gm ⋅ L

 ρ ⋅ m1 ⋅ S 0

=

0,41 1011,1 ⋅ 1 ⋅ 152 ⋅ 10

50

−5

= 0,6m / s

[4]

Calculǎm Reynolds Re =

 ρ ⋅ V  ⋅ d e  µ 

=

1011,1 ⋅ 0,6 ⋅ 8 ⋅ 10

−3

= 6835 ,6

0,71 ⋅ 10 −3

regim tranzitoriu [ 2 ]

Calculǎm Nusselt  Nu

=

c ⋅ Re m ⋅ Pr n ⋅ ε 

[2]

Ştiind cǎ: m = 0,65; 0,65; [ 2 ] n = 0,4; [ 2 ] ε = 1; [2] c = 0,314. 0,314. [ 2 ] Calculǎm Prandtl Pr  = c p ⋅

−  µ  0,71 ⋅10 3 = 3975 ⋅ = 5,41 λ  0,522

 Nu  Nu = 0,314 ⋅ ( 6835 ,6)

0, 65

⋅ ( 5,41)

0, 4

⋅1

[2]

 Nu  Nu = 191,78

Calculul coeficientului coeficientului parţial termic pentru lapte  Nu

=

α 1 ⋅ d e λ 

⇒ α 1 =

 Nu ⋅ λ  d e

⇒ α 1 =

191,78 ⋅ 0,522 8 ⋅ 10

−3

2

= 12513,93W  / m ⋅ K 

[4]

λ – conductivitatea termicǎ a laptelui Calculǎm numǎrul de canale prin care trece aburul m2 =

GmAb mAb

 ρ  ⋅ V 0 p ⋅ S 0

=

0,072 072 0,1981 ⋅ 30 ⋅ 152 152 ⋅ 10

−5

= 7,97 ≈ 8 placi [

4]

Calculǎm Reynolds  ρ ⋅ V  ⋅ d  0,1981 ⋅ 30 ⋅ 8 ⋅10 −3 Re = = = 4394 ,08  µ  10,82 ⋅10 −6

regim tranzitoriu [ 2 ]

Adoptǎm α2 = 10000W/m2 . K  Calculul coeficientului coeficientului termic t ermic total  K  =

1 1

α 1

α i 1 + α 2 i =1 λ i n

+∑

1

=

1 12513,93

+

1,3 ⋅ 10 14,7

Calculǎm aria

Q = A . K . ∆TM [ 4 ] 51

2

−3

+

1 10000

= 3907,7W  / m ⋅ K 

[4]

Qtransfer  = mAb . r = 0,072 . 2333,8 . 103 [ 4 ] Qtransfer  = 168033,6  A =

Q  K  ⋅ ∆T M 

=

168033 ,6 3907 ,7 ⋅ 10

= 4,3m 2

Calculǎm numǎrul de plǎci n=

 A  A0

=

4,3 0,31

= 13,87 ≈ 14 placi [ 4 ]

Calculǎm numǎrul de pachete  N  =

n 2( m1 + m2 )

=

14 2(1 + 8)

=

14 18

= 0,77 ≈ 1 pachet 

[4]

Calculul lungimii active a schimbǎtorului de cǎldurǎ

L = n p . g p + nc . gc [ 2 ] L = 14 . 0,0013 + 9 . 0,004 L = 0,0542 m n p – numǎrul de plǎc, mi; g p – grosimea plǎcii, m; nc – numǎrul de canale, m; gc – grosimea canalului, m. V.7. Dimensionarea pompei

Pentru Pentru a transporta transporta laptele laptele din tanc la primul primul evaporator evaporator am folosit o pompǎ pompǎ centrifugǎ. Aplicǎm ecuaţia lui Bernoulli : W  =  g ( z 1 − z 2 ) +

sau

W  =  g ( z 1 −  z 2 ) +

1 2 1

(v

2

− v1 ) + ( H 2 − H 1 ) − Q [ 6 ]

2

2

2

(v

2 2

− v1 ) + ∫ v s ⋅ dP  + F  2

- înǎlţimi, m; v1 , v 2 - viteze de pompare, m/s;  P  P 2 , 1 F=0  z 1 ,  z 2

=

V  = v1 = v2 = 3m / s

 g ( z 1 −  z 2 ) +

( v1 − v2 ) 2 2

+ v s

(  p1 −  p 2 ) + W  − F  = 0 [ 3 ] 52

 g ( z 1 −  z 2 ) + W  = 0 ⇒ W  =  g ( z 1 −  z 2 )

Adoptam distanţa dintre utilaj = 1m, iar lungimea ţevii : l = 1+2,1+0,35+1+3=7,45 m Avem :

 z 1

=

3m

1,8 m

 z 2

=

Atunci : W  =  g ( z 1 −  z 2 ) ⇒ W  = 9,81( 3 − 1,8) ⇒ W  = 11,77m / s

Calculul înǎlţimii manometrice  Zm  Zm =

W   g 

⇒ Zm  Zm =

11,77 9,81

⇒ Zm  Zm = 1,2 m

[7]

Calculul cǎderii de presiune

- cǎderea cǎderea de de presiun presiunee a unui unui fluid în curger curgeree are douǎ componen componente te : o componen componentǎ tǎ  pentru curgerea uniformǎ a curentului de fluid - cǎderea de presiune liniarǎ şi o componentǎ  pentru zonele în care curgerea fluidului este neuniformǎ – cǎderea de presiune localǎ. ∆ P = ∆ P  + l∆ f in ∆Plin =

λ

l v2 ⋅

d  2 d 

Pr  [ 7l ]  ( N / m2 )

⋅ ρ 

[7]

λ  =  f (Re; ) l 

λ=coeficientul cǎderii de presiune prin frecare; f recare; d, l=diametrul, respectiv r espectiv lungimea conductei. Considerăm diametrul ţevii d= 21 mm (standard 25x2 mm). Lungimea ţevii l = 7,5 m. Re =

 ρ  ⋅ v ⋅ d  1030 ⋅ 3 ⋅ 0,021 021 ⇒ Re = ⇒ Re = 30507 ,75 −3  µ  2,127 127 ⋅ 10

- deci este regim turbulent. [ 2 ]

Pentru regim turbulent, folosim ecuaţia de calcul McAdams care se aplicǎ pentru Reynolds cuprins între 5000 şi 200000 . − 184 ⋅ Re 0, 2 ⇒ λ  = λ  = 0,184

∆ P  Lin = λ ⋅

∑ξ  = ξ 

l  v 2 d 

⋅

int int rare

2

0,184 184 30507 ,75 0, 2

⇒ λ  = 0,023 023

⋅ ρ  ⇒ ∆ P  Lin = 0,023 023 ⋅

7,5 0,021 021

⋅

32 2

[7] ⋅1030 ⇒ ∆ P  Lin = 38073 ,21 N  / m

+ ξ cot uri ⋅ nr  cot uri + ξ robineti ⋅ nr  de robineti + ξ  Iesire

53

[7]

2

- coeficientul cǎderii de presiune prin rezistenţe locale

Avem : - numǎr de coturi = 3 - numǎr e robineţi = 2 - ξ int = 0,5 [ 2 ] rare

ξ cot uri uri = 1,33 ⋅ 3 = 3,39 ξ robineti = 0,05 ⋅ 2 = 0,1 ξ iesire = 1

-

[2]

∑ξ  = 0,5 +3,39 + 0,1 +1 = 5 ∆ Pr l  = ξ  ⋅

v

2

2

[

⋅ ρ   N  / m

2

] ⇒ ∆ Pr  = 5 ⋅ 3 l 

2

2

⋅ 1030 ⇒ ∆ Pr l  = 23175 N  / m

2

∆ P t  = ∆ P  Lin + ∆ Pr l  ⇒ ∆ P t  = 38073 ,21 + 23175 ⇒ ∆ P t  = 61248 ,21  N  / m 2 Calculul Zmt  Zmt  =

 P r  −  P a

+

v r 

 ρ  ⋅ g 

2

− va

2 ⋅ g 

2

+  z 0 +

∆ P t 

 ρ  ⋅ g 

[7]

 z 0 =  z 1 −  z 2 ⇒  z 0 = 3 − 1,8 ⇒  z 0 = 1,2 m  P r  =  P a vr  = va

- presiunea de refulare;  P  - presiunea de aspiraţie; v - viteza de aspiraţie; v - viteza de refulare.

 P r 

a

a

r 

 Zmt  =  z 0 +

∆ P t 

 ρ ⋅ g 

⇒  Zmt  = 1,2 +

61248 ,21 1030 ⋅ 9,81

⇒  Zmt  = 7,26 m

[7]

Randametul pompei este de 80% Puterea necesarǎ pompei  N n =

 Zmt  ⋅ ρ  ⋅ g  ⋅ Gv 1000 ⋅η 

⇒  N n =

7,26 ⋅ 1030 ⋅ 9,81⋅ 0,0016 1000 ⋅ 0,8

Calculul puterii instalate trebuie sǎ ţinǎ cont de un coeficient un KW, β  =1,5 − 2 [ 2 ] β 

⇒  N n = 0,15 KW  [

pentru o putere necesarǎ sub

1,75

=

 N  = β  ⋅ N n ⇒ N  = 1,75 ⋅ 0,15 ⇒ N  = 0,26 KW 

54

7]

[2]

Concluzii

În cadrul acestui proiect, am introdus în instalaţie la recepţie o cantitate de 5893,75 kg/h lapte integral şi am obţinut o cantitate de 1440 kg/h lapte praf. Instalaţia funcţionează în regim continuu. Laptele integral introdus în instalaţie este filtrat, din întreaga cantitate rezultă 0,2% impurităţi solide. Impurităţile solide sunt reprezentate de particule fine de praf, nisip, scame,păr. Filtrul pe care l-am folosit pentru filtrarea laptelui integral este un filtru confecţionat din pânză. Laptele rezultat de la filtrare, se centrifughează, după care se normalizează şi se   pas paste teur uriz izea ează ză.. În conc concen entr trat ator or lapt laptel elee intr intrăă cu o conc concen entr traţ aţie ie de 12% 12% şi rezu rezult ltăă cu o concentraţie de 97% substanţă uscată. Laptele rezultat din concentrator, se usucă prin două procese diferite: • Uscarea prin scurgere de filtru pe suprafaţa unor valţuri rotative, acesta fiind un  principiu folosit din ce în ce mai puţin; • Uscarea prin pulverizare, un principiu foarte des folosit în industria laptelui. Odată uscat, laptele praf este ambalat şi răcit, după care se face stocarea şi implicit livrarea acestuia.

55

Bibliografie

1. Abdelkrim Azzouz – „Tehnologie si utilaj in industria laptelui” Casa editoriala Demiurg – Iasi 2000; 2. Constantin Banu – „Manualul inginerului de industrie alimentara”, Vol.1,2, Editura tehnica, Bucuresti– 1998; 3.Bratu A. Em. „Operatii si utilaje in industria chimica”, Vol:1,2, Editura Tehnica, Bucuresti – 1960; 4.V. M. Macovei – „Calcule de operatii si utilaje pentru procesarea termica si  biochimica in biotehnologii”, Editura Alma – Galati – 2001; 5.V. M. Macovei – „Culegere de caracteristici termofizice pentru biotehnologie si industria alimentara. Tabele si diagrame”, Editura – Alma – Galati – 2000; 6.Lucian Gavrila „Transporul fluidelor”, Editura tehnica – Info, Chisinau – 2002; 7. C.F.Pavlov, P.G. Romankov, Romankov, A.A. Noskov, ‘’Procese ‘’Procese si aparate aparate in industria chimica,, ,Exercitii si probleme.

56