Модернизация оборудования (дезодоратор UNISTOK 822CHC, пленочная тарелка, кристаллизатор - вымораживатель) для рафинации подсолнечного масла цеха комплексной очистки жиров (дипломный проект)

Тема дипломного проекта – «Модернизация оборудования цеха комплексной очистки жиров в условиях ОАО «ЭФКО» г. Алексеевка.
Проект включает 110 страниц пояснительной записки, 11 листов графической части, 14 таблиц, 16 рисунков, 23 источник используемой ли-тературы.
Дипломный проект посвящен важной и актуальной теме: создание оборудования для рафинации подсолнечного масла.
Предлагаемый дезодоратор состоит из пленочной и барботажной ча-сти, причем пленочная часть выполнена в виде тарелок, кроме того, дез-одоратор оснащен системой рекуперации теплоты, состоящей из змееви-ков, по которым прокачивается масло, подаваемое на дезодорацию.
Внедрение тарелок в условиях работы с большими жидкостными и низкими газовыми нагрузками позволяет равномерно распределять масло и осуществлять более полный контакт инертного газа с ним, что в свою очередь приводит к снижению расхода инертного газа и общего времени дезодорации и соответственно к повышению качества готового продукта.
Внедрение предлагаемого кристаллизатора позволяет повысить каче-ство подсолнечного масла путем вымораживания из него восковых ве-ществ, вызывающих помутнение при низких плюсовых температурах.
В проекте представлены инженерные расчеты проектируемого обору-дования, обеспечивающие работоспособность объектов исследования. Приведены расчеты технико-экономических показателей, а также меро-приятия по обеспечению безопасности и экологичности проекта.






Содержание
Введение 8
1 Анализ современных объектов аналогичного назначения 
1.1 Технология производства и технологическая схема рафинации растительных жиров (масел) на ОАО«ЭФКО» 
1.2 Аппаратурное оформление линии комплексной очистки масла 17
1.3 Патентная проработка проекта 22
1.3.1 Дезодоратор с насадками в виде цепей 22
1.3.2 Устройство для дезодорации масел и жиров 23
1.3.4 Пленочный дезодоратор 23
1.3.4 Современные конструкции и новые способы вывода воскообразных веществ из подсолнечного масла 24
1.4 Формулирование идеи и обоснование технического решения 24
2 Описание разработанного проекта 26
2.1 Кристаллизатор-вымораживатель 26
2.2 Дезодоратор 27
3. Инженерные расчеты 30
3.1 Технологический расчет процесса дезодорации 30
3.2 Гидродинамический режим работы барботера 31
3.3 Конструктивный расчет дезодорационной колонны 
3.4 Тепловой расчет кристализатора 43
4 Сведения о монтаже, эксплуатации и ремонте оборудования 62
4.1 Монтаж дезодоратора 62
4.2 Изоляция тепловой аппаратуры 66
4.3 Организация работ по монтажу 67
4.4 Монтаж кристаллизатора 73
4.5 Ремонт и техническое обслуживание кристаллизатора 
4.6 Сведения об эксплуатации кристаллизатора 76
5 Схема автоматизации линии дезодорации жиров 78
5.1 Выбор параметров контроля, сигнализации и регулирования 78
5.2 Выбор приборов, регуляторов и средств автоматизации 79
6 Безопасность и экологичность проекта 85
6.1 Безопасность жизнедеятельности в производственной среде. 85
6.2 Экологическая безопасность 90
6.3 Защита работающих и материальных ценностей при возникновении чрезвычайных ситуаций 91
7 Бизнес-планирование и технико-экономические расчеты 
7.1 Бизнес-план реализации проекта 94
7.2 Технико – экономические расчеты 101
Список использованных источников 111
Заключение 114
Приложения 115




2 Описание разработанного проекта
2.1 Кристаллизатор-вымораживатель

Кристаллизатор состоит из двух панелей включающих пять охлади-тельных секций каждая, представляющих собой теплообменники типа ‘труба в трубе’, содержащих скребковые перемешивающие устройства для удаления намороженных кристаллов воска с внутренней трубной поверхности кристал-лизатора и двух шнековых прессов непрерывного действия для отделения сконцентрированного продукта от крупных кристаллов. Прессы имеют инди-видуальный привод. Мешалки кристаллизатора приводятся в движение по-средством цепной передачи с приводом, монтирующимся на раме.
Работа кристаллизатора осуществляется следующим образом:
- Масло подается насосом в загрузочный патрубок из промежуточной емко-сти;
- после включения электродвигателя привода кристаллизатора, а затем дви-гателя пресса, масло из емкости подается во внутритрубное пространство кристаллизатора;
- одновременно в межтрубное пространство подается кипящий хладон-22 для охлаждения масла;
- при движении по трубному пространству масло охлаждается, попадает в зону кристаллизации, проходит область роста кристаллов и попадает в шнековый пресс, где происходит кристаллообразование восковых веществ и поступает в рубашку пресса;
Разогрев и подплавление кристаллов воска производиться за счет сил внутреннего трения его и трения о детали корпуса и шнека пресса. Пуск и остановка кристаллизатора производиться с пульта управления.
В кристаллизаторе происходит созревание кристаллов восков и обра-зование в них так называемой «сетки».
Секция охладительная, служит для охлаждения исходного продукта и последующей его кристаллизации и состоит из двух труб 6 и 7 теплообменни-ка типа ‘труба в трубе’ внутри которого размещен вал 9 с установленными на нем втулками 10 со скребками 18 и толкателем 19. Вал приводится во враще-ние с помощь промежуточного вала 5, установленного в промежуточную опору 1 с радиально сферическими шарикоподшипниками. С целью исключе-ния потерь продукта и попадания нежелательных примесей секция имеет сальниковые уплотнения с каждой стороны. Передача крутящего момента на промежуточный вал осуществляется через звездочку 4 насаженную на вал с помощью цепной передачи.
Нерасчетные режимы при работе кристаллизатора могут возникать при резких нарушениях состава исходного продукта, приводящих к недопу-стимым перегрузкам скребковой мешалки и электродвигателя. При перегруз-ках электродвигателя возникает опасность выхода из строя самого электро-двигателя, а также создаются условия для заклинивания мешалки в рабочей камере смесью. После заклинивания требуется остановка, разборка и провер-ка охладительных секций.
Нерасчетным режимом является также продолжительная работа пресса при малой нагрузке. Этот режим недопустим по следующим причинам:
- снижается производительность настолько, что возможно ухудшение каче-ства продукта;
- малая загрузка электродвигателя свидетельствует об уменьшении или даже прекращения подачи масла и кристаллов воска в пресс.

2.2 Дезодоратор

Дезодоратор выполнен в виде колонны 1, содержащей встроенные си-стемы рекуперации теплоты 2. Масло дезодорируется, контактируя с перегре-тым острым паром, подаваемым в барботеры 6.
Барботеры представляют собой концентрические перфорированные трубы, уложенные у днища как насадочной так и рекуперационной колонн. Отверстия для выхода пара из барботера выполнены с фасками, что позволя-ет избежать их забивание нагаром.
В верхней части колонны укреплена питающая тарелка 3, на которую поступает мало. В центре тарелки укреплен сливной стакан с отверстием для входа патрубка, подающего масло. К борту тарелки приварены кронштейны, которые опираются на лапы, приваренные к стенкам корпуса аппарата. При помощи регулировочных винтов тарелка устанавливается по уровню.
Пары из дезодоратора отводятся по центральной газоотводной трубе 5.
Для рекуперации теплоты нижняя колонна оснащена тремя змеевика-ми, в два из которых подается масло, поступающее на дезодорацию. Третий змеевик, который находится в центральной камере нижней колонны, исполь-зуется только для охлаждения масла при остановке секции дезодорации.
С целью повышения качества дезодорации, две верхние тарелки дез-одоратора снабжены дополнительными выпарными секциями, установленны-ми под основной, и установленными в каждой выпарной секции коническими тарелками, многоструйными паровыми форсунками низкого давления и нако-пителя масла, при этом перепускная труба установлена так, что ее нижний ко-нец расположен в накопителе, многоструйные паровые форсунки низкого давления укреплены в дне накопителя и соединены с патрубками подвода острого пара, а конические тарелки установлены над другой с зазором и каж-дая имеет закрепленную в ней опорную втулку, причем опорные втулки раз-мещены одна в другой и соосно с перепускной трубой, нижняя трубная доска каждой выпарной секции выполнена в виде воронки, а патрубки отвода вто-ричных паров закреплены на ней (рис. 2.1).







3. Инженерные расчеты
3.1 Технологический расчет процесса дезодорации

При технологическом расчете процесса дезодорации определяют со-став дистиллята и кубового остатка (дезодорированного масла), а также рас-ход острого водяного пара [1].
В процессе дезодорации масел и жиров масса отгоняемых веществ настолько мала, что ее не принимают во внимание. При дезодорации, совме-щенной с отгонкой жирных кислот, количество дистиллята существенно больше. В обоих вариантах расчет сводится к определению необходимого ко-личества острого пара. Кроме заданных параметров (температуры и давле-ния) учитывают массовую долю жирных кислот в масле до и после дезодора-ции, так как об отгонке одорирующих веществ судят по остаточному содер-жанию жирных кислот [1].
При расчете дезодорации масел свободные жирные кислоты считают единым компонентом, давление пара которого принимают равным давлению пара индивидуальной жирной кислоты с молекулярной массой равной сред-ней молекулярной массе свободных жирных кислот. Для подсолнечного мас-ла – это олеиновая кислота [1].
Расход пара для непрерывного процесса определяется из условий од-нократного испарения. Для двухкомпонентной смеси (триглицериды – олеи-новая кислота) расчет проводится по уравнению [1]:

, (3.1)

где Gп - расход водяного пара, кг/ч;
Gж - производительность по маслу, кг/ч, Gж = 4000 кг/ч;
p0 - давление пара чистого компонента (олеиновой кислоты), Па, p0 = 1162 Па;
z1, z2 - начальное и конечное содержание жирных кислот, % масс., z1 = 2 % масс., z2 = 0,1 % масс.;
x2 - мольная доля жирных кислот в масле на выходе из дезодоратора, %;
р = р0*х2 – парциальное давление, Па, р = 16,3 Па;
рап – давление в дезодораторе, Па, рап = 530 Па;
φ - коэффициент, учитывающий полноту насыщения водяного пара пара-ми летучих веществ, φ = 0,8;
282 - молекулярная масса олеиновой кислоты;
18 - молекулярная масса воды.
кг/ч.

3.2 Гидродинамический режим работы барботера

Суть перегонки состоит в перемещении паров летучих веществ из жид-кости в пар. Движущая сила процесса пропорциональна разности между имеющейся концентрацией перемещаемого компонента в жидкой фазе и кон-центрацией этого же компонента в жидкой фазе при наступлении равновесия между жидкостью и паром. Скорость перехода перемещаемого компонента из одной фазы в другую зависит от условий массопереноса, в первую очередь от площади поверхности контакта фаз.
Гидродинамика барботажных аппаратов зависит в основном от разме-ров газовых пузырей, доли газовой фазы в паромасляной смеси, скорости га-за в полном сечении аппарата и в сечении, занятом газом, скорости подъема пузырей.
Гидродинамический режим рассчитан для следующих условий: высота смешанного слоя над парораспределяющим устройством 0,1 м, суммарная поверхность слоя 7 м2 (определено ориентировочно, с учетом габаритов ап-парата), общий расход острого пара 2,3 кг/ч, давление в аппарате 0,4 кПа, температура масла 250 °С. Расчет гидродинамических показателей работы дезодоратора проводим для уровня, соответствующего той высоте паромас-ляного слоя, на которой находятся средние значения плотности пара и, соот-ветственно, объем пузыря. Расчет данного дезодоратора усложняется тем, что не известно паросодержание смешанного слоя и, соответственно, плотность и давление пара на определенном уровне. Принимаем допущение, что в режиме раздельного всплывания пузырь имеет «отрывной» диаметр 5мм. Плотность пара в пузыре:

, (3.2)

где R – газовая постоянная для водяного пара, Дж/кг, R = 462 Дж/кг;
Тп – абсолютная температура, К, Тп = 523 К.
ρп = 530 / (462 . 523)=2 . 10-3кг/м3 .
С учетом деформации пузыря скорость его всплывания:

, (3.3)

где σ – поверхностное натяжение масла, Н/м, σ = 0,84 Н/м;
rпз – радиус пузыря, м, rпз = 0,0025 м;
ρп – плотность пара, кг/м3;
ρж – плотность масла, кг/м3, ρж = 764 кг/м3.
.
Удельная фиктивная скорость газа определяется как

, (3.4)

где Qп – объемный расход газа, подаваемого в слой жидкости, м3/с, Qп = 2,21 м3/с;
Аап – площадь сечения парожидкостного слоя, м2, Аап = 7 м2.
νF = 2,21/7=0,32 м/с.
Основной характеристикой двухфазного динамического слоя является объемное газосодержание, которое определяется как отношение удельной скорости газа к скорости всплывания пузыря:

(3.5)

ε = 0,32 / 0,68 = 0,47.
Для того, чтобы рассчитать объемный расход и скорость истечения па-ра в парораспределительном устройстве, необходимо определить параметры пара на входе в отверстия барботера. Эта задача довольно сложная. Насы-щенный пар, подаваемый в дезодоратор, имеет давление в трубопроводе пе-ред подпорной шайбой 0.2...0.3 МПа (2...3 кгс/см2). По ходу оно меняется дважды: сначала за подпорной шайбой, то есть в парораспределяющем устройстве, поскольку в дезодораторе поддерживается низкое давление, затем на входе в слой масла непосредственно у распределительного устройства пара в виде пузырей.
Перепад давлений на входе и выходе пара из отверстий барботеров обусловлен потерями статического давления на преодоление местных сопро-тивлений, на создание скорости при истечении через отверстия и на преодоле-ние сил гидравлического сопротивления жидкой среды – масла в момент об-разования пузыря или на входе струи, если пузырь формируется не у самого отверстия.
Примем скорость пара в отверстии барботера равной 16,2 м/с. Мини-мальное давление пара на входе в отверстие барботера:

, (3.6)

где рст - статическое давление над барботером, Па,

, (3.7)

где dот – диаметр отверстия, м, dот = 0,0015 м;
hсм – высота смешанного слоя над заданным уровнем, м, hсм = 0,3 м;
ρсм – плотность смеси, кг/м3;
ξм – коэффициент гидравлического сопротивления, ξм = 0,35.
Па;
Па.
Если давление пара в барботере будет равно давлению над ними, ско-рость в отверстии будет нулевая; если меньше – произойдет затопление мас-лом парораспределяющего устройства.
Значение средней плотности пара и соответственно среднего в смешан-ном слоедиаметра пузыря находится на уровне 0,09 м от поверхности, где со-здается давление 2,2/2=1.1 кПа. При снижении давления в 2 раза объем пузы-ря увеличивается вдвое, а диаметр – в 1,26 раза. Получаем, что средний диа-метр поверхностно-объемный диаметр для данных параметров составляет 6,3 м. Площадь поверхности раздела фаз определяется уравнением:

(3.8)

где А – поверхность раздела фаз в единице объема смешанного слоя, м2/м3.
м2/м3.
Траектория всплывания пузырей будет несколько отклонятся от верти-кал в результате проточного движения масла (так называемое перекрестное движение фаз). При скорости движения масла 4...5 м/с время контакта фаз увеличится примерно на 10 %. Пузыри, если их диаметр превышает 6 мм, ве-дут себя не как жесткие сферы, они деформируются и совершают флуктации относительно вертикали. В результате гидравлического сопротивления жид-кости возникают вихри, которые способствуют перемешиванию масла в непо-средственной близости от всплывающих пузырей.

3.3 Конструктивный расчет дезодорационной колонны

3.3.1 Расчет толщины слоя изоляции и расчет потерь теплоты в окру-жающую среду
Так как температура внутри аппарата достигает 250 – 260 °С , то воз-никает возможность ожога обслуживающего персонала с наружной поверхно-стью корпуса. Санитарные нормы и правила допускают температуру поверх-ности корпуса °С, поэтому рассчитаем толщину слоя изоляции, кото-рым необходимо покрыть корпус аппарата.
Толщину тепловой изоляции ,м, находят из равенства удельных тепловых потоков через слой изоляции и от поверхности изоляции в окружа-ющую среду:

, (3.9)

где αв - коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляционного ма-териала в окружающую среду, Вт/(м2·К),

, (3.10)

где tст1 - температура изоляции со стороны аппарата, °C, tст1 = 250 °C;
tв - температура окружающей среды, °C, tв = 20 °C;
tст2 - температура изоляции со стороны окружающей среды, °C, принима-ем tст2 = tп = 40 °C;
λи - коэффициент теплопроводности изоляционного материала, Вт/(м·К).
В качестве материала для тепловой изоляции выберем стекловату URSA М15, имеющий коэффициент теплопроводности Вт/(м·К).
Вт/(м2·К).
Из уравнения (3.9)

, (3.11)

м.
Принимаем δи = 40 мм.
Количество тепла Q, Вт, отдаваемое в окружающую среду, равно:

, (3.12)

где F – общая площадь дезодоратора, м2;
Rн – радиус насадочной колонны, м, Rн = 0,7 м;
Нн – высота насадочной колонны, м, Нн = 6,143 м;
Rр – радиус рекуперативной тарелки, м, Rр = 1,5 м;
Нр – высота рекуперативной тарелки, м, Нр = 6,31 м;
l – длина переходной части, м, l = 0,9 м.
Вт.

3.3.2 Расчет обечайки
Стенка обечайки аппарата находится под действием наружного избы-точного давления (так как внутри колонны вакуум 400 - 550 Па).
Расчетную температуру tр, °C, примем равной температуре масла, т.е. tр = 250 °C; расчетное наружное давление Рн.р, МПа, принимаем равным двум атмосферным, т.е. Рн.р = 0,2 МПа.
Модуль упругости для стали 12Х18Н10Т при температуре 20 °C Е20 = 2,0 . 105 МПа; при рабочей температуре Е = 1,97 . 105 МПа.
Допускаемое напряжение, МПа
- в рабочем состоянии

, (3.13)

где η – коэффициент, учитывающий вид заготовки (для стального проката η = 1);
σ* - допускаемое напряжение стали 12Х18Н10Т при расчетной температу-ре, МПа, σ* = 136 МПа.
МПа;
- при гидравлическом испытании

, (3.14)

где - предел текучести для стали 12Х18Н10Т при 20 °C, МПа, = 204 МПа.
МПа.
Принимаем коэффициент запаса устойчивости:
- в рабочем состоянии nу = 2,4;
- при испытании nу.и. = 1,8.
Определим расчетные коэффициенты по формулам

, (3.15)

. (3.16)

Коэффициент К2 находим по монограмме.
Для дезодорационной колонны
;
;
К2 = 0,8.
Для рекуперационной колонны
;
;
К2 = 0,6.
Расчетная толщина обечайки корпуса в первом приближении Sр, м

. (3.17)

Для дезодорационной колонны
м.
Для рекуперационной колонны
м.
Исполнительная толщина стенки обечайки

, (3.18)

где С – конструктивная прибавка на коррозию, м. примем С = 0,001 м;
С0 – прибавка из условия округления толщины стенки до ближайшей большей стандартной величины, м.
Для дезодорационной колонны
мм.
Для рекуперационной колонны
S мм.
Определим критическую длину обечаек

, (3.19)
Для дезодорационной колонны
м.
Для рекуперационной колонны
м.
Определим к какому типу обечаек относятся рассчитываемые из сле-дующего условия:
- если Н > lкр, то обечайка является длинной;
- если Н < lкр – короткой.
Обе обечайки являются короткими. Такие обечайки теряют устойчи-вость с образованием трех, четырех и более волн смятия.
Допускаемое рабочее давление из условия прочности:
- при рабочих условиях , МПа,

, (3.20)

- при гидравлическом испытании , МПа,

, (3.21)

Для дезодорационной колонны
МПа;
МПа.
Для рекуперационной колонны
МПа;
МПа.
Допускаемое давление из условия устойчивости в пределах упругости:
- в рабочих условиях , МПа

, (3.22)

где В1 – расчетный коэффициент, определяемый

; (3.23)

- при испытаниях , МПа

. (3.24)

Для дезодорационной колонны
;


Для рекуперационной колонны
;


допускаемое наружное давление с учетом условий прочности и устой-чивости:
- в рабочем состоянии , МПа

, (3.25)
- при испытаниях , МПа

, (3.26)

Для дезодорационной колонны
МПа;
МПа.
Для рекуперационной колонны
МПа;
МПа.
Рассчитаем давление при гидравлических испытаниях Ри, МПа

, (3.27)

где - допускаемое напряжение для стали 12Х18Н10Т при 20 °C, МПа, = 160 МПа.
МПа.
Проверим условия устойчивости обечайки:
- в рабочих условиях Рн.р.< (0,2 < 0,21);
- при испытании Ри< (0,27 < 0,28).

3.4 Тепловой расчет кристализатора

Продукт поступает в трубное пространство, где охлаждается и перехо-дит в зону кристаллообразования. Хладон-22 поступает в межтрубное про-странство теплообменника.