套管式超高殺菌機在食品, 尤其在黏度較大的液態食品上殺菌效果較好, 其殺菌過程與普通的管式殺菌機在結構上有所區別, 就此以10000型超高溫殺菌機在番茄醬生產中的應用為例闡述其設計過程及注意事項。
1) 物料處理量:10000kg/h
2) 進料溫度:70℃
3) 殺菌溫度:112℃
4) 使用蒸汽壓力:0.7MPa
本殺菌機的特點是采用套管式結構, 雙層夾套式的加熱方法, 即雙面加熱的方法對料液進行加熱滅菌。殺菌溫度為110℃, 這是管式超高溫殺菌的一種形式。其殺菌過程:進料→殺菌→保持→水冷卻→冰水冷卻→出料。
套管式殺菌機換熱面積計算分為兩部分:1) 殺菌段換熱面積的設計計算, 料液溫度的保持。2) 冷卻段換熱面積的確定。冷卻段換熱面積分為兩部分:水冷卻段的設計計算和冰水冷卻段的設計計算。
其中d=0.0535m, 取D57×2管徑。
采用套管殺菌, 其環形斷面積與之相等。假設夾套小徑管子直徑取外徑為D57×2規格管子, 即進蒸汽管子管徑為D57×2。根據料液在套管中的環形斷面積與進料管徑截面積相等原則, 確定大管管徑, 套管大徑為:
其中D=0.0714m, 取D76×3管子。蒸汽管道流速按45~55m/s選取, 確定蒸汽管道的管徑。
進入殺菌機前料液溫度為70℃, 殺菌后料液溫度為112℃, 過熱水溫度為120℃。
按無相變變溫傳熱計算對數傳熱溫差。超高溫殺菌過程實質是物料在管式換熱器中逐步溫升的過程。
本例從物料從70℃溫升至110℃, 設定為7個加熱溫升段, 平均溫升設約為6℃殼程采用過熱水加熱, 過熱水溫度為125℃每個預熱級的熱量。由于是無相變的變溫傳熱, 過熱水與料液有一側為逆向流動, 因此, 這里按逆流對數溫差計算傳熱溫差。
逆流:
總換熱面積:F=390600/1000×26.79×0.89=16.38m2
因為小管規格為D57×2, 大管規格為D76×3, 根據套管換熱面積計算值可確定選取套管的長度, 本例套管長度為6m, 保持管長度計算, 保持時間為9.5s, 按大管規格為D76×3計算保持管的長度:
其中管內流速:V=0.644m/s
管子長度:L=0.644×9.5=6.118m, 取6m。
設物料溫度由70℃升到84℃, 熱量:
換熱面積計算:
逆流:
換熱面積:F=148800/1000×24.99×0.89=6.69m2
其余是冷卻段換熱面積計算, 其方法與上述相同不再計算, 即第一步是采用冷卻水降溫, 第二步是采用冰水降溫, 其參數由生產工藝設計給出。其余換熱面積不再計算。
使用蒸汽壓力按0.7MPa計算, 加熱器采用板式換熱器:
蒸汽耗量:390600/497.4=785kg/h
本例套管殺菌為超高溫殺菌, 其特點是采用雙面套管式加熱的方法對物料進行殺菌。這種殺菌適合于黏度較大的物料的殺菌。套管式殺菌與其他殺菌一樣, 當殺菌溫度低于工藝要求值時必須考慮進行回流。在設計殺菌機過程中要充分利用物料的余熱或水的余熱對進料進行預熱, 這樣既可以降低殺菌后料液 (或水) 的溫度, 又可以提高進料溫度, 屬于余熱回收。在無菌灌裝系統中, UHT裝置在法蘭連接處引入具有一定溫度和壓力潔凈蒸汽的目的是為了保護法蘭連接處不被外界空氣侵入, 以確保產品的無菌, 這在殺菌段和冷卻段尤為重要, 可防止出現不合格產品。要按操作規程進行徹底清洗, 并清洗足夠時間。
套管式殺菌與其他殺菌不同之處就是采用雙面套管式的加熱方法對物料進行加熱殺菌, 這種殺菌會使料液受熱溫度更加均勻, 不易結垢, 適合于黏度較高的料液的殺菌。如果采用普通的管式殺菌的形式就可能導致結垢結焦加速, 因此要針對不同料液特性對殺菌的方法做出選擇, 這樣會使產品質量更加趨于穩定, 不至于出現殺菌效率低, 產品質量頻繁出現問題甚至無法正常生產的情況。
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