Содержание к диссертации
Введение
1. Инженерные и научные проблемы производства пектинопродуктов 11
1.1 Перспективы производства и области использования пектиносодержащих продуктов 11
1.2 Анализ перспективных способов сушки пектинового экстракта и конструкторских решений для его осуществления 23
1.3. Цели, задачи и структура исследования 26
2. Термодинамический анализ закономерностей взаимодействия пектина с водой на основе изучения физико-химических, гигроскопических и теплофизических свойств 29
2.1 Теплофизические и структурно-механические характеристики пектиновых концентратов 29
2.2 Гигроскопические характеристики и термодинамика взаимодействия пектина и воды 40
3. Изучение кинетики сушки пектинового экстракта с учетом влияния основных факторов на интенсивность тепломассобмена 54
3.1 Экспериментальное исследование механизма и кинетики сушки пектинового экстракта 54
Методика проведения экспериментов по изучению кинетики сушки пектинового экстракта на опытно-промышленной установке 56
Планирование, погрешность и результаты экспериментов 59
3.2 Зависимость удельной производительности сушильной установки от влияющих факторов 63
3.3 Совершенствование тепломассообменных процессов и влияние основных факторов при сушке пектинового экстракта 64
Влияние начальной влажности пектинового экстракта на удельный съем сухого продукта 64
Влияние температуры сушильного агента на удельный съем сухого продукта 65
3.4 Тепломассообмен при распылительной сушке пектинового экстракта 65
4. Исследование и совершенствование процесса акустического распыливания пектинового экстракта 72
4.1 Анализ способов распыливания жидких продуктов и конструкций распылительных устройств 72
4.2 Исследование влияния основных факторов на газожидкостный факел при распыливании пектинового экстракта 77
4.3 Критериальное уравнение акустического распыливания
5. Расчет температурных полей путем реализации модели тепломассопереноса при распылительной сушке пектинового экстракта 84
6. Рекомендации по практическому использованию результатов исследований для совершенствования процесса сушки пектинового экстракта 90
Общие выводы и заключение 97
Список использованной литературы 100
- Анализ перспективных способов сушки пектинового экстракта и конструкторских решений для его осуществления
- Гигроскопические характеристики и термодинамика взаимодействия пектина и воды
- Зависимость удельной производительности сушильной установки от влияющих факторов
- Исследование влияния основных факторов на газожидкостный факел при распыливании пектинового экстракта
Введение к работе
Актуальность работы Вследствие загрязнения окружающей среды проблема функционального питания по значимости занимает ведущее место в мире
Пектиновые вещества, обладающие протекторными свойствами по отношению к радионуклидам и тяжелым металлам, могут быть востребованы для лечебно-профилактического питания населения зон экологического неблагополучия
Анализ тенденций развития технологий пектина показывает важность разработки технологических процессов, обеспечивающих экологическую безопасность производства при высоком качестве конечного продукта.
Сложность получения пектина с прогнозируемыми структурой, химическим составом и свойствами объясняется многообразием пектиносодержащего сырья, требующего индивидуального подхода при его переработке, где наиболее энергоемким, определяющим качество конечного продукта процессом является сушка пектиновых экстрактов, связанная с кинетикой внутренних и внешних тепло- и массообменных процессов, зависящих от гигроскопических и термодинамических характеристик продукта и сушильного агента. Учитывая то, что термическое воздействие на пектины, являющиеся высокомолекулярными соединениями, приводит к частичной деструкции, что обусловливает снижение их студнеобразующей и лечебно-профилактической способности, выбор рационального способа «бережной» сушки при интенсификации тепломассообмена и гидродинамики процесса актуален и представляет научный и практический интерес
Настоящая диссертационная работа выполнена в рамках «Перечня критических технологий Российской Федерации», национального приоритетного проекта «Развитие агропромышленного комплекса», а также в соответствии с координационным планом НИР АГТУ и региональной программой «Создание в Астраханской области комплекса по производству сухих плодоовощных продуктов, переработке и утилизации отходов и производство на их основе кормов, кормовых добавок и других продуктов и товаров» на кафедре «Технологические машины и оборудование» АГТУ
Целью работы является разработка рационального режима тепломассообмена при конвективной распылительной сушке пектинового экстракта и конструктивных особенностей сушильных установок
Задачи работы:
Анализ способов сушки и конструкций установок для обезвоживания пектинового экстракта с учетом энергозатрат, интенсивности процесса и требований экологической безопасности,
Расчет и аппроксимация теплофизических и структурно-механических характеристик пектиновых концентратов в температурных и влажностных диапазонах обезвоживания для анализа механизма и моделирования распылительной сушки Термодинамический анализ процесса сушки пектинового экстракта на основе изучения статических закономерностей влагоудаления,
Экспериментальное изучение и анализ кинетики сушки пектинового экстракта,
Экспериментальное исследование процесса распыления пектинового экстракта, обобщение результатов и получение основных расчетных зависимостей для рационального проектирования сушилок,
Выбор рационального режима и конструктивных параметров устройства для распиливания пектинового экстракта; вида и размеров сушильной камеры для интенсификации процесса сушки при уменьшении габаритов установки и очистного оборудования, исключения загрязнения стенок сушильной камеры
- Разработка рационального способа конвективной распылительной сушки пектинового экстракта путем получения зависимостей удельного съема сухого продукта от влияющих факторов,
-Численная реализация математической модели сушки пектинового экстракта для расчета температурных полей и распространения полученных данных на подобные продукты,
-Разработка практических рекомендаций по выбору рациональных вариантов организации процесса сушки и конструктивных особенностей сушильной установки для пектинового экстракта и продуктов ему подобных
Объект исследования Гидромеханические и тепло-массообменные процессы при распылительной сушке низкоконцентрированного пектинового экстракта.
Методика исследований Исследования по интенсификации тепломассоопере-носа базировались на изучении гидродинамики распыления пектиновых экстрактов, термодинамическом анализе теоретических и экспериментальных данных по кинетике обезвоживания тонкодисперсных частиц с учетом энергетики взаимодействия воды с пектином и температурных режимов, определяемых при численном моделировании процесса распылительной сушки на основе динамики изменения характеристик пектинового концентрата
Достоверность результатов исследования Теоретической и методологической основой настоящего исследования стали анализ и обобщение известных отечественных и зарубежных работ по тепло и массообмену, особенно в технологии пектинов, проведение экспериментальных исследований с использованием оригинальных аналитических и эмпирических методов Адекватность опытньш данным полученных автором уравнений подтверждена статистической обработкой результатов измерений Предложенные варианты модернизации сушилки реализуются по апробированным методам рационального проектирования и конструирования аппаратов. Получение, анализ и обработка теоретических и экспериментальных данных проводились с использованием современных приборов и опытно-промышленных установок с привлечением математического аппарата и программного обеспечения
Научная новизна Рассчитаны и обобщены тешюфизические (ТФХ) и структурно-механические (CMC) характеристики пектиновых концентратов в зависимости от температуры и влажности продукта, аппроксимированные эмпирическими уравнениями для диапазонов обезвоживания с использованием литературных данных и формул аддитивности
При термодинамическом анализе и выборе интенсивного способа обезвоживания выявлено отрицательное значение термоградиентного коэффициента при низком содержании сухих пектина веществ
Определены влияющие на параметры факела распыла факторы, их рациональные значения и технологические ограничения при тонкодисперсном распыле пектинового экстракта акустическими форсунками и рациональные режимные параметры процесса сушки Получено уравнение процесса распыления в обобщенных переменных
Проведен анализ температурных режимов, разработанных на основе численной реализации математической модели сушки пектинового экстракта
Получены эмпирическое уравнение зависимости удельного съема сухого продукта и кинетические коэффициенты в зональных полиноминальных зависимостях скорости сушки от влияющих факторов
Практическая значимость работы Рекомендованы пути усовершенствования традиционных способов сушки пектинового экстракта и модернизация конструкции сушилки для осуществления рационального варианта процесса обезвоживания
Разработан рациональный способ конвективной распылительной сушки пектинового экстракта
Выбран режим распыливания, конструктивные параметры распылительного устройства, вид и размеры сушильной камеры для процесса сушки
Предложены и реализованы рациональные режимы и модернизация конструкции сушильной камеры для пектинового экстракта и ему подобных продуктов
Внедрение результатов работы позволяет
- повысить эффективность распыления пектинового экстракта и улавливания го
товой продукции, скорость процесса сушки и качество пектина,
- сократить энергозатраты при сушке и распылении пектинового экстракта
Работы «Оригинальные технологии сухих пектиносодержащих продуктов и
кормовых дрожжей на основе сырьевой базы и утилизации промышленных отходов Астраханской области» и «Оригинальная безотходная технология глубокой переработки плодов и овощей и производства пектина» проводимые в соответствии с региональной программой и отмечены дипломами, серебряной и золотой медалями на VI и VII Московских международных салонах инноваций и инвестиций На защиту выносится
-
Пути усовершенствования традиционных способов сушки пектинового экстракта и модернизация конструкции сушилки для осуществления рационального варианта процесса обезвоживания
-
Рациональный режим распыливания, конструктивные параметры распылительного устройства, вид и размеры сушильной камеры
-
Уравнение процесса распыления в обобщенных переменных
-
Технологические ограничения и рациональные значения факторов, влияющих на параметры факела распыла и рациональные режимные параметры процесса сушки, уравнения зависимостей ТФХ, ФХС и гигроскопических характеристик от влияющих факторов Отрицательное значение термоградиентного коэффициента в диапазоне высоких влажностей
-
Уравнение зависимости удельного съема сухого продукта и кинетические коэффициенты в зональных полиноминальных зависимостях скорости сушки от варьируемых факторов
-
Температурные режимы, разработанные на основе численной реализации математической модели сушки пектинового экстракта.
-
Рациональные режимы и модернизация конструкции сушильной камеры для пектинового экстракта и ему подобных продуктов
Реализация результатов исследований Реализация мероприятий предложенных в диссертационной работе, позволяет решить проблемы экологической безопасности наряду с интенсификацией процесса сушки пектинового экстракта Основные результаты, выводы и рекомендации приняты к использованию на ЗАО «Астраханский пектин» где в рамках договора с НИиВЦ прикладной биотехнологии АГТУ осуществлены модернизация, пуск и наладка сушильной установки УРС-150, а также реализованы рациональные режимные параметры распыления и сушки пектинового экстракта из кормового арбуза. Проведенный на ЗАО «Астраханский пектин» анализ качественных показателей пектина из кормового арбуза показал их соответствие утвержденным нормативным документам
Апробация работы Основные результаты исследований доложены и обсуждены на Научно-практической конференции «Российский пектин история, настоящее, перспективы» в ВГАУ им К.Д Глинки (г. Воронеж, 2006r )
Публикации По теме диссертации опубликовано 9 научных работ, в том числе 3 в изданиях по перечню ВАК РФ, в том числе 1 патент РФ
Личный вклад автора Автор представил в диссертации только те результаты, которые он получил лично, в том числе постановка цели и задач исследования, методика проведения экспериментов, анализ и обобщение результатов теоретических и проведение экспериментальных исследований, корректировка модели и ее численная реализация, выработка рекомендаций по рациональному способу распыления и сушки, а также конструкциям для их осуществления Предложена модернизация конструкции сушильной камеры и ряд вариантов рационального проведения процесса
Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов и заключения, списка литературы и приложений Основное содержание работы изложено на 172 страницах машинописного текста, в том числе 5 таблиц, 36 рисунков, 60 страниц приложений, список литературы из 158 наименований работ отечественных и зарубежных авторов
Анализ перспективных способов сушки пектинового экстракта и конструкторских решений для его осуществления
Перспективность развития пищевой отрасли в РФ, а в особенности в Южном Федеральном округе и, в частности, Астраханской области очевидна, учитывая специфику региона являвшегося традиционно аграрным и рыболовным краем. Современное состояние пищевой промышленности в Астраханском регионе до последнего времени характеризовалось спадом производства, недостаточным материально-техническим обеспечением, разрывом связей в различных сферах, что требует развития агропромышленного комплекса на основе совершенствования и создания новых безотходных, экологически безопасных технологий и оборудования. Исходя из современной федеральной и региональной концепции развития промышленности в Астраханском регионе, в настоящее время развиваются пищевая, кормовая и химико-фармацевтическая отрасли. В связи с этим возникает ряд сложных научно-производственных задач, как в области образования, так и в промышленности, требующих скорейшего решения.
В частности, в настоящее время уделяется большое внимание нетрадиционным способам переработки сырья животного и растительного происхождения, производству замороженных, сухих кусковых, порошковых, экструдированных (экспандированных) и гранулированных лечебно-профилактических, пищевых и кормовых продуктов. Однако внедрение и надежное экономичное функционирование данных технологий сдерживается отсутствием надежных способов и конструкций для диспергирования (распыление), концентрирования и сушки.
Одним из самых перспективных направлений развития агропромышленного комплекса Астраханской области является производство пектина и пектиносодержащнх продуктов из местного сырья. На настоящем этапе актуальным является создание оригинальных технологий сухих пектиносодержащих продуктов и пектина путем утилизации отходов пищевых, кормовых и с/х производств для повышения интенсивности предварительной обработки и сушки, а также обоснованного выбора высокоэффективного оборудования, методов его расчета, расширения ассортимента и повышения качества готовой продукции, а также утилизации промышленных отходов.
Кроме того, сегодня актуальны разработки, направленные на создание продуктов питания лечебно-профилактического назначения, так как экологическая обстановка в мире диктует необходимость использования в питании населения продуктов с защитными свойствами, в частности для Астраханской области, в связи с наличием ООО «Астраханьгазпром», крупнейшего в России нефте- и газоперерабатывающего и добывающего производственного комплекса, большого числа строительных и химических предприятий резко ухудшилась экологическая обстановка в регионе и г. Астрахани. Поэтому проведение и внедрение исследований, направленных на охрану и укрепление здоровья населения и рациональное использование природных ресурсов представляет научный и практический интерес.
Одним из ценных компонентов пищи, обладающий способностью связывать и выводить ионы токсичных и радиоактивных металлов является пектин.
Пектин в качестве пищевого продукта утвержден главным государственным санитарным врачом СССР 1.06.79 г. (письмом № 1984/79).
Состав пектинового порошка зависит от исходного сырья, так как различные фрукты, овощи, лекарственные растения содержат только им присущие компоненты.
Наиболее распространенным пектинсодержащим сырьем являются яблоки, цитрусовые, сахарная свекла, бахчевые культуры и др.
Пектин адсорбирует уксуснокислый свинец сильнее активированного угля. Он обладает активной комплексообразующей способностью по отношению к радиоактивному кобальту, стронцию, цезию, цирконию, рутению, иттрию и другим металлам, образуя соли пектиновой и пектовой кислот.
На основании вышеизложенного разработана технология получения порошков, содержащих пектин для использования в пищевых целях. Лечебно-профилактическая ценность определяется также наличием значительного количества биологически активных веществ: витамина С, флавоноидов и катехинов, обладающих р-витаминной активностью тритерпеноидов (урсаловой кислоты) с выраженной противосклеротической активностью, минеральных веществ.
Обогащение порошков пектином и получение таблетированных форм позволяют их рекомендовать для использования в лечебно-профилактических целях и в качестве продуктов специального назначения.
Пектины - широко используемые в промышленности природные соединения. По международной классификации пищевых добавок они имеют индекс Е 440, внесены в список пищевых добавок, разрешенных к применению в пищевой промышленности в Российской Федерации. Пектиновые вещества положительно оценены Объединенным Комитетом ВОЗ/ФАО по пищевым добавкам. Они признаны безопасными и эксперты решили не устанавливать для этих пищевых добавок предельно допустимых доз поступления (ADI) по токсикологическим и гигиеническим соображениям. В пищевой промышленности пектины также применяют в производстве зефира, мармелада, конфитюров, джемов, колбасных изделий, соков, йогуртов и некоторых других продуктов. В медицине и фармацевтике - в производстве детских гранул, суспензий, гелей, для придания вязкости эмульсиям, связывания ионов тяжелых металлов, лечения ран, выработки питательных сред и т.д. В косметической промышленности их применяют при производстве некоторых масок для лица и гелей.
Такая обширнейшая сфера применения пектинов, как ни странно, не повлекла за собой масштабное его производство в России и сопредельных странах.
В СССР было построено ряд предприятий по производству пектина яблочного - в Бендерах и Калининске в Молдавии, в Баре на Украине, в Газалкенте (Узбекистан), цех по производству жидкого пектинового концентрата на Солдатском консервном заводе Кабардино-Балкарии. Производство свекловичного пектина было отлажено в Гайсине (Украина), работы по освоению производства свекловичного пектина велись на Меркенском сахарном заводе в Казахстане.
В 1993 году Летичевским заводом продтоваров (Украина, Хмельницкая область) и Яреськовским заводом (Украина, Полтавская область) осуществлен выпуск опытных партий ряда пектинопродуктов - пектиновых экстрактов и концентратов, жидкого пектинсодержащего сахара из яблочных выжимок и свекловичного жома. В России, к сожалению производство пектина не развивалось и, как следствие не налажено.
Флагманы пектиновой промышленности СССР - заводы по производству пектина в Бендерах, Калининске и Баре были однотипные, в схему были заложены устаревшие технические приемы, что дало о себе знать при их эксплуатации -качество пектина было низким, потери продукта на производстве были значительными, заводы не работали на проектную мощность - период работы заводов составлял 5-6 месяцев в году.
Проблема выпуска пектина была настолько значима, что была создана Межреспубликанская межотраслевая научно-производственная ассоциация «Пектин», в которую вошли ведущие специалисты СССР, работающие по вопросам химии, технологии и применения пектина. Распад СССР, последующая экономическая нестабильность, локальные военные конфликты привели к закрытию производств пектина, которые были энергоемкими и высокозатратными. Пектин относят к биологически активным веществам, не имеющим энергетической ценности. Это отрицательно влияло при планировании мощностей в прошлом, когда главной задачей пищевой промышленности считалось производство высококалорийных пищевых продуктов. Отсутствие качественного отечественного пектина приводило к закупке его за рубежом. Техника и технология производства, научные исследования в этой отрасли развивались слабо, не велась направленная подготовка кадров.
Гигроскопические характеристики и термодинамика взаимодействия пектина и воды
Для анализа движущих сил в процессе сорбции (десорбции) с целью выбора оптимальных режимов энергоподвода интересно рассчитать численные значения и получить функциональную зависимость от U и Г термоградиентного коэффициента массопереноса. При наличии температурного градиента в уравнение потока влаги необходимо ввести член учитывающий эффект Соре в растворе: ; -V VV7\ (2.19) где Ят - коэффициент влагопроводности; Ss - термодиффузионный коэффициент Соре. Термоградиентный коэффициент 8р, введенный в теорию Лыковым А.В. [76] является как и Ss составляющей относительного коэффициента термодиффузии S. Здесь Sp, является термодинамической характеристикой и равен 8, только в случае отсутствия влагообмена, т.е. при гигротермическом равновесии. Согласно [76],
На рис. 2.2.3 представлены результаты вычислений др по (2.24). Вид зависимости экстремальный, величина 5р имеет отрицательное значение при С/р 0,58 кг/кг, что является аномальным для большинства биополимерных продуктов. Влага на этом участке перемещается против потока тепла. Здесь, по-видимому имеет место явление экспериментально обнаруженное Б.В. Дерягиным и Г.П. Сидоренковым и названное «термоосмотическим эффектом». Скорость такого термоосмотического движения пропорциональна VT и не зависит от радиуса капилляра. Движение влаги в этом случае обусловлено взаимодействием её с молекулами продукта.
Общий поток влаги при малой влажности (адсорбционная влага) определяется, по- видимому [76], эффузией (кнудсеновским течением), осложненной уменьшением эквивалентных радиусов и разветвлением сети микрокапилляров в процессе сушки, и как бы их закупоркой.
Термоосмотический эффект определяет целесообразность объемных способов энергоподвода (конвективный, ИК, СВЧ, комбинированный). Использование кондуктивного энергоподвода нецелесообразно, так как термоосмотический эффект способствует более быстрой усадке, стеклованию и, вследствие высокой адгезии, сложности отделения сухого продукта от рабочей поверхности. 5p, 1/K
Уменьшение энтропийной составляющей (дифференциального изменения энтропии) до первой точки перегиба, как видно на рис. 2.2.2, свидетельствует о том, что вода при этом специфически ориентируется, образует водородные связи между собой и молекулами пектина, причем образующийся «монослой» поляризуется, поляризуя в свою очередь последующие слои. Согласно [122], гидратная оболочка должна обладать высокой степенью кооперативности, т.е. приводить к повышению степени упорядоченности системы. Т.е. воду, окружающую молекулы продукта можно рассматривать как льдообразную, сильно структурированную.
Между 1-ой и 2-ой сингулярными точками энтропийная составляющая начинает возрастать, где сорбция и набухание клеток продукта определяется чисто энтропийным фактором, определяющим условия термодинамического равновесия.
У большинства органических продуктов энтропийный член весьма мал по сравнению с изменением внутренней энергии [23]. Большое значение энтропийного члена говорит о наличии внутриклеточной структурной (осмотической и иммобилизационной) влаги, ввиду осмоса и набухания, а так же заполнения влагой при микрофильтрации через полупроницаемые оболочки газовых пузырьков и капилляров [92, 122, 144]. После влажности 0,75кг/кг происходит уменьшение энтропийной составляющей свободной энергии, которая в свою очередь приобретает существенное значение, что так же не характерно для большинства пищевых продуктов, у которых дифференциальное изменение связанной энергии асимптотически приближается к нулю при увеличении влагосодержания и говорит о «закупорке» капилляров, уменьшения размеров и исчезновения ячеек и пор, вследствие значительной сорбционной усадки.
Получены графические и полуэмпирические математические зависимости свободной, связанной энергии и термоградиентного коэффициента 8р для пектина от влажности и температуры, позволившие сделать ряд обобщений и технологических рекомендаций для оптимизации процесса сушки. Величина 5р имеет отрицательное значение при высоких влажностях, что свидетельствует о перемещении влаги против потока тепла, в отличии от большинства пищевых продуктов и в частности, для пектина где происходит разрушение большинства клеточных оболочек и образования полиячеистой структуры. Скорость такого термоосмотического движения пропорциональна УГ и обусловлена взаимодействием молекул пара и продукта, эффектом «защемленного» воздуха, расширяющегося при росте температуры и вытесняющего пар, наличием клеточных мембран и, как следствие, высоким содержанием осмотической, энтропийно связанной влаги. Это явление предопределяет выбор способа обезвоживания. Для интенсификации процесса сушки таких веществ целесообразно диспергирование продукта (распыление, кипящий слой), увеличение поверхности влагообмена. Явление термоосмотического эффекта говорит в пользу поверхностных (со стороны отвода влаги) или объемных способов энергоподвода. Как видно из приведенного выше анализа, зависимость коэффициентов переноса от влагосодержания материала определяется характером связи влаги.
Зависимость удельной производительности сушильной установки от влияющих факторов
Увеличение удельной производительности при уменьшении начальной влажности пектинового экстракта (рис. 3.2.1) очевидно, т.к. сокращается количество удаляемой влаги а, следовательно, и продолжительность процесса сушки, однако нижний предел начальной влажности ограничен (и н = 0,85 кг/кг), ввиду увеличения энергозатрат на диспергирование продукта при распылительной сушке.
Влияние температуры сушильного агента на удельный съем сухого продукта С увеличением температуры сушильного агента производительность существенно увеличивается (рис. 3.2.1), но при этом увеличивается температура продукта, что не желательно особенно при низкой влажности, так как термовоздействие резко снижает качество термолабильного пектиносодержащего порошка, в частности растворимость, желирующие и лечебно-профилактические свойства, которые определяют потребительский спрос на подобную продукцию, вследствие разложения ценных компонентов пектинового экстракта [151]. Анализ качественных показателей сухого пектинового порошка, в результате комплекса экспериментов и теоретического анализа технологических требований, позволил рекомендовать верхний предел температуры сушильного агента 423 К.
При распылительной сушке основной целью является создание высокоразвитой поверхности контакта взаимодействующих фаз. Вследствие чего распыление необходимо рассматривать в единстве и взаимосвязи со всеми явлениями, протекающими в аппарате.
При сушке и транспортировке частиц внутри сушильной камеры они могут коалесцировать, распадаться и т.д, при конденсации, испарении, осаждении твердых частиц на поверхности капель, что приводит к изменению их размера и массы, а также перемешиванию и стесненному осаждению.
С уменьшением размера капель увеличивается их удельная поверхность, при этом существует критический размер частиц, при котором скорость тепло- и массопереноса внутри капель минимальны.
Известным способом конвективной сушки жидких продуктов является сушка их в распыленном состоянии. Этот способ широко применяется для сушки истинных и коллоидных растворов, суспензий, эмульсий, пульп и «подвижных» паст в химической, пищевой, биологической, фармацевтической и других отраслях промышленности и, в частности, для сушки пектиносодержащих растворов, молока и молочных продуктов, яиц, фруктовых соков, витаминов, крови и кровезаменителей, мыла, синтетических моющих средств, томатных продуктов, кофе, крупяных отваров и т.п. [80].
При распылительной сушке частиц малых размеров (10 - 300 мкм) значительно повышается интенсивность сушки при увеличении поверхности контакта частиц и сушильного агента, а также резко сокращается продолжительность сушки. Большое значение для тепло- и массообмена имеет гидродинамика процесса сушки (траектория, скорость движения частиц и т.п.).
Исследованию процесса распыления и сушки в диспергированном состоянии посвящены основополагающие работы ряда отечественных и зарубежных ученых -Г.Н. Абрамовича, В.А. Андреева, А.С. Гинзбурга, СИ. Шапиро, С.Н. Жилова, Г.А. Кука, акад. АН УССР О.А. Кремнева, чл -корр. АН УССР А.А Долинского, И.И. Борде, П.Д Лебедева, Б.И. Леончика, М.В. Лыкова, Д.Г. Пажи, А.С. Лышевского, А.П. Фокина, Н.А. Фукса и др. (СССР), Ранца и Фрасера (США); Коларжа (ЧССР), Хаге (ФРГ) и др.
Распылительная сушка обладает рядом преимуществ, к которым можно отнести «мягкие» условия сушки при кратковременном термовоздействии, относительно высокая производительность и простота конструкций установок, высокая его растворимость готового продукта.
В [34] показано, что при интенсивном прогреве взвешенной высоковлажной частицы, в ней образуются пузырьки пара, расширение которого в замкнутой оболочке ведет к временному снижению скорости сушки («парниковый» эффект) и далее при разрыве оболочки резкому ее возрастанию, что видно на кривых скорости сушки экстремального вида, полученных автором данной работы (рис. 3.3.1, 3.3.2).
Характерные участки на кривых сушки и температурных полях, т.е. экстремумы, объясняются процессами прогрева, удалением свободной влаги в периодах постоянной скорости сушки, образование «сухой» корки на поверхности капли, сопровождаемое снижением скорости сушки и прогревом капли до температуры кипения раствора, при этом характерны образование пузырьков пара внутри капли и выброс их через разрывы корки наружу [34]. В связи со сложностью гидродинамической обстановки, в которой происходит сушка большого количества капель в потоке газа в условиях переменного режима рабочей камеры, закономерности механизма процесса обычно устанавливаются для сушки отдельных частиц при постоянном режиме. Экспериментально-аналитически изучалась кинетика обезвоживания пектинового экстракта при распылительной сушке путем получения кривых обезвоживания и скорости сушки для характерных зон и аппроксимирующих зависимостей скорости и кинетических коэффициентов сушки от варьируемых факторов для анализа механизма внутреннего тепломассопереноса
На рис. 3.3.1, 3.3.2 представлены кривые скорости сушки пектинового экстракта, полученные дифференцированием уравнений кривых обезвоживания многозонным методом [8,10], на базе которых можно найти время сушки. Для удобства расчета и анализа желательно, чтобы оба аргумента по которым ведется дифференцирование возрастали в процессе обезвоживания, а функция _ не была дт отрицательной ввиду уменьшения влажности продукта в процессе сушки, в связи с чем заменим влажность на концентрацию сухих веществ учитывая формулу их связи
Исследование влияния основных факторов на газожидкостный факел при распыливании пектинового экстракта
Расчет сушилок включает составление материального и теплового балансов, определение габаритных размеров аппарата, обеспечивающих заданную производительность по материалу (исходному или сухому продукту), а также выбор и расчет вспомогательного оборудования (калориферы, системы выгрузки и транспортирования сухого продукта, устройства для выделения продукта из потока газа и очистки отходящих газов). В результате теплового расчета определяют необходимое количество сушильных аппаратов и габаритные размеры каждого, расход топлива, газов, электроэнергии, воды и т.п. Исходя из результатов расчета, обосновывают рациональный способ сушки и конструкцию аппарата.
С целью повышения точности расчета целесообразно в отдельных случаях вводить поправочные коэффициенты на равномерность распределения материала и сушильного агента по поверхности тепломассобмена или объему сушильной камеры. Рассчитывают вспомогательное оборудование сушильной установки. При выборе сушильного оборудования и методики расчета необходимо учитывать технологические свойства материала как объекта сушки, кинетические закономерности его сушки в соответствующих условиях.
Для повышения точности расчета сушильного оборудования необходимо знание числовых величин теплофизических, массообменных и прочих коэффициентов объекта сушки, а также зависимости этих коэффициентов от температуры и влажности материала.
Обоснованием рациональности выбранного способа сушки и конструкции сушильной установки являются технико-экономические показатели процесса, в состав которых помимо показателей качества сухого продукта входят также удельные расходы теплоты, электроэнергии, газов и т.д.
Целью разработанной методики расчета является оптимизация режимных и конструктивных параметров для выбора рациональных технологической схемы, вида и размеров сушильной камеры и распылительного устройства, что позволит максимально повысить интенсивность процесса сушки, уменьшить габариты установок, исключить загрязнение стенок сушильной камеры и вспомогательного оборудования для очистки отходящих газов и эффективного улавливания готовой продукции.
Поставленная цель достигается рациональной увязкой определяющих параметров сушильной установки и процесса обезвоживания. К ним относятся: расходы продукта и теплоносителя, зависящие от исходных свойств (исходная концентрация, температурный режим, схема тепло-массопереноса: прямоток, противоток, перекрестный ток и т.д.); частота вращения дискового распылителя (в случае центробежного распыливания), определяющая поверхностно-объемный диаметр капель и радиус факела распыла. Оптимальное соотношение вышеуказанных параметров позволяет оптимизировать процесс сушки. Разработанная методика делает возможным оперативное управление процессом, в зависимости от технологических колебаний параметров и определять производительность и свойства конечного продукта при изменении исходных данных.
Одним из основных параметров определяемых при расчете распылительных сушильных установок, является радиус факела распыления и дальнобойность исходной смеси, по величине которых определяются габаритные размеры сушилок.
Степень дисперсности распыленной жидкости характеризуется средним диаметром капель. В расчетах тепло- и массообмена в процессе распылительной сушки используют понятие среднего объемно-поверхностного диаметра (так называемый диаметр Заутера). При этом полидисперсную систему капель условно считают монодисперсной с той же суммарной площадью поверхности и объемом капель. Для определения среднего диаметра капель при различных методах распыления получен ряд эмпирических формул, в которых учитываются как физические характеристики жидкости, так и параметры распыления.
Для исключения налипания диспергируемого продукта на внутреннюю поверхность сушильной установки максимальное значение дальнобойность факела распыления не должна превышать диаметр сушильной камеры.
Условия витания частицы в восходящем потоке идентичны условию равномерного осаждения частицы в неподвижной среде. Скорость, при превышении которой начинается унос частиц называют скоростью свободного витания. В нашем случае, практически во всем объеме будет наблюдаться либо свободное витание частиц, либо прямоток (воздух-частицы), поэтому скорость свободного витания, равная скорости уноса и скорости осаждения в неподвижной среде является минимальной скоростью частиц в аппарате.
Максимальной скоростью транспортировки частиц через аппарат будет скорость сушильного агента при идеальном прямотоке. Данная предельная скорость и определяет минимальное время пребывания частицы в аппарате, которое необходимо увязать с временем сушки. Из теплового расчета сушилки определен удельный расход теплоносителя на 1 кг испаренной влаги ..Рассчитываем для зимних условий работы распылительной сушилки, как для наиболее энергоемкого режима эксплуатации аппарата.
Определяем среднюю скорость теплоносителя в сушилке при идеальном прямотоке v , м/с. Определяем среднюю продолжительность пребывания частицы в сушилке при идеальном прямотоке / , с, принимая скорость частицы равной скорости теплоносителя.
Определяем скорость витания (осаждения) частиц Voc из критериального уравнения Re = а(ц/Аг)п с учетом режима осаждения, где ці - коэффициент формы части (приняв частицу шарообразной формы ц/ = 1). Рассматриваем предельные состояния сушильного агента и продукта в сушилке для определения технологических границ. В методике используются расчетные зависимости определяющих параметров сушки и распыления, разработанные автором и приведенные в главах 3,4.
Основные результаты, выводы и рекомендации приняты к использованию на ЗАО «Астраханский пектин», где в рамках договора с НИиВЦ прикладной биотехнологии осуществлены модернизация, пуск и наладка сушильной установки УРС-150, а также реализованы рациональные режимные параметры распыления и сушки пектинового экстракта из кормового арбуза (см. приложение 4).
Проведенный на ЗАО «Астраханский пектин» анализ качественных показателей пектина из кормового арбуза показал их соответствие утвержденным нормативным документам: «Пектин. - Регистрационное удостоверение № Р№001079/01-2002 от 06.02.2002г. ЗАО «Астраханский пектин». Министерство здравоохранения РФ», «Стандарт качества лекарственного средства «Пектин». Фармакопейная статья ЗАО «Астраханский пектин» № ФСП 42-0349-1928-01. Департамент государственного контроля качества, эффективности, безопасности лекарственных средств и медицинской техники. 2001 г.» (см. приложение 4).
Работы «Оригинальные технологии сухих пектиносодержащих продуктов и кормовых дрожжей на основе сырьевой базы и утилизации промышленных отходов Астраханской области» и «Оригинальная безотходная технология глубокой переработки плодов и овощей и производства пектина» проводимые в соответствии с региональной программой и отмечены дипломами, серебряной и золотой медалями на VI и VII Московских международных салонах инноваций и инвестиций.
