CC BY
18
УДК 664.8
Анализ эффективности работы распылительных сушилок при обезвоживании растительных материалов
Analysis of the efficiency of spray dryers during dehydration
of plant materials
Доцент Ю.А. Максименко, ассистент Э.Р. Теличкина, аспирант Р.С. Теличкин (Астраханский государственный технический университет) кафедра технологических машин и оборудования, тел. (8512) 61-41-91 E-mail: [email protected]
Associate Professor Yu.A. Maksimenko Assistant E.R. Telichkina, Graduate Student R.S. Telichkin
(Astrakhan State Technical University) chair of technological machines and equipment, tel. (8512) 61 -41 -91 E-mail: [email protected]
Реферат. Проведен комплекс экспериментально-аналитических исследований процесса распылительной сушки различных растительных материалов. Дана оценка влиянию на эффективность процесса распылительной сушки условий аэродинамического взаимодействия потоков и распределения полей температуры и влажности сушильного агента по высоте сушильной камеры. Выполнен анализ влияния основных факторов на производительность при конвективной и конвективно-радиационной распылительной сушке. Установлено, что использование комбинированного конвективно-радиационного энергоподвода позволяет существенно снизить начальные температуры продукта и сушильного агента, а следовательно, обусловливает снижение термовоздействия за счет конвективной составляющей на высушиваемый биополимерный материал. Проведен сравнительный анализ вариантов энергоподвода при организации распылительной сушки применительно к обезвоживанию растительных материалов. Результаты проведенного анализа подтверждают, что актуальным направлением является разработка способов интенсивной сушки растительного сырья в диспергированном состоянии, а также конструкторских решений для минимизации недостатков, присущих традиционным сушильным установкам. Разработанные рекомендации позволяют использовать распылительную технологию сушки для получения сухих дисперсных растительных материалов высокого качества.
Summary. A complex of experimental and analytical studies of the process of spray drying of various plant materials was carried out. The influence of the conditions of aerodynamic interaction of flows and distribution of the temperature and humidity fields of the drying agent on the height of the drying chamber on the efficiency of the spray drying process is evaluated. The analysis of the effect of the main factors on productivity in convective and convection-radiation spray drying is performed. It has been established that the use of a combined convective-radiation power supply makes it possible to substantially reduce the initial temperatures of the product and the drying agent, and, consequently, causes a decrease in the thermal effect due to the convective component on the dried biopolymer material. A comparative analysis of energy supply options for the organization of spray drying for the dehydration of plant materials was carried out. The results of the analysis confirm that the current direction is the development of methods for intensive drying of plant raw materials in a dispersed state, as well as design solutions for minimizing the drawbacks inherent in traditional drying plants. The developed recommendations allow using spray drying technology to produce dry, dispersed plant materials of high quality.
Ключевые слова: сушка растительных материалов, распылительная сушка, эффективность сушки.
Keywords: drying of plant materials, spray drying, drying efficiency.
CO Максименко Ю.А., Теличкина Э.Р., Теличкин Р.С., 2018
В перерабатывающей промышленности обезвоживанию подвергают растительные продукты различных видов и разной степени измельчения: гранулы, хлопья, кубики, пюре и др., а в случае переработки соков и экстрактов - жидкие неоднородные системы. Кроме традиционных концентратов и сухофруктов, на сегодняшний день перерабатывающая промышленность поставляет на рынок разнообразные сухие продукты из растительного сырья: овощные (томатный, морковный, тыквенный, кабачковый, картофельный и др.), фруктовые (яблочный, айвовый, грушевый и др.), ягодные (черносмородиновый, клюквенный и др.) порошки; сухие порошковые соки, чаи и специи из растительного сырья; сухие порошковые экстракты трав, плодов, ягод, специй, частей деревьев или кустов; кусковые плодоовощные продукты, пищевые волокна и др.
Кроме того, в настоящее время перспективны разработки для создания технологий структурированных продуктов питания на основе растительного сырья [1] и внедрения комплексной технологии комбинированных функциональных продуктов питания [2, 6].
Проведен комплекс экспериментально-аналитических исследований процесса распылительной сушки различных растительных материалов. Для оценки влияния на эффективность процесса распылительной сушки условий аэродинамического взаимодействия потоков и распределения полей температуры и влажности сушильного агента по высоте сушильной камеры исследования проводились в двух вариантах организации процесса: прямоток и сочетание прямотока (2/3 потока) и перекрестного тока (1/3 потока) сушильного агента. В качестве основных факторов, влияющих на эффективность процесса сушки, были приняты: для конвективной сушки - температура сушильного агента Тс а. = 423...503 К и начальная температура продукта Гпрод = 293..328 К; для конвективно-радиационной сушки -Тс.а. = 423...473 К, плотность теплового потока Ер = 2,8...3,6 кВт/м2. Границы варьирования факторов установлены из технологических ограничений и возможностей технической реализации сушки.
Целевой функцией при рационализации выбрана удельная производительность, которая соответствует съему сухого продукта с единицы объема камеры в единицу времени П, кг/(м3-ч). Получена ее зависимость для ряда продуктов от влияющих факторов [3,4]:
/ (7Я и . Т-Ша ) - (a j -Tnar + b ; -TTi/i. 4- с l ) ■ T.idta 4-+ (d'j -Thar + e j ■Tila. + f'j ) ■ Taa + (g -t ■Tn.a' + k'j -Tna. + Гt )
где an, b'n, c'n,d'n, e'n, fn, g'n, k'n, Vn - эмпирические коэффициенты.
С учетом взаимосвязи производительности установки по сухому продукту и по испаренной влаге определялась удельная влагонапряженность объема рабочей камеры, соответствующая количеству испаренной влаги с единицы объема камеры в единицу времени В, кг/(м3-ч): В = n-[WH - И4)/(1 - WH). Размерность коэффициентов равна отношению размерности функции к размерности аргумента (или произведения аргументов).
На рис. 1 для примера представлены поля значений эффективности сушки, построенные с использованием зависимости (*). Численные значения П и В, достигаемые в ходе исследований, сопоставимы с производительностью промышленных установок. Анализ характера полей значений показал, что увеличение температуры сушильного агента и продукта значительно интенсифицирует теп-ломассообменные процессы. Сопоставление полей для варианта прямоточного контакта фаз и для комбинированного подвода позволяет сделать вывод, что удельная производительность увеличивается (на 5-10 %) при выравнивании параметров сушильного агента по высоте камеры.
Определены рациональные значения параметров и максимум целевой функции (табл. 1). Создание активной аэродинамической обстановки при взаимодействии потоков интенсифицирует тепломассообменные процессы и позволяет: увеличивать удельный выход готовой продукции при модернизации действующих сушильных установок; повысить качество продукции за счет смягчения режима термического воздействия при сохранении производительности; сократить энергетические затраты; уменьшить размеры камеры и др.
Рис. 1. Поле значений эффективности распылительной сушки пектинового экстракта из тыквы: а - прямоток; б - прямоток и перекрестный ток
Таблица 1
Рациональные режимы конвективной распылительной сушки при прямотоке/сочетании прямотока и перекрестного тока
Параметры Продукт
Пюре из моркови Пюре из тыквы Пюре из яблок Пектиновый экстракт Экстракт алтея
П, кг/ (м3-ч) 3,784/4,08 6 1,335/1,4 19 2,349/2,52 3 1,28/1,34 1,692
В, кг/(м3-ч) 16,187/17, 481 14,523/15 ,431 16,244/17, 447 10,721/11,2 24 14,385
Tea., К 523 523 523 505 503
Тщюд, К; 328 328 328 328 308
Оса-, КГ/КГ £ 20 г 20 > 20 > 20 > 20
Диаметр частиц, МКМ 20...30 20...30 20...30 20...30 20...30
Выполнен анализ влияния основных факторов на производительность при конвективно-радиационной распылительной сушке пюре [5]. Получены зависимо-
I (ТЫ, £/') = ( aw • Тс.а.г + »„ • Тс.а. + c,J-Ep1+( dw ■ Тем1 + еж ■ Тс.а. + fw)-Ep+(gw- Тс.а,2 + hw • Тс.а. + kw)
i
где aw, bw, Ctu,dw, Giu, ftu, Qiv, hw, kw, эмпирические коэффициенты.
Построены поля значений П и В (рис. 2). Анализ характера полей показал, что с ростом Ер и температуры Тс.а. интенсифицируются тепломассообменные процессы, что определяет рост функций при сокращении времени сушки. Диапазон варьирования Ер = 2,8...3,6 кВт/м2 при изменении Тс.а. = 423...473 К обеспечивает получение качественных продуктов при П и В, сопоставимых с удельной производительностью промышленных установок. Увеличение Ер > 3,6 кВт/м2 приводит к подгоранию распыленных частиц и снижению качества готового сухого порошка, при этом рост Я незначителен.
Рис.. 2. Поле значений удельной влагонапряженности при конвективно-радиационной сушке пюре из тыквы
Снижение Ер < 2,8 кВт/м2 нецелесообразно и приводит к резкому сокращению П и В. С ростом начальной температуры сушильного агента П и В увеличиваются. Превышение Тс.а. > 473 К нерационально и приводит к перегреву растительного пищевого материала выше 333 К, что снижает качество сушеной продукции. Разработаны рациональные режимы (табл. 2).
Установлено, что использование комбинированного конвективно-радиационного энергоподвода при Ер = 2,8...3,6 кВт/м2 позволяет существенно снизить начальные температуры продукта и сушильного агента, а следовательно, обусловливает снижение термовоздействия за счет конвективной составляющей на высушиваемый биополимерный материал.
Таблица 2
Рациональные режимы конвективно-радиационной распылительной сушки
Параметры Продукт
Пюре из тыквы Пюре из кабачка Пюре из баклажана
П, кг/ (м3-ч) 1,140 1,053 1,354
В, кг/ (м3-ч) 12,399 13,238 11,508
Гс.а.,К 473 473 448
?прод, К; 298 298 298
Ер, кВт/м2 3,6 3,6 3,6
<5с.а-, КГ/КГ > 20 > 20 > 20
Диаметр частиц, мкм 20...30 20...30 20...30
В ходе тестирования режимных параметров сделан вывод, что для их промышленного внедрения целесообразно снизить температуру сушильного агента на 30 ... 50 °С для исключения вероятного перегрева продукции при сушке и гарантированного обеспечения качественных показателей при незначительном снижении удельной производительности. Внедрение рекомендаций по организации сушильного процесса в реальных производственных условиях и уточнение режимных параметров возможно только при выполнении пусконаладочных работ.
Кроме того, проведен анализ эффективности работы распылительных сушилок при обезвоживании растительных материалов и сделан вывод о целесообразности различных вариантов энергоподвода (табл. 3). Результаты доказывают высокую эффективность распылительной сушки при различных вариантах энергоподвода для ряда исследованных продуктов (тыква, кабачок, морковь, яблоко, баклажан и др.). Для ряда термопластичных пищевых растительных материалов (например, сушка томатного, грушевого, персикового и др. пюре), как показали результаты тестирования, традиционное обезвоживание в диспергированном состоянии неприемлемо, так как протекает при значительных потерях продукта (нарастающее загрязнение внутренних стен камеры, воздуховодов и систем улавливания продукции). С учетом специфических особенностей данных материалов интерес представляет двух- и трехстадийное обезвоживание в диспергированном состоянии: 1-я стадия - распылительная сушка; 2-я и 3 -я стадии - охлаждение/досушка и охлаждение. Досушку дисперсных материалов (при температуре сушильного агента ^ 55...60 °С) и охлаждение готовых порошков (до 25...35 °С) рационально осуществлять в псевдоожиженном слое для обеспечения продолжительного контакта фаз с дальнейшим пневмотранспортом частиц продукта в системы очистки. Несмотря на повышенную сложность конструктивного оформления двух- и трехстадийной сушки, данная организация процесса позволяет экономить энергоресурсы и варьировать характеристики продукта.
При объемном радиационном энергоподводе для распылительной сушки дисперсных частиц, как отмечалось, повышается качество сухого продукта ввиду равномерного прогрева материала. С точки зрения энергетических затрат мнимым недостатком конвективно-радиационной сушки являются потери тепла на нагрев испаренной влаги (пара). Однако нагрев паровоздушной смеси, перегрев пара (теплоносителя) повышает его параметры (температура, давление), а следовательно, увеличивает движущую силу процесса обезвоживания, в частности, разности температур и влагосодержаний между сушильным агентом и материалом, что интенсифицирует тепломассообмен. Нагрев ИК-излучением паровоздушной смеси ввиду ее более высокой пропускной способности по сравнению с частицами продукта незначителен.
Таблица 3
Сравнительный анализ вариантов энергоподвода при организации распылительной сушки применительно к обезвоживанию растительных материалов
Конвективная распылительная сушка Конвективно-радиационная распылительная сушка
Объекты сушки растительного происхождения
Преимущественно растворы различных биологически активных веществ; экстракты трав, плодов, ягод, специй, частей деревьев или кустов; соки и экстракты из плодоовощных продуктов и ягод и др. Те же материалы, но при более высоких показателях качества сухого дисперсного продукта
Ограниченное применение для пюре- и пастообразных плодоовощных материалов (для некоторых продуктов при предельных температурах) Пюре- и пастообразные плодоовощные материалы
Затраты энергии на организацию сушки при одинаковых расходах продуктов и расходах/ параметрах потока сушильного агента
Нагрев исходного продукта перед распылением до 293-328 К Нагрев исходного продукта перед распылением до 298 К
Нагрев суш. агента до 423-523 К Нагрев суш. агента до 423-473 К
ИК-излуч ение
Удельные затраты электроэнергии на сушку
2,2 - 3,2 кВт-ч/кг 2,4-4,0 кВт-ч/кг
Пути повышения эффективности работы установок
Разработка рациональных/оптимальных режимов сушки. Совершенствование конструкций установок для обеспечения: нестационарного, продолжительного и интенсивного аэродинамического контакта фаз; защиты внутренних элементов (в том числе ИК-излучателей) и поверхностей сушилок от контакта с продуктом; уменьшения габаритов и энергопотребления установок и т.п. Выравнивание температуры сушильного агента по высоте сушильной камеры. Создание комбинированных установок, например, сочетание прямотока и перекрестного тока сушильного агента в камере и т.п.
Патенты РФ № 126103, 150305, 2377485,86718 и др., заявка на патент № 2015120308, патент на полезную модель 154840 РФ.
Результаты проведенного анализа подтверждают, что актуальным направлением является разработка способов интенсивной сушки растительного сырья в диспергированном состоянии, а также конструкторских решений для минимизации/устранения недостатков, присущих традиционным сушильным установкам. Дальнейшее развитие получает распылительная сушка при комбинировании
конвективного и радиационного энергоподвода и активном вихревом аэродинамическом контакте продукта и сушильного агента. Разработанные рекомендации позволяют использовать распылительную технологию сушки для получения сухих дисперсных растительных материалов высокого качества.
ЛИТЕРАТУРА
1. Лисовой, В.В. Научно-практическое обоснование технологии структурированных продуктов питания на основе растительного и рыбного сырья [Текст]: монография / В.В. Лисовой,- Краснодар, 2012.
2. Лисовой, В.В. Разработка комплексной технологии комбинированных функциональных продуктов питания на основе растительного и прудового рыбного сырья [Текст] / В.В. Лисовой // Новые технологии,- 2011,- № 3,- С. 43-48.
3. Максименко, Ю.А. Разработка рационального режима конвективно-радиационной распылительной сушки пюре из тыквы [Текст] / Ю.А. Максименко, Ю.С. Феклунова // Естественные и технические науки,- 2015.- № 9 (87).- С.137-138.
4. Максименко, Ю.А. Совершенствование процесса распылительной сушки продуктов из сырья растительного происхождения [Текст] / Ю.А. Максименко, Э.Р. Теличкина, Ю.С. Феклунова // Естественные и технические науки,- 2015,- № 6 (84).- С. 480- 482.
5. Максименко, Ю.А. Установка конвективно-радиационной распылительной сушки [Текст] / Ю.А. Максименко, Ю.С. Феклунова, Н.Э. Пшеничная, Н.М. Шаке-сов // Естественные и технические науки,- 2015,- № 10 (88).- С. 352-354.
6. Шаззо, Р.И. Безотходные технологии функциональных натуральных плодоовощных продуктов на основе топинамбура [Текст] / Р.И. Шаззо, Г.Н. Павлова, Л.Д. Ерашова, К.К. Кашкарова, В.В. Лисовой// Матер. Междунар. науч.-практ. конф. «Комплексное использование биоресурсов: малоотходные технологии».-Краснодар, 2010,- С. 224-227
REFERENCES
1. Lisovoy, V.V. Nauchno-prakticheskoe obosnovanie tekhnologii strukturiro-vannykh produktov pitaniya na osnove rastitel'nogo i rybnogo syr'ya. Monografiya [Scientific and practical substantiation of technology of structured food products on the basis of vegetable and fish raw materials. Monograph], V.V. Lisovoy, Krasno-darskiy nauchno-issledovatel'skiy institut khraneniya i pererabotki sel'sko - kho-zyaystvennoy produktsii Rossel'khozakademii, Kubanskiy gosudarstvennyy tekhno-logicheskiy universitet. Krasnodar, 2012. (Russia).
2. Lisovoy, V.V. Razrabotka kompleksnoy tekhnologii kombinirovannykh funktsional'nykh produktov pitaniya na osnove rastitel'nogo i prudovogo rybnogo syr'ya [Development of integrated technology of combined functional food products based on vegetable and pond fish raw materials], V.V. Lisovoy, Novye tekhnologii. 2011. No 3. pp. 43-48. (Russia).
3. Maksimenko, Yu.A. Razrabotka ratsional'nogo rezhima konvektivno-radiatsionnoy raspylitel'noy sushki pyure iz tykvy [Development of a rational mode of convection-radiation spray drying of pumpkin puree], Yu.A. Maksimenko, Yu.S. Feklunova, Estestvennye i tekhnicheskie nauki.2015.No9(87), pp.137-138. (Russia).
4. Maksimenko, Yu.A. Sovershenstvovanie protsessa raspylitel'noy sushki produktov iz syr'ya rastitel'nogo proiskhozhdeniya [Perfectionoftheprocessofspraydryingofproductsfromrawmaterialsofplantorigin], Yu.A. Maksimenko, E.R. Telichkina, Yu.S. Feklunova, Estestvennye i tekhnicheskie nauki. 2015. No6(84). pp. 480- 482. (Russia).
5. Maksimenko, Yu.A. Ustanovka konvektivno-radiatsionnoy raspylitel'noy su-shki [Installation of convection-radiation spray drying], Yu.A. Maksimenko, Yu.S. Feklunova, N.E. Pshenichnaya, N.M. Shakesov, Estestvennye i tekhnicheskie nauki. 2015. No 10 (88). pp. 352-354. (Russia).
6. Shazzo, R.I. Bezotkhodnye tekhnologii funktsional'nykh natural'nykh plo-doovoshchnykh produktov na osnove topinambura [Wasteless Technologies of Functional Natural Fruit and Vegetable Products Based on Jerusalem Artichoke], R.I. Shazzo, G.N. Pavlova, L.D. Erashova, K.K. Kashkarova, V.V. Lisovoy, V sbornike: Kompleksnoe ispol'zovanie bioresursov: malootkhodnye tekhnologii materialy mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii. GNU KNIIIvhP, ООО «Izdatel'skiy Dom-Yug». 2010. pp. 224-227. (Russia).
