Экспериментальный критерий оценки энергоэффективности процессов растворения в пищевой промышленности Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ИННОВАЦИИ в ОТРАСЛИ

ТЕМА НОМЕРА

УДК 544.351.3

Экспериментальный критерий оценки энергоэффективности процессов растворения в пищевой промышленности

B. К. Семипятный,

канд. техн. наук;

C.А. Хуршудян,

д-р техн. наук, профессор; А. Е. Рябова, канд. техн. наук; Р. Р. Вафин,

д-р биол. наук, профессор РАН ВНИИ пивоваренной, безалкогольной и винодельческой промышленности -филиал ФНЦ пищевых систем им. В. М. Горбатова РАН

В пищевой промышленности процесс растворения достаточно распространен и, в то же самое время, малоисследован. Растворение — физико-химический процесс, сопровождающийся переходом твердой фазы в раствор с поглощением или выделением тепла [1-3]. На сегодняшний день процесс достаточно глубоко исследован для относительно простых систем [2, 3]. В практике пищевой промышленности большинство ингредиентов поликомпонентны. Большинство

режимов технологических операций пищевых продуктов получены эмпирически и предполагают множество процессовых решений частных задач в рамках единого производственного цикла, что существенно усложняет исследования или их универсальную результативность. В абсолютном большинстве технологий обеспечение качества и безопасности продукции достигается избыточностью воздействия, что напрямую приводит к излишним энергозатратам, которые спо-

А.Н. Петров,

д-р техн. наук, академик РАН ВНИИ технологии консервирования -филиал ФНЦ пищевых систем им. В. М. Горбатова РАН

Технология

Промежуточные процессы

Обязательный процесс

Производственная система

Приемка и подготовка сырья

Производственные процессы

Растворение 1

Хранение

Идентификация производственных потерь

Возможные потери

Энергозатраты процесса

Задачи определить:

Качественные потери Энергозатраты Количественные потери

Г" > 1 1

Нагрев воды Механическое воздействие Нагрев и воздействие

1 Целесообразность 1 Избыточность воздействия 1 Целесообразность

Рис. 1. Принципиальная схема определения значимых производственных потерь в технологии растворения сухих продуктов

32 ПИВО и НАПИТКИ 1•2019

Технологические инновации в отрасли

собствуют инициации процессов абиогенной деградации сырья и снижают эффективность производства [4-9].

В пищевой промышленности, в первую очередь, ощутимые экономические результаты возможно достичь за счет устранения производственных потерь, связанных с неэффективным расходом сырья и(или) работой оборудования. Данные виды потерь, в том числе, непосредственно связаны с процессом растворения. В частности, в большинстве схем растворения сахара в воде или различных виноматериа-лах не учитывается энергоэффективность процесса — минимальное количество энергии, необходимое для растворения сухого продукта. Также отсутствуют детализированные данные по рациональным способам передачи энергии.

Энергозатраты процесса растворения в первом приближении можно представить как

Э = Э + Э + Э ,

р т. о дис п'

где Эт о — энергия затрат на технологическую обработку; Эдис — потери энергии на диссипацию во внешнюю среду; Эп — энергия на подогрев системы (воды и сухого продукта).

Анализ процесса с позиции производственной системы позволил идентифицировать наиболее вероятные точки производственных потерь (рис. 1) [10-12]. Как видно из представленной схемы, энергозатраты — одна из составляющих производственных потерь. При этом анализ традиционно применяемых аппаратов для растворения пока-

зывает, что, к примеру, диапазон затрат энергии на механическую составляющую растворения 1 т сахарозы составляет порядка 0,2-2,0 кВт. Однако, в технических характеристиках анализируемого типового оборудования нет фрагментации по производительности в зависимости от вида сырья, не указаны температурные и концентрационные параметры воды и продукта.

Именно в связи с отсутствием единых представлений о процессе предложено множество типов оборудования, основанных на разных принципах воздействия [5, 6]. На основании схемы, предложенной Г. А. Аксельрудом [6, 7], можно предложить базовые принципы аппаратов для растворения (рис. 2), где классификационным признаком служит направление движения частицы в потоке.

На основании предложенной классификации для развития теории растворения и получения практических решений создана лабо-раторно-экспериментальная установка (рис. 3).

Установка предполагает проведение последовательных экспериментов для выявления массовой доли сухих веществ, перешедших в раствор, в зависимости от времени, и представляет собой принципиально новый аппарат, аппроксимирующий в силу квазистатических условий любого аппарата из указанной выше классификации.

Рассмотрим процесс итерации. Установка работает по принципу сообщающихся сосудов. Предварительно в узел гидратации 4 на фильтр 6 равномерно засыпают исследуемый образец продукта. В резервуар 1 подают дистиллят, который посредством регулировки кранов 2, 2 ', 2 " и 3 заполняет патрубки 7 и 8. В дальнейшем, отсутствие воздушных включений в патрубках при повторном проведении эксперимента обеспечивают посредством перекрытия кранов 2, 2' и 3. С помощью крана 2 ' выставляют нулевой уровень воды в резервуаре. Скорость подачи воды в патрубок 8 регулируют краном 2 в диапазоне 2,5±0,1 мл/мин. Для поступления воды в узел гидратации кран 3 выставляют в положение патрубки 8-9. После поступления расчетного количества воды в узел гидратации 4 и по прошествии опреде-

К [

11

Рис. 3. Экспериментальный стенд для исследований растворения при квазистатических условиях: 1 - резервуар с дистиллированной водой; 2,2', 2" - двухходовой кран с системой тонкого регулирования потока; 3 - трехходовой кран;

4 - узел гидратации продукта;

5 - каркас установки; 6 - фильтр

из иглопробивного термоскрепленного полотна по ТУ 17-14-255; 7 - патрубок для выравнивания уровня жидкости; 8 - центральный распределяющий патрубок; 9 - патрубок в узел гидратации; 10 - пробозаборный патрубок; 11 - резервуар для сбора воды; 12 - пробоприемник

ленных временных промежутков с момента завершения поступления воды, посредством перевода крана 3 в положение патрубки 8-10 осуществляется забор раствора, в котором определяют массовую долю сухих веществ арбитражным методом. Нерастворившееся количество продукта с фильтром удаляют и после очистки узлов гидратации маршрута патрубков 9-10 с краном 3 проводят следующее исследование.

Принципиальная схема построения критерия оценки энергоэффективности производственного процесса растворения (ОЭППР) начинается с получения экспериментальных данных на установке в условиях покоя. При необходимости, в узел гидратации можно поместить устройство механического воздействия и замерять его энергопотребление для сравнения различных методик растворения. После получения данных в квазистатических условиях фиксируют оптимальное, с точки зрения про-

£ ш

2

0

1

<

2 ш I-

1•2019 ПИВО и НАПИТКИ 33

£ Ш

2

0

1

<

I ш Ь

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ИННОВАЦИИ в ОТРАСЛИ*

изводственных процессов, время растворения и строят номограмму теплового баланса (рис. 4), в которой учитывают данные о самопроизвольно перешедших в раствор сухих веществах. Определение количества энергии из номограммы для получения раствора заданной температуры завершает построение критерия ОЭППР.

Результирующая температура поликомпонентной водорастворимой композиции определяется двумя группами факторов: тепловым балансом между компонентами и тепловыми потоками с окружающей средой (компонент диссипации). Последняя группа факторов специфична для каждого отдельно взятого производства и определяется главным образом его аппаратным оформлением. Поэтому, если для первой группы факторов возможен вывод зависимости, то для тепловых потоков необходимо экспериментально рассчитывать величину поправки. Следовательно, любой расчет теплового баланса строится сначала на основе рецептурных особенностей получаемой композиции, а затем дополняется внесением поправки, связанной с технологическим фактором.

При составлении уравнения теплового баланса допускаем, что теплоемкость готовой композиции есть сумма теплоемкостей, приведенных к массовым долям его компонентов. Тогда тепловой баланс, с учетом количества тепла, необходимого для фазового перехода всех компонентов системы, можно представить в виде следующего уравнения:

Рис. 4. Программная реализация интерфейса номограммы

((с. О. )t = (c. О. T. + k.E. ,

где с1 — массовая доля компонента в составленной композиции; О, — удельная теплоемкость компонента, Дж/(кг-°С); Т — требуемая температура композиции, °С; Т — температура компонента на момент растворения, °С; к — массовая доля компонента с фазовым переходом композиции; Е — количество тепла, необходимого для фазового перехода, Дж/кг.

Расчет температуры воды на основе уравнения теплового баланса имеет решение в форме графического построения, по номограмме, представленной на рис. 4.

Область построения номограммы разбита на четыре сектора: А, Б, В, Г и имеет четыре оси: Т — общее количество тепла, необходимое для достижения композицией рекомендуемой температуры с учетом доли тепла, вносимого рецептурным количеством воды, затраченного на фазовый переход компонента, Дж х 105; св — расчетное значение массовой доли воды в композиции, %; О — формирование теплоемкости композиции с учетом теплоемкости массовой доли продукта, Дж/( кг-°С); К — дефицит тепла, который должен быть компенсирован водой в восстановленной композиции, для достижения требуемой температуры (без учета тепла, необходимого для фазового перехода), Дж х 105, и одну дополнительную шкалу кс — массовая доля веществ, требующих фазового перехода, %.

Прямые в секторе А описывают формирование теплоемкости восстановленной композиции с учетом теплоемкости массовой доли компонента в зависимости от значения массовой доли воды. Прямые в секторе Б с указанным значением температуры дают количественную оценку тепла, необходимого для достижения восстановленной композицией требуемой температуры с учетом доли тепла в продукте. Прямая в секторе В соответствует требуемому расчетному значению температуры воды для растворения сухого продукта в зависимости от его массовой доли в восстановленной композиции. Прямая в секторе Г описывает долю тепла,

расходуемого фазовым переходом растворяемых веществ. Сплошная и пунктирная линии в секторе В ограничивают область температурно-концентрационных особенностей восстановленной композиции. Значения ниже данных линий не рекомендуются в связи с возможными процессами денатурации белков при повышении массовой доли сухих веществ.

Для унификации работ с номограммой разработано соответствующее программное обеспечение (см. рис. 4), позволяющее не только оценивать тепловой баланс, но и создать базу данных результатов исследований для обобщения материала.

Если величина рациональной температуры служит предметом для дополнительных исследований и обоснований, то необходимость учета разности температур между компонентами восстановленной композиции, с увеличением концентрации сухих компонентов, наглядно вытекает из структуры построения номограммы теплового баланса. Представленная номограмма не универсальна, но позволяет наглядно рассматривать наиболее общие случаи растворения сухих продуктов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Растворение [электронный ресурс] // Химик.ру. — Режим доступа: http:// www.xumuk.ru/encyklopedia/2/3820. html.

2. Галстян, А. Г. Передовые технологии водоподготовки в производстве вос-

34 ПИВО и НАПИТКИ

1•2019

становленных молочных продуктов / А. Г. Галстян, А. Н. Петров, Н. С. Чистова-лов // Хранение и переработка сельхоз-сырья. - 2007. - № 11. - С. 30-33.

3. Фрог, Б.Н. Водоподготовка: учеб. пособие для вузов / Б. Н. Фрог, А. П. Левченко. — М.: Издательство МГУ, 1996. — 680 с.

4. Semipyatniy, V.K. Development of a scientific basis for powdered milk dissolution / V. K. Semipyatniy, A. G. Galstyan, A. E. Ryabova, [et al.]// Bulletin of the International Dairy Federation, 2014. — P. 41-48.

5. Аксельруд, Г.А. Растворение твердых веществ // Г. А. Аксельруд, А. Д. Молчанов. — М.: Химия, 1977. — 272 с.

6. Семипятный, В. К. Совершенствование процесса растворения сухого молока: математическое моделирование системы «Твердая частица — жидкость» / В. К. Семипятный, М. Н. Стрижко, А. Г. Галстян // Молочная промышленность. — 2013. — № 8. — С. 28-30.

7. Галстян, А. Г. Практические аспекты водоподготовки для повышения эффективности растворения сухих молочных продуктов / А. Г. Галстян // Хранение и переработка сельхозсырья. — 2005. — № 2. — С. 22-23.

8. Галстян, А. Г. Теория и практика молочно-консервного производства / А. Г. Галстян, А. Н. Петров, И. А. Радаева [и др.]. — М.: Издательский дом «Федотов Д. А.», 2016. — 181 с.

9. Галстян, А. Г. Водоподготовка — фактор повышения экономической эффективности предприятий / А. Г. Галстян, С. Н. Туровская, А. Н. Шкловец // Молочная промышленность. — 2011. — № 2. — С. 58-60.

10.Алешин, С. А. Формирование системы управления процессом создания и освоения производства новой продукции на промышленных предприятиях: дисс. ... канд. экон. наук: 08.00.05 / С. А. Алешин. — Орел: Госуниверситет-УНПК, 2011. — 176 с.

11. Семипятный, В. К. Производственная система в молочноконсервной промышленности / В. К. Семипятный, А. Г. Галстян, Т. И. Малова, [и др.] // Молочная промышленность. — 2014. — № 4. — С. 42-44.

12.Бирбраер, Р. Создание и внедрение стандартизованных процессов подготовки производства на основе лучших мировых практик [Электронный ресурс] / Р. Бирбраер, А. Московченко, Д. Прыгунов, [др.] // Умное производство. — 2011. — Вып. 13. — Режим доступа:

http://www.umnpro.ru/index.php?page_ id=17&art_id_1=240&group_id_4=6&m_ id_4=15.

REFERENCES

1. http://www.xumuk.ru/encyklopedia /2/3820.html (In Russ.)

2. Galstyan AG, Petrov AN, Chistovalov NS. Peredovye tekhnologii vodopodgotovki v proizvodstve vosstanovlennyh moloch-nyh produktov. Hranenie i pererabotka sel'hozsyr'ya, 2007, no. 11, pp. 30-33. (In Russ.)

3. Frog BN, Levchenko AP. Vodopodgotovka: Ucheb. Posobie dlya vuzov. Moscow: MGU Publ., 1996. 680 p. (In Russ.)

4. Semipyatniy VK, Galstyan AG, Ryabova AE, [et al.]. Development of a scientific basis for powdered milk dissolution. Bulletin of the International Dairy Federation, 2014. P. 41-48. (In Eng.)

5. Aksel'rud GA, Molchanov AD. Rastvore-nie tverdyh veshchestv. Moscow: Himiya Publ., 1977. 272 p. (In Russ.)

6. Semipyatniy VK, Strizhko MN, Galsty-an AG. Sovershenstvovanie processa rastvoreniya suhogo moloka: matemati-cheskoe modelirovanie sistemy «Tver-daya chastica — zhidkost'». Molochnaya

£ ш

2 0

1

<

2 ш b

1•2019

ПИВО и НАПИТКИ 35

ш 2

0

1

<

2 ш

ь

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ИННОВАЦИИ в ОТРАСЛИ

promyshlennost'. 2013; 8: 28-30. (In Russ.)

7. Galstyan AG. Prakticheskie aspekty vodo-podgotovki dlya povysheniya ehffektivnos-ti rastvoreniya suhih molochnyh produk-tov. Hranenie i pererabotka sel'hozsyr'ya. 2005; 2: 22-23. (In Russ.)

8. Galstyan AG, PetrovAN, Radaeva IA, [et al.]. Teoriya i praktika molochno-konservnogo proizvodstva [Theory and practice of dairy production]. Moscow: Fedotov D. A. Publ., 2016. 181 p. (In Russ.)

9. Galstyan AG, Turovskaya SN, Shklovec AN. Vodopodgotovka — faktor povysheniya ehkonomicheskoj ehffektivnosti predpri-yatij. Molochnaya promyshlennost'. 2011; 2: 58-60. (In Russ.)

10.Aleshin SA. Formirovanie sistemy up-ravleniya processom sozdaniya i os-voeniya proizvodstva novoj produkcii na promyshlennyh predpriyatiyah. Diss. kand. econ. nauk. Orel; 2011. 176 p. (In Russ.)

11. Semipyatniy VK, Galstyan AG, Malova TI,

[et al.]. Proizvodstvennaya sistema v mo-lochnokonservnoj promyshlennosti. Molochnaya promyshlennost'. 2014; 4: 42-44. (In Russ.)

12. Birbraer R, Moskovchenko A, Prygunov D, [et al.]. Sozdanie i vnedrenie standartizo-vannykh protsessov podgotovki proizvod-stva na osnove luchshikh mirovykh praktik. Umnoe proizvodstvo. 2011; 13. (In Russ.) Available at: http://www.umnpro.ru/index. php?page_id=17&artjd_1=240&group_ id 4=6&m id 4=15. &

Экспериментальный критерий оценки энергоэффективности процессов растворения в пищевой промышленности

Ключевые слова

номограмма; производственная система; процесс растворения; энергоэффективность.

Реферат

В работе рассматриваются процессы растворения в пищевой промышленности и связанные с ними потери с точки зрения производственной системы. Приводится разложение энергопотребления процессов на составляющие компоненты: затраты на технологическую обработку, подогрев воды и диссипацию тепла из системы во внешнюю среду. Дана принципиальная схема определения потерь, а также классифицированы аппараты растворения в зависимости от принципа воздействия. Представлен экспериментальный стенд для теоретического исследования процессов растворения с широким спектром применимых сухих продуктов. Узел гидратации стенда имитирует квазистатические условия с отсутствием внешнего механического воздействия за счет минимальной скорости подачи жидкости. Представлена номограмма теплового баланса на основе уравнения теплового баланса, позволяющая определять количество энергии, требуемое для получения восстановленной композиции заданной температуры. Разработано и внедрено программное обеспечение номограммы, позволяющее оператору на производстве в режиме реального времени получать данные по температурному балансу технологических процессов. Дана принципиальная схема построения критерия оценки энергоэффективности процессов растворения в пищевой промышленности: исследование в условиях квазистатики на узле гидратации с фиксированием времени растворения и перешедших в раствор сухих веществ; получение дополнительных данных с использованием элемента механического воздействия; коррекция модели с вычислением члена диссипации; расчет номограммы теплового баланса с учетом требуемой температуры композиции; аппроксимация полученной модели на производственный процесс. Уравнение теплового баланса приводится с поправкой на возможность добавления компонентов процесса, требующих затрат тепла на фазовый переход.

Авторы

Семипятный Владислав Константинович. канд. техн. наук;

Хуршудян Сергей Азатович. д-р техн. наук, профессор;

Рябова Анастасия Евгеньевна. канд. техн. наук;

Вафин Рамиль Ришадович. д-р биол. наук, профессор РАН

ВНИИ пивоваренной, безалкогольной и винодельческой промышленности -

филиал ФНЦ пищевых систем им. В. М. Горбатова РАН,

119021, Россия, г. Москва, ул. Россолимо, д. 7,

semipyatniy@gmail.com, xca020149@rambler.ru, anryz@hotmail.com,

vafin-ramiL@maiL.ru

Петров Андрей Николаевич. д-р техн. наук, академик РАН ВНИИ технологии консервирования -филиал ФНЦ пищевых систем им. В. М. Горбатова РАН, 142703, Россия, Московская обл., г. Видное, ул. Школьная, д. 78, vniitek@vniitek.ru

Experimental Criterion for Assessing the Energy Efficiency of Dissolution Processes in the Food Industry

Key words

nomogram; production system; dissolution process; energy efficiency. Abstract

The paper discusses the processes in dissolution of the food industry and the losses associated with them from the point of view of the production system.The decomposition of the energy consumption of the processes into its components is given: the cost of technological processing, heating of water and dissipation of heat from the system to the external environment. The principal scheme for loss determination is given, and dissolution apparatuses are classified according to the principle of impact. An experimental stand is presented for the theoretical study of dissolution processes with a wide range of applicable dry products. The stand hydration unit imitates quasi-static conditions with no external mechanical effect due to the minimum fluid flow rate. A nomogram of heat balance is presented on the basis of the heat balance equation, which makes it possible to determine the amount of energy required to produce a reduced composition of a given temperature. Nomogram's software has been developed and implemented, which allows the operator to obtain data on the temperature balance of technological processes in real time. The principal scheme for constructing a criterion for estimating the energy efficiency of dissolution processes in the food industry is given: research under quasi-static conditions at the hydration site, fixing the dissolution time and the dry substances transferred to solution; obtaining additional data using the element of mechanical action; correction of the model with the calculation of the dissipation term; calculation of the nomogram of heat balance taking into account the required temperature of the composition; approximation of the received model on the production process. The heat balance equation is adjusted for the ability to add process components that require heat to the phase transition.

Authors

Semipyatniy Vladislav Konstantinovich. Candidate of Technical Science; Khurshudyan Sergey Azatovich. Doctor of Technical Science, Professor; Ryabova Anastasiya Evgenevna. Candidate of Technical Science; Vafin Ramil' Rishadovich. Doctor of Biological Science, Professor RAS All-Russian Scientific Research Institute of Brewing, Beverage and Wine Industry - Branch of Gorbatov Research Center for Food Systems of RAS, 7 Rossolimo Str., Moscow, 119201, Russia,

semipyatniy@gmai1.com, xca020149@ramb1er.ru, anryz@hotmail.com, vafin-rami1@mai1.ru

Petrov Andrey Nikolaevich. Doctor of Technical Science, Academician of RAS All-Russian Scientific Research Institute of Preservation Technology -Branch of the Gorbatov's Federal Scientific Center for Food Systems of RAS, 78 Shkol'naya Str., Vidnoe, Moscow Region, 142703, Russia, vniitek@vniitek.ru

36 ПИВО и НАПИТКИ 1•2019