CC BY
20
УДК [641.522.8:634.18]:621.929.7
Использование аппарата с вибрационном насадкой непрерывного действия
для получения экстракта из замороженных плодов рябины красной
П. П. Иванов, канд. техн. наук, доцент, М. А. Халтурин, аспирант Кемеровский технологический институт пищевой промышленности
Сырье
д
Важное народнохозяйственное значение в сложившейся экономической ситуации получает переработка местного плодово-ягодного сырья, существенно расширяющая ассортимент безалкогольной, молочной, пищевкусовой и других отраслей пищевой промышленности. Прежде всего это объясняется экономическим преимуществом доступности плодово-ягодного сырья, его высокой и стабильной урожайности. Кроме этого, районированные и дикорастущие плоды и ягоды Сибири по сравнению со своими южными сородичами содержат больше витаминов, минеральных, ароматических и других полезных веществ [1].
Процесс экстрагирования - наиболее простой и общедоступный способ получения витаминов и биологически активных веществ из плодово-ягодного сырья, но, несмотря на широкое его применение в пищевой промышленности и разнообразие аппаратурного оформ-
Суспензия 6
Экстрагент
/ 11
I Ф
В емкость Экстрагент Рис. 1. Схема экспериментальной установки
ления, степень извлечения целевого компонента и производительность используемых экстракторов при переработке плодово-ягодного сырья не являются достаточными.
Хороший экономический эффект дает такой способ интенсификации процесса экстрагирования, как внедрение массообменных аппаратов, реализующих метод наложения на обрабатываемую систему поля низкочастотных механических колебаний [2, 3]. Он способствует наиболее полному извлечению целевых компонентов из обрабатываемого сырья, существенному снижению продолжительности процесса и характеризуется невысокими капитальными и эксплуатационными затратами.
Для повышения производительности аппаратов с вибрационной насадкой периодического действия с целью их внедрения в промышленность необходимо увеличение геометрических размеров рабочего пространства [4]. Однако при увеличении диаметра аппарата возникает ряд существенных трудностей. Во-первых, значительная масса насадки в аппарате большого диаметра создает условия для многократного повышения динамической нагрузки на конструкцию аппарата, особенно при наличии радиальных биений, появлению которых способствуют условия эксплуатации и отклонения в размерах рабочих узлов, возникающие как при их монтаже, так и в процессе эксплуатации по причине износа деталей. Во-вторых, минимальные погрешности при изготовлении деталей аппарата большого диаметра или отклонения геометрических размеров при сборке могут создать неравномерности потоков в процессе работы аппарата, что
способно привести к возникновению застойных зон и нарушению технологического процесса.
Вышеперечисленные проблемы можно устранить, ограничив диаметр аппарата. При этом высокая производительность будет достигаться за счет увеличения высоты рабочего пространства. Создание режима, обусловливающего благоприятные условия проведения процесса экстрагирования во всем объеме аппарата, будет обеспечиваться использованием вибрационной насадки в виде пакета перфорированных тарелок. В этом случае целесообразна организация непрерывного режима работы аппарата, позволяющего также устранить затраты времени на вспомогательные операции.
Цель исследования - изучение процесса экстрагирования замороженных плодов рябины красной в аппарате с вибрационной насадкой непрерывного действия.
Материал и метод исследования
Среди различных конструкций аппаратов с вибрационной насадкой непрерывного действия для переработки плодово-ягодного сырья наиболее подходящей является конструкция, предложенная в [5], поскольку она отличается простотой, высокой эксплуатационной надежностью и обеспечивает создание гидродинамического режима, способствующего разрушению плодово-ягодного сырья и высокой скорости обновления поверхности контакта фаз.
Использование аппарата с прямоточным движением потоков позволяет упростить устройства ввода в аппарат твердой и жидкой фаз, обеспечивая их высокую герметичность, а также предотвращает унос свежего экстрагента с выгружаемой твердой фазой [3]. Использование тарелок, перфорированных отверстиями сложной формы, ведет к их закупориванию недоизмельченными частицами твердой фазы и увеличению гидравлического сопротивления, что в свою очередь снижает пропускную способность аппарата в целом [5].
Схема экспериментальной установки представлена на рис. 1.
Экспериментальная установка состоит из цилиндрического корпуса 1 диаметром 150 мм и высотой 640 мм, внутри которого совершает возвратно-поступательное движение вибрационная насадка 6, включающая вертикальный шток с установленными на нем четырьмя перфорированными тарелками 7. Передача насадке возвратно-
поступательного движения производится через кривошипно-шатунный механизм 4 с регулируемой длиной кривошипа, которому сообщается вращательное движение асинхронным электродвигателем переменного тока. Частота колебаний вибрационной насадки регулируется преобразователем частоты переменного тока DELTA VFD-S.
Обрабатываемое плодово-ягодное сырье загружается в воронку 3, откуда шнековым питателем 2 подается в нижнюю часть корпуса аппарата 1. Шнек приводится во вращение электродвигателем через ременную передачу. Количество подаваемого в аппарат сырья регулируется частотой вращения питающего шнека. Экстрагент (вода) подается в аппарат насосом 10 из накопительной термостатированной емкости через патрубок 11. При этом расход экс-трагента контролируется ротаметром 8 марки РМ-0.16 ЖУЗ, а регулирование расхода осуществляется системой вентилей 9. Полученная суспензия выводится из аппарата через патрубок 5.
Выбор исследуемых режимных параметров процесса - амплитуды и частоты колебаний, а также расхода фаз - проводился с целью создания такого гидродинамического режима, который наряду с интенсивным взаимодействием находящихся в аппарате фаз и разрушением частиц обрабатываемого сырья обеспечивал бы также пропускную способность аппарата по твердой фазе. Последнее является важным условием работы колонного аппарата непрерывного действия, так как его равномерная пропускная способность по твердой фазе будет способствовать формированию в нем стационарных условий проведения процесса, выражающихся в постоянстве движущей силы и надежности работы.
Следствием недостаточного вибрационного воздействия на обрабатываемые частицы, которые в результате пропитки экстрагентом имеют схожую с ним плотность и осаждаются в нижней части корпуса, может стать нарушение пропускной способности аппарата по твердой фазе. Поэтому равномерное распределение в рабочем объеме аппарата частиц подаваемой в него твердой фазы является одной из задач создаваемого вибрационной насадкой гидродинамического режима.
Для наиболее подробного исследования работы аппарата значения режимных параметров процесса -амплитуды и частоты колебаний -варьировались в широких пределах и подбирались таким образом, что-
бы можно было исследовать влияние каждого параметра: амплитуда колебаний изменялась в диапазоне 10-18 мм, частота - 10-20 Гц. Производительность аппарата по исходному сырью составляла 7,5 и 10 кг/ч, что при гидромодуле 1/4 соответствовало объемной производительности аппарата УП = 0,0379 м3/ч и УП = 0,0505 м3/ч соответственно.
Диаметр отверстий перфорации тарелок составлял 3 мм, расстояние от дна аппарата до нижней тарелки -100 мм, величина зазора между краем тарелки и внутренней стенкой аппарата не превышала 2 мм, высота отбортовки на периферии тарелки -14 мм. Тарелки были установлены отбортовкой вниз, т.е. навстречу потоку. Таким образом, основные геометрические параметры аппарата и тарелок, из которых собрана вибрационная насадка, соответствовали параметрам лабораторной модели аппарата периодического действия, на которой проводились предварительные исследования [6, 7].
Для проведения исследований использовали плоды рябины красной, собранные в Кемеровском плодопитомнике ОАО «Плодопитомник-!».
В условиях Западной Сибири плоды рябины красной как объект промышленной переработки характеризуются высокой доступностью и перспективностью [8]. Причем для производства экстрактов их можно использовать как в свежем, так и в замороженном виде. Но учитывая, что сбор урожая носит сезонный характер, целесообразно применять процесс замораживания в качестве способа консервирования сырья, отличающегося как простотой, так и экономичностью. Кроме того, основная часть клеточного сока при медленном замораживании превращается в крупные кристаллики льда [9], что способствует эффективному процессу разрушения клеточной структуры перерабатываемого сырья, тем самым повышая эффективность процесса в целом. В проводимом эксперименте использовали замороженные до температуры минус 18±1 °С плоды рябины красной, температура подаваемого экстрагента составляла 20±1 °С, а температура суспензии на выходе из аппарата - 10±1 °С.
Процесс проводили с отбором проб через каждые 60 с. Продолжительность процесса составляла 50 мин, что являлось достаточным для осуществления не менее трех полных обновлений аппарата при минимальных значениях расхода. Содержание сухих растворимых
веществ (СРВ) в пробе полученного экстракта определяли рефрактометром ИРФ-454 Б2М.
Так как пропускная способность аппарата по твердой фазе оказывает непосредственное влияние на соотношение твердой и жидкой фаз в аппарате, а следовательно, на концентрацию СРВ в суспензии, оценивать пропускную способность можно по отклонению концентрации СРВ в суспензии на выходе из аппарата.
Оценку работоспособности аппарата проводили по результатам отклонения концентрации СРВ получаемого экстракта от значения равновесной концентрации, которая при соотношении твердой и жидкой фаз 1 : 4 составила Сэ = 3,7 % масс.
Влияние режимных параметров процесса на среднее значение концентрации СРВ в экстракте, СЭ, % масс.
Частота колебаний, n, Гц Амплитуда, A, мм
10 14 18
10 - - 3,6
13,3 - 3,85 3,7
16,7 3,5 3,7 3,7
20 3,3 3,7 -
В таблице показано влияние режимных параметров процесса на среднее значение концентрации СРВ в экстракте при объемной производительности аппарата УП = 0,0379 м3/ч. Анализ данных таблицы показывает значительное влияние амплитуды колебаний на количественный выход СРВ. Так, при всех режимах с амплитудой колебаний А = 18 мм наблюдается полное разрушение экстрагируемого сырья и обеспечивается равномерная пропускная способность аппарата. Кроме того, при таком значении амплитуды создаются условия для обеспечения высокой скорости прохождения потоков жидкости и частиц твердой фазы через отверстия перфорации в тарелках, улучшая гидродинамическую обстановку в аппарате. Однако при режиме с А = 18 мм и п = 10 Гц интенсивность воздействия на обрабатываемую систему недостаточна, в результате чего среднее значение концентрации СРВ в экстракте составило 3,6 % масс, а в отводимой из аппарата суспензии наблюдались недоразрушенные частицы плодов. При работе с А = 18 мм, п = 13,3 Гц указанные недостатки отсутствовали. Повышение частоты колебаний выше 13,3 Гц сопровождается образованием большого слоя пены в верхней части аппарата, что ведет к уменьшению его рабо-
чей высоты, а также значительному увеличению динамической нагрузки на рабочие элементы аппарата, что в свою очередь способствует появлению люфтов и механическому разрушению элементов конструкции.
При работе с амплитудой А = 14 мм и частотой п = 13,3 Гц (таблица) создаются достаточные условия для протекания процесса, что выражается в полном разрушении плодов. Но недостаточная пропускная способность аппарата по твердой фазе начинает проявляться уже после его первого обновления (17 мин), что подтверждается постепенным увеличением концентрации СРВ в получаемом экстракте СЭ (рис. 2). Это объясняется задержкой твердой фазы в аппарате, сопровождаемой уменьшением гидромодуля и дополнительным экстрагированием задержавшихся частиц плодов, что в свою очередь ведет к повышению концентрации СРВ в экстракте выше равновесного значения. Проведение процесса в таких условиях приводит к вынужденной остановке аппарата по причине его переполнения твердой фазой.
Улучшение гидродинамических условий в аппарате наблюдается с повышением частоты колебаний насадки до п = 16,7 Гц (таблица, рис. 2), что сопровождается полным разрушением экстрагируемого сырья, его равномерной выгрузкой вместе с экстрактом и характери-
зует удовлетворительную пропускную способность аппарата. Кроме того, в получаемом экстракте наблюдается постоянное значение концентрации СРВ на протяжении всего периода работы аппарата, соответствующее равновесному значению. Дальнейшее увеличение частоты колебаний при амплитуде А = 14 мм нецелесообразно, поскольку оно не сопровождается видимой интенсификацией процесса и ведет лишь к повышению затрачиваемой мощности и динамической нагрузки на элементы конструкции.
С уменьшением амплитуды колебаний насадки до А = 10 мм при частоте п = 16,7 Гц (таблица), несмотря на достаточное для экстрагирования разрушение сырья, в получаемом экстракте не достигается значение равновесной концентрации, что объясняется недостаточной скоростью обновления пограничного слоя. В то же время при повышении частоты колебаний до п = 20 Гц (таблица) наблюдается снижение концентрации СРВ в экстракте. Это объясняется тем, что в силу быстрого изменения направления движения вибрационной насадки при данной амплитуде уменьшаются величина и продолжительность существования создаваемых разнонаправленных потоков жидкости. В результате в межтарельчатом пространстве наблюдается малая подвижность частиц твердой фазы, уменьшается ко-
личество проходов этих частиц через отверстия перфорации тарелок и, как следствие, снижается интенсивность массообмена. При уменьшении частоты колебаний до п = 13,3 Гц и ниже не создаются достаточные условия для проведения процесса, что выражается в появлении недо-разрушенных плодов в отводимом экстракте.
Кинетика процесса при режимах А = 14 мм, п = 13,3 Гц и А = 14 мм, п = 16,7 Гц представлена на рис. 2. Анализ кинетических кривых показывает, что в обоих случаях значение концентрации сухих растворимых веществ в момент начала выхода экстракта из аппарата достигает в нем значения равновесной концентрации, но установившийся режим работы, характеризующийся минимальным отклонением концентрации экстракта от ее равновесного значения, наблюдается только при режиме А = 14 мм, п = 16,7 Гц.
С повышением объемной производительности с 0,0379 до 0,0505 м3/ч при работе аппарата с теми же значениями амплитуды и частоты колебаний вибрационной насадки наблюдалось снижение пропускной способности по твердой фазе. Установлено, что при объемной производительности УП = 0,0505 м3/ч среднее значение концентрации экстракта на выходе из аппарата было выше, чем при УП = 0,0379 м3/ч (рис. 3), и в течение всего эксперимента наблюдалось его постоянное повышение. Это объясняется тем, что вибрационное воздействие насадки на обрабатываемые плоды недостаточно для их разрушения и своевременной выгрузки из аппарата, а сопутствующее этому уменьшение гидромодуля приводит к увеличению значения концентрации сухих растворимых веществ в экстракте.
Исходя из сказанного следует, что основной способ повышения производительности аппарата заключается в разработке конструкций с большими геометрическими размерами и последующим подбором рациональных значений параметров колебаний вибрационной насадки. Оптимальное решение данной задачи возможно лишь при создании адекватной математической модели аппарата, позволяющей связать основные управляющие и возмущающие воздействия со значениями выходных параметров.
Таким образом, доказана возможность использования аппарата с вибрационной насадкой непрерывного действия для экстрагирования замороженного плодово-ягодного
сырья на примере рябины красной [9]. Выявлены рациональные значения амплитуды и частоты колебаний вибрационной насадки, обеспечивающие бесперебойную работу аппарата, а также стационарные условия протекания процесса экстрагирования и достижение предельной концентрации СРВ в получаемом экстракте.
ЛИТЕРАТУРА
1. Киселева, Т.Ф. Выявление предпосылок комплексной переработки плодово-ягодного сырья Сибирского региона / Т.Ф. Киселева [и др.] // Техника и технология пищевых производств. -2009. - №3. - С. 7-11.
2. Бабенко, Ю.И. Экстрагирование. Теория и практические приложения / Ю.И. Бабенко, Е.В. Иванов. -
СПб.: НПО «Профессионал», 2009. - 336 с.
3. Сорокопуд, А.Ф. Использование системного анализа при исследовании аппаратов с вибрационной насадкой / А.Ф. Сорокопуд, П.П. Иванов // Научный журнал НИУ ИТМО. Серия «Процессы и аппараты пищевых производств». - 2014. - № 1. Режим доступа -URL: http://processes.open-mechanics. com/articLes/938.pdf. (дата обращения: 01.09.2014)
4. Розен, А.М. Масштабный переход в химической технологии: разработка промышленных аппаратов методом гидродинамического моделирования / А.М. Розен [и др.]. - М.: Химия, 1980. -320 с.
5. Патент 2257937 РФ, МПК B 01 D 11/02. Экстрактор вибрационный / А.Ф. Сорокопуд, П.П. Иванов, Н.И. Кустов.
6. Городецкий, И.Я. Вибрационные массообменные аппараты / под
ред. В.М. Олевского / И.Я. Городецкий [и др.]. - М.: Химия, 1980. -192 с.
7. Иванов, П.П. Разработка технологии и аппаратурного оформления производства концентрированных плодово-ягодных экстрактов для молочной промышленности: дис. ... канд. техн. наук: защищена 16.11.2002: утв. 07.03.2003 / П.П. Иванов. - Кемерово, 2002. -135 с.
8. Золотарева, А.М. Плодово-ягодное сырье сибирского сада и его пищевая ценность / А.М. Золотарева [и др.]. -Новосибирск: Рос. акад. с.-х. наук, 2004. - 204 с.
9. Короткий, И.А. Сибирская ягода. Физико-химические основы технологий низкотемпературного консервирования / И.А. Короткий. - Кемерово: Кемеровский технологический институт пищевой промышленности, 2007. - 146 с.
Использование аппарата с вибрационной насадкой непрерывного действия для получения экстракта из замороженных плодов рябины красной
Ключевые слова
амплитуда колебаний; аппарат с вибрационной насадкой; рябина красная; частота колебаний; экстракт
Реферат
Внедрение массообменных аппаратов, реализующих метод наложения на обрабатываемую систему поля низкочастотных механических колебаний, позволяет интенсифицировать процесс извлечения сухих растворимых веществ из плодово-ягодного сырья, одновременно обеспечивая снижение их потерь с отработанной твердой фазой. В работе рассмотрена возможность использования аппарата с вибрационной насадкой непрерывного действия для получения водного экстракта из замороженных плодов рябины красной, что позволит обеспечить непрерывный цикл переработки сырья, уменьшить долю ручного труда и повысить производительность линии. Экспериментальные исследования направлены на поиск рациональных режимных параметров аппарата. При этом в качестве контролируемой величины оценивалась не только концентрация сухих растворимых веществ в получаемом экстракте, но и пропускная способность аппарата по твердой фазе. В результате многочисленных экспериментальных исследований установлено, что работоспособность аппарата с вибрационной насадкой непрерывного действия во многом зависит от своевременной выгрузки отработанного шрота. При этом выход на равновесную концентрацию сухих растворимых веществ в получаемом экстракте обеспечивался как продолжительностью обработки сырья в аппарате, так и величиной создаваемого поля низкочастотных механических колебаний. В результате анализа экспериментальных данных установлены рациональные значения режимных параметров: частота колебаний вибрационной насадки - 16,7 Гц, амплитуда колебаний - 14 мм, объемная производительность 0,0379 м3/ч при диаметре аппарата 150 мм, высоте 640 мм и использовании вибрационной насадки с четырьмя перфорированными тарелками. Эффективность работы аппарата с данными значениями параметров подтверждена как достижением установившегося значения концентрации сухих растворимых веществ в полученном экстракте, так и стабильностью отвода отработанной твердой фазы из аппарата.
Авторы
Иванов Павел Петрович, канд. техн. наук, доцент, Халтурин Михаил Алексеевич, аспирант, Кемеровский технологический институт пищевой промышленности, 650056, г. Кемерово, б-р Строителей, д. 47, [email protected]
The usage of a continuously operating apparatus with an oscillating plate for extraction from frozen ashberries
Key words
an apparatus with an oscillating plate; ashberry; extract; frequency of oscillations; amplitude of oscillation
Abstracts
The implementation of mass-transfer apparatuses, based on the method of imposing low-frequency oscillations upon the processed medium, enables to intensify the process of extracting dry soluble substances from fruit raw material as well as to reduce the losses of soluble substances with used solid phase. The possibility of using the continuously operating apparatus with the oscillating plate for obtaining water extract from frozen ashberries, which would provide continuous processing cycle, decrease the share of manual labour and raise line productivity, has been analyzed in the article. The experimental researches have been carried out to find rational mode parameters of the apparatus. At the same time, the solid phase capacity of the apparatus and the concentration of dry soluble substances in the obtained extract have been estimated. As the result of numerous experimental researches, it has been found that the working capacity of the continuously operating apparatus mainly depends on timely unloading of solvent cake. At that, the equilibrium concentration of dry soluble substances in the obtained extract is conditioned by both processing time and the size of low-frequency oscillations field. As the result of the experimental data analyses, the rational values of mode parameters have been determined: the frequency of oscillations of the plate - 16,7 Hz, the amplitude of oscillations - 14 mm, the volume output is 0,0379 m3/h, if the diameter of the apparatus is 150 mm, the height is 640 mm and four perforated plates are used. The efficiency of the process at the current parameters has been corroborated both by the level of concentration of dry soluble substances in the obtained extract and by the stability of the removal of solid phase from the apparatus.
Authors
Ivanov Pavel Petrovich, Candidate of Technical Science, Docent, Khalturin Mikhail Alexeevich, Graduate Student, Kemerovo Technological Institute of Food Industry, 47, Bulvar Stroiteley, Kemerovo, 650056, [email protected]
