CC BY
46
УДК 664.144
Ю. А. Максименко
ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ ПРОЦЕССА РАСПЫЛИТЕЛЬНОЙ СУШКИ ОВАРИАЛЬНОЙ ЖИДКОСТИ РЫБ ОСЕТРОВЫ1Х ПОРОД В ТЕХНОЛОГИИ ИКОРНОГО ЗОЛЯ
Yu. А. Maksimenko
INVESTIGATION OF THE KINETIC PROCESS OF SPRAY DRYING OF OVARIAN STURGBRJEON FLUID IN THE CAVIAR SOL TECHNOLOGY
Представлены результаты экспериментально-аналитических исследований кинетики процесса и разработаны рациональные режимные параметры сушки овариальной жидкости рыб осетровых пород для последующей организации промышленного производства икорного золя -порошка для целей косметической промышленности.
Ключевые слова: тепломассообмен, сушка, распылительная сушка, овариальная жидкость рыб осетровых пород, косметическая промышленность.
The results of experimental and analytical studies on the kinetics of the process are presented and the rational mode parameters of ovarian sturgeon fluid drying for future industrial engineering of caviar sol - powder for cosmetic industry are developed.
Key words: heat and mass transfer, drying, spray drying, ovarian sturgeon fluid, the cosmetics industry.
Введение
Перспективы использования ранее не утилизировавшейся овариальной физиологической жидкости рыб осетровых пород при производстве товарной продукции «Икорный золь» (ТУ 9154-142-00472124-09) для целей косметической промышленности подтверждены исследованиями, проведенными в ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт рыбного хозяйства и океанографии». В технологии икорного золя - порошка - стадия сушки является наиболее энергоемкой и определяет качество продукта.
Специфические особенности распылительной сушки обусловливают ряд характерных достоинств этого способа: высокое качество высушиваемого продукта вследствие отсутствия его перегрева; готовый продукт не требует дополнительного измельчения и обладает высокой растворимостью; в технологии исключаются стадии предварительного концентрирования и др.
С целью разработки рациональных режимных параметров сушки вторичного сырья (овариальная жидкость рыб осетровых пород), для их дальнейшей рекомендации к внедрению на промышленных предприятиях, были спланированы и проведены экспериментальные исследования кинетики конвективной распылительной сушки и дана оценка влияния основных факторов на интенсивность процесса.
Исследования проводились на опытно-промышленной сушильной установке Ohkawara Kakohki OL/OC-L8 на базе ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт рыбного хозяйства и океанографии». Принципиальная схема сушильной установки представлена на рис. 1.
Овариальная жидкость диспергировалась в цилиндрическую часть сушильной камеры 2 дисковым распылителем 1. Нагрев сушильного агента производился в электрокалорифере 6. Распыленные частицы (капли) овариальной жидкости в результате прямоточного контакта с сушильным агентом, высыхая, транспортировались потоком в циклон 5, где происходило разделение на сухой икорный золь - порошок и отработавший теплоноситель.
К основным факторам, влияющим на интенсивность процесса распылительной сушки, традиционно относят: расходы теплоносителя и продукта; температуру сушильного агента; параметры факела распыла, определяемые конструкцией распылителя и режимами его работы; начальную влажность продукта и др.
Рис. 1. Схема опытно-промышленной установки: 1 - распылитель; 2 - цилиндрическая часть сушильной камеры; 3 - штуцер пробоотборника; 4 - коническая часть сушильной камеры;
5 - циклон; 6 - калорифер; 7 - штуцер термопары; потоки: I - подача овариальной жидкости в сушильную камеру; II - поток отработавшего сушильного агента; III - поток сушильного агента;
IV - выход сухого икорного золя - порошка
В качестве варьируемых параметров для установления зависимости целевой функции в натурном эксперименте на опытно-промышленной установке приняты (табл.): начальная влажность овариальной жидкости Жн, кг/кг; температура сушильного агента Тс.а, К и массовый расход продукта на распыливание ^прод, кг/ч. Остальные параметры были установлены в результате аналитических расчетов и серии постановочных экспериментов.
Факторы и уровни варьирования факторов
—^^«Фактор Уровень —__ Опрод, кг/ч Жн, кг/кг Тс.а, К
1 1,5 0,9 513
2 2 0,95 523
3 2,5 0,99 533
В качестве целевой функции (1) выбрана удельная производительность сушильной камеры - съем сухого продукта с единицы объема камеры в единицу времени П, кг/(м3-ч) [1, 2]:
П = би.з/^суш. камеры ,
(1)
где Ксуш. камеры - рабочий объем сушильной камеры, м3; Qи.з - производительность по сухому икорному золю (2), кг/ч.
Qи.з = Qпрод (1 - Wн )/(1 - Wк ) , (2)
где Wк = 0,05 кг/кг - конечная влажность высушенного икорного золя.
Экспериментальные исследования проводились по полному многоуровневому многофакторному плану с помощью вероятностно-статистических методов планирования и обработки экспериментальных данных.
Так как эксперименты проводились на опытно-промышленной установке в реальных производственных условиях, для определения удельного съема сухого продукта вместо продолжительности влагоудаления принимается условная длина пробега частицы, определяемая временем нахождения частицы в сушильной камере. При непрерывном процессе обезвоживания длина пробега, а следовательно, и продолжительность сушки определяются объемом сушильной камеры и продуктопроводов, т. е. фактически объем сушильной камеры и продуктопроводов является функцией времени сушки [3].
Эмпирическая зависимость объема сушильной камеры и продуктопроводов от времени сушки была получена экспериментально (3):
V = 0 129 • Т (3)
суш. камеры *суш 5 У-’/
где тсуш - экспериментальное время сушки, с.
В результате получены кривые сушки икорного золя; некоторые из них, в качестве примера, представлены на рис. 2. Полученные кривые сушки использовались для определения удельной производительности [2, 3].
Ж, кг/кг
т, с
Рис. 2. Кривые сушки овариальной жидкости при Т = 513 К и бпрод = 1,5 кг/ч: 1 - при Жн = 0,9 кг/кг; 2 - при Жн = 0,95 кг/кг; 3 - при Жн = 0,99 кг/кг
В результате обработки результатов экспериментальных исследований получены математические линейно-степенные зависимости удельной производительности от влияющих на процесс сушки факторов (4)-(6).
- при Тс.а = 513 К:
П(К, бпрод) = [(0,644444 • Жн2 -1,140222 • К + 0,4966)б,
-3,222222 • Жн + 5,871111 • Жн - 2,6524,*, прод
1) бп
2
прод
+
+ 1 4,633333 • Жн2 -8,953666 • Жн + 4,324
];
- при Тс.а = 523 К:
П
К, бпрод ) = [(
-40,322222 • Жн2 + 78,340111 • Жн -38,0391)*,прод
1) бп
163,061111 Жн2 -316,631055 Жн +153,65545)бпрод I +
+[-153,06667 • Жн2 + 296,62933 • Жн -143,6433
- при Тс.а = 533 К:
п(к, бпрод) = [(40,611111 Жн2 - 76,130555 Жн + 35,5651)0
прод
(-164,29444• Жн2 + 308,828722• Жн -144,71225)б,
прод
[
+ 1 157,283333 • Ж2 -297,81217• Ж +140,68405 I.
(4)
(5)
На рис. 3 представлены результаты расчета удельного съема по уравнениям 4-6.
+
+
+
+
2
+
+
+
П, кг/(м3 • 3
2
1
Рис. 3. Поле значений удельной производительности с единицы объема:
1 - при Тс.а = 513 К; 2 - при Тс.а = 523 К; 3 - при Тс.а = 533 К
Увеличение удельной производительности при уменьшении начальной влажности овариальной жидкости (рис. 3) очевидно, т. к. сокращается количество удаляемой влаги, а, следовательно, и продолжительность процесса сушки, однако нижний предел начальной влажности ограничен (WK = 0,9 кг/кг), ввиду увеличения энергозатрат на диспергирование продукта при распылительной сушке. С увеличением температуры сушильного агента производительность существенно увеличивается (рис. 3), но при этом увеличивается температура продукта, что снижает качество термолабильного продукта. Анализ качественных показателей икорного золя - порошка, в результате комплекса экспериментов и теоретического анализа требований, предъявляемых к качеству, позволил рекомендовать верхний предел температуры сушильного агента Тс.а = 533 К. Зависимость удельной производительности от массового расхода овариальной жидкости епрод носит экстремальный характер (рис. 3), особенно в области влажности от WK = 0,9 до 0,94, что объясняется неоднозначным влиянием на целевую функцию расхода продукта. С одной стороны увеличение расхода определяет увеличение выхода сухого продукта, а с другой - приводит к росту продолжительности процесса и, соответственно, увеличению рабочего объема сушильной камеры. Верхний предел 2прод = 2,5 кг/ч ограничен и определен в результате предварительных экспериментальных исследований для обеспечения надежной работы распылителя и устойчивых параметров факела распыла.
Рациональные значения варьируемых параметров (Тс.а = 533 К; WK = 0,9 кг/кг; 2прод = 1,5 кг/ч) и максимум искомой (целевой) функции П = 0,156 кг/(м3 • ч) определены с помощью опции «maximize» в среде Mathcad Professional.
Заключение
В ходе экспериментально-аналитических исследований разработаны рациональные режимные параметры для последующей организации процесса сушки овариальной жидкости рыб осетровых пород с целью организации промышленного производства икорного золя - порошка для целей косметической промышленности. Дальнейшие теоретические и экспериментальные исследования комплекса физико-химических характеристик объекта исследования, статики процесса сушки позволят выработать рекомендации по рациональному проектированию конструкции сушильного аппарата, а также разработать физико-математические модели тепломассо-переноса для оперативного управления процессом обезвоживания.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Алексанян И. Ю., Буйнов А. А. Высокоинтенсивная сушка пищевых продуктов. Пеносушка. Теория. Практика. Моделирование: моногр. - Астрахань: Изд-во АГТУ, 2004. - 380 с.
2. Максименко Ю. А. Совершенствование тепломассообменных процессов при сушке кормовых дрожжей в диспергированном состоянии: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 01.04.14 / Астрахан. гос. техн. ун-т. - Астрахань, 2005. - 21 с.
3. Петровичев О. А. Исследование тепломассообменных и гидромеханических процессов при распылительной сушке пектинового экстракта: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 01.04.14 / Астрахан. гос. техн. ун-т. - Астрахань, 2007. - 21 с.
Статья поступила в редакцию 5.09.2011
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ
Максименко Юрий Александрович - Астраханский государственный технический университет; канд. техн. наук; доцент кафедры «Технологические машины и оборудование»; amxs1@yandex.ru.
Maksimenko Yury Aleksandrovich - Astrakhan State Technical University; Candidate of Technical Science; Assistant Professor of the Department "Technological Machine and Machinery"; amxs1@yandex.ru.
