CC BY
18
ПРОДОВОЛЬСТВЕННОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ
УДК 664.8.047:536.24
Кинетика распылительной сушки растительных материалов
Kinetics of spray drying plant materials
Доцент Ю.А. Максименко, ассистент Ю.С. Феклунова, лаборант Э.Р. Теличкина, аспирант Н.Э. Пшеничная
(Астраханский государственный технический университет) кафедра технологических машин и оборудования, тел. (8512)61-41-91 E-mail: amxsl(ayandex.ru
Associate Professor Yu.A. Maksimenko, Assistant Yu.S. Feklunova, Laboratorian E.R. Telichkina, Graduate Student N.E. Pshenichnaya
(Astrakhan state technical university) chair technological machines and equipment, tel. (8512)61-41-91 E-mail: amxsl(ayandex.ru
Реферат. Представлены результаты экспериментально-аналитических исследований кинетики процесса распылительной сушки растительных материалов для последующего анализа, расчета и моделирования процесса сушки. Исследования кинетики сушки проводились: для экспериментального подтверждения ряда положений теории сушки; практической проверки теоретических исследований; комплексного анализа тепломассообменных процессов и разработки математических моделей, адекватных протекающим физическим явлениям. Для анализа кинетики сушки был применен традиционный лабораторный метод, связанный с отбором проб из зоны сушки на гидрофобное покрытие и дальнейшей регистрацией убыли веса экспериментальных образцов при досушке. В качестве основных факторов, влияющих на эффективность процесса сушки, при проведении экспериментальных исследований были приняты: температура сушильного агента и начальная температура продукта. Границы варьирования факторов установлены из технологических ограничений и возможностей технической реализации экспериментального процесса сушки. Представлены кривые сушки и скорости сушки. Получена функциональная зависимость скорости процесса сушки от влияющих факторов. Анализ характера экспериментальных кривых скорости сушки растительных материалов позволяет сделать вывод о том, что при интенсивной распылительной сушке зависимость скорости носит экстремальный характер. Отмечается быстрый рост функции до максимального значения в первом периоде с последующим резким падением, что обусловлено процессами формирования капиллярно-пористой структуры частиц продукта при их обезвоживании. Прослеживаются два характерных периода обезвоживания, что не противоречит основным положениям теории сушки. Дальнейшее развитие получает продолжение экспериментальных исследований и обобщение результатов с целью определения эмпирических коэффициентов функциональных зависимостей для других перерабатываемых продуктов.
Summary. Presents the results of experimental and analytical studies of the kinetics of the process spray diying plant materials for analysis, calculation and simulation of the drying process. The study of the kinetics of diying was carried out for: experimental confirmation of a number of provisions of the theory of drying; practical verification of theoretical research; a comprehensive analysis of heat and mass transfer processes and the development of mathematical models, adequate to the occurring physical phenomena. To analyze the kinetics of diying was applied traditional laboratory method associated with the sampling of the zone drying on a hydrophobic surface and further registering the weight loss of experimental samples at the final diying. The main factors affecting the efficiency of the diying process, when conducting experimental research were adopted: the temperature of the diying agent and the initial temperature of the product. Borders of variation of the factors set from the technological
€> Максименко Ю.А., Феклунова Ю.С., Теличкина Э.Р., Пшеничная Н.Э., 2016
Технологии пищевой и т
АПК-продукты з ±
'и промышленности I, № 3, 2016
limitations and opportunities of technical realization of the experimental drying process. The curves of drying and drying rate. Obtained functional dependence of speed of drying process and the influencing factors. The analysis of the character of experimental curves of drying rate of vegetable materials allows to conclude that the intensive spray drying the dependence of the rate is of the extreme nature. There has been a rapid growth function to a maximum value in the first period, followed by a sharp drop, due to the processes of formation of the capillary-porous structure of the product particles when they are dehydrated. Can be traced two characteristic period of dehydration that does not contradict the basic provisions of the theory of drying. The continuation of experimental studies and the generalization of the results to determine the empirical coefficients of the functional dependencies for other recyclable products.
Ключевъье слова: сушка растительных материалов, распылительная сушка, кинетика процесса сушки.
Keywords: drying plant materials, spray drying, kinetics of drying process.
В настоящее время распылительной сушке жидких систем, получаемых при переработке сырья растительного происхождения, уделяется значительное внимание [1]. Для анализа, расчета и моделирования процесса распылительной сушки растительных материалов необходим значительный объем информации о переменных свойствах, форме, размерах, структуре частиц. В настоящее время современный уровень развития измерительной и вычислительной техники, а также сформированная многочисленными исследованиями база данных результатов, методов исследований и моделирования позволяют ставить и решать задачи более детального изучения сушки в диспергированном состоянии на новом качественном уровне, максимально приближенном к реальным условиям протекания процессов.
Исследования кинетики сушки проводились: для экспериментального подтверждения ряда положений теории сушки; практической проверки теоретических исследований; комплексного анализа тепломассообменных процессов и разработки математических моделей, адекватных протекающим физическим явлениям. Для анализа кинетики сушки применим традиционный лабораторный метод, связанный с отбором проб из зоны сушки на гидрофобное покрытие и дальнейшей регистрацией убыли веса экспериментальных образцов при досушке. Непрерывный процесс сушки производился при прямоточном контакте распыленного продукта с нагретым воздухом, при этом в установившемся режиме сушки при постоянных по высоте сушильной камеры параметрах процесса (температура и влажность сушильного агента и продукта) осуществлялся отбор проб витающих частиц продукта по высоте камеры. Пробы продукта отбирались с целью определения степени их обезвоживания на разных стадиях процесса и построения экспериментальных кривых сушки.
В качестве экспериментальных образцов при изучении кинетики были использованы: плодоовощные пюре с размером частиц 1-30 мкм из моркови (начальная влажность W„ = 0,88 кг/кг), тыквы (W„ = 0,92 кг/кг) и яблока (W, = 0,88 кг/кг); пектиновый растительный экстракт из тыквы, полученный по оригинальной технологии (патент РФ № 2309607); водные экстракты корня алтея и корня имбиря (начальная влажность экстрактов перед сушкой W. = 0,9 кг/кг). Конечная влажность продуктов WK = 0,05 кг/кг принята в соответствии с требованиями к физико-химическим показателям сухих растительных материалов и на основании результатов изучения гигроскопических характеристик. Использовалась экспериментальная установка, разработанная на кафедре «Технологические машины и оборудование».
В качестве основных факторов, влияющих на эффективность процесса сушки при проведении экспериментальных исследований с учетом [2, 3] были приняты: температура сушильного агента Тс.а , К и начальная температура продукта Тпрод, К. Границы варьирования факторов (таблица) установлены из технологических ограничений и возможностей технической реализации экспериментального процесса сушки.
Таблица
Факторы и уровни варьирования
Уровни Факторы Тс.а., К Тпрод у К
1 Пюре, пектиновый экстракт 423 298
Экстракты корней алтея и имбиря 443 293
2 Пюре 473 -
Пектиновый экстракт 473 313
Экстракты корней алтея и имбиря 473 308
3 Пюре, пектиновый экстракт 523 328
Экстракты корней алтея и имбиря 503 318
Нижний предел Тпр0д = 293..298 К, соответствует температуре хранения плодоовощных пюре и водных экстрактов, а верхний предел Тпрод = 318..328 К может достигаться предварительным нагревом продуктов перед сушкой, в том числе при вакуум-выпаривании. Остальные факторы приняты постоянными и установлены в результате аналитических расчетов и серии постановочных экспериментов. Экспериментальные исследования кинетики сушки проводились по полному многоуровневому многофакторному плану с помощью вероятностно-статистических методов планирования и обработки данных. На основе результатов экспериментальных исследований построены кривые сушки продуктов, некоторые из которых представлены на рис. 1.
0.8 О. б 0.4 0.3 0.0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 Т, С
кг/кг
\ *1 "О 1
з /* ч
_2 N ч о-
-
Рис.1. Кинетика распылительной сушки пектинового экстракта при Тс. 1 - при Тпрод = 298 К; 2 - при Тпрод = 313 К; 3- при Тпр0д = 328 К
423 К:
Обобщая экспериментальные данные, для ряда продуктов получены зависимости скорости йс/йг для различной исходной температуры материалов ГПроД:
%• Л'
4-(Ak-Tea2 +Bk ■Тс.а. + Ск)-{\-су' +3-{Dk-Tc.a2 + Ек-Тс.а. +Fk)-{\-c)2 + + 2 ■ (Gk ■ Тс.a2 + H k ■ Тс.a. + К k) ■ (I - с) + (¿к ■ Tea2 + Mk ■ Тс.a. + Nk)
где Ak, Вк, Ск, Dk, Ек, Fk, Gk, Нк, Кк, Lk, Мк, Nk, - кинетические коэффициенты. Размерность кинетических коэффициентов равна отношению размерности функции к размерности аргумента (или произведения аргументов). С учетом что с, кг/кг, то размерность Ak, Dk, Gk, Lk, - с/К2; Вк, Ек, Нк, Мк - с/ К; Ск, Fk, Кк, Nie- с.
Анализ характера экспериментальных кривых скорости сутттки растительных материалов (рис. 2-3), построенных с использованием формулы (*), позволяет сделать вывод о том, что при интенсивной распылительной сушке зависимость скорости носит экстремальный характер.
0,4 -0,3 0,2 0,1 -0,0
0,15 0.4 0.65 0.9 С, КГ/КГ
Рис. 2. Кривые скорости распылительной сушки пюре из моркови при Т,ч„„> = 298 К: 1 - при Tea. = 423 К; 2 - при Tea. = 473 К; 3 - при Tea. = 523 К
OA 0,3 0,2 0,1 0.0
0,05 0,25 0,45 0,65 0 85 с, КГ/КГ
Рис. 3. Кривые скорости распылительной сушки пюре из яблока при Тпрод = 328 К: 1 - при Тс а. = 423 К; 2 - при Тс а = 473 К; 3 - при Тс а. = 523 К
Отмечается быстрый рост функции до максимального значения в первом периоде с последующим резким падением, что обусловлено процессами формирования капиллярно-пористой структуры частиц продукта при их обезвоживании. Стремительное удаление преимущественно свободной влаги с поверхности частиц за счет интенсивного испарения исключает перегрев продукта в начале процесса. При развитии процесса происходит уменьшение объема частицы, и в условиях влагоотдачи увеличивается концентрация сухих веществ в частице, что запускает механизм формирования внутренней структуры сухого продукта. В конце первого периода влажность на поверхности частицы достигает гигроскопического значения. В определенный момент в области точки перегиба происходит плавный переход структуры в капиллярно-пористое тело, в результате чего образуется сеть микрокапилляров, движение пара через которые далее осуществляется путем эффузии. Актуализируются процессы удаления влаги адсорбции при прогреве материала. Во втором периоде, после максимальной скорости в результате возрастающего несоответствия между расходом влаги, испаряющейся с поверхности частицы, и расходом влаги, поступающей из внутренних слоев, происходит углубление зоны испарения вглубь частицы. Прослеживаются два характерных периода обезвоживания, что не противоречит основным положениям теории сушки.
dc/dr, кг/(кгс)
у / 3 .........*_................................
УУ ''' NC' 4 - \ ^ \ ч......\........................
\ 1 4
/ ч»
dc/dг, кг/(кге)
Для комплексного анализа протекающих процессов и характеристики механизма внутреннего тепломассопереноса при распылительной сушке необходимы дополнительные исследования по оценке изменений ряда свойств высушиваемого продукта во времени процесса и моделирование. Дальнейшее развитие получает продолжение экспериментальных исследований и обобщение результатов с целью определения эмпирических коэффициентов функциональных зависимостей для других перерабатываемых продуктов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Алексанян, И.Ю. Инновационные технологии переработки сырья растительного происхождения [Текст]/ И.Ю. Алексанян, Ю.А. Максименко, A.M. Титова // Материалы II конференции «Инновационные технологии АПК России - 2014»,-2014,-С. 12-18.
2. 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. 509 - 511.
3. Максименко, Ю.А. Анализ влияния основных факторов на эффективность процесса сушки сырья растительного происхождения [Текст] / Ю.А. Максименко, Ю.С. Феклунова, Э.Р. Теличкина // Вестник Астраханского государственного технического университета,- 2014,- № 2 (58).- С. 97-101.
REFERENCE
1. Aleksanyan I.Yu. Innovatsionnye tekhnologii pererabotki syr'ya rastitel'nogo proiskhozhdeniya [Innovative technologies of processing of raw materials of a phyto-genesis] Materialy II konferentsii «Innovatsionnye tekhnologii APK Rossii - 2014», 2014, pp. 12-18 (Russian).
2. Maksimenko Yu.A. Sovershenstvovanie protsessa raspylitel'noy sushki produktov iz syr'ya rastitel'nogo proiskhozhdeniya [Improving the process of spray drying of products from raw materials of plant origin] Estestvennye i tekhnicheskie nauki, 2015, No 6(84), pp. 509 - 511 (Russian).
3. Maksimenko Yu.A. Analiz vliyaniya osnovnykh faktorov na effektivnost' protsessa sushki syr'ya rastitel'nogo proiskhozhdeniya [Analysis of the main influence factors on efficiency of process of drying of vegetable raw materials] Vestnik Astrakhanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, 2014, No 2 (58), pp. 97-101 (Russian).
