CC BY
47
УДК 66.047
И. Ю. Алексанян, В. В. Давидюк, Л. Х.-А. Саипова Астраханский государственный технический университет
ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ ВАКУУМНОЙ ПЕНОСУШКИ СУХИХ МОЮЩИХ СРЕДСТВ НА ОСНОВЕ БЕЛКОВЫХ ГИДРОЛИЗАТОВ
Утилизация отходов производств является одним из наиболее целесообразных путей решения эколого-экономической проблемы. Предлагаемое исследование посвящено использованию бросовых отходов жиромучной и гидролизно-дрожжевой промышленности - подпрессового бульона и лигнина и производству на их основе рыбных гидролизатов (РГ) и белковых изолятов (БИ). Неоднократно принимались попытки получить из бульона сухой кормовой белок. Однако вследствие значительного расхода энергии на испарение воды до некоторых пор не удавалось разработать экономически приемлемую технологию. Слишком дороги и мембранные технологии, которые на заключительной стадии требуют испарения остаточной влаги.
Коллективом авторов кафедры общей и неорганической химии Астраханского государственного технического университета был разработан состав моющего средства (МС) на основе подпрессовых бульонов и щелочных рыбных гидролизатов в смеси с гексаметафосфатом натрия. Предложенная технология позволяет не только утилизировать отходы производства, обеспечивая сохранность окружающей среды, но и получать высокоэффективный недорогой продукт. Его испытания показали высокую степень очистки емкостей, загрязненных остатками нефтепродуктов, при низкой себестоимости моющего раствора. Однако транспортировка и хранение готового МС экономически нецелесообразна. Отсюда очевидна перспектива сушки полученных из РГ и БИ МС до готового продукта - сухих МС.
Предлагаемое исследование посвящено разработке состава и рационального способа сушки во вспененном состоянии МС на основе подпрес-совых бульонов и щелочных РГ в смеси с гексаметафосфатом натрия. Предварительные исследования показали, что вследствие высокой пенообразующей способности сушку РГ, как «трудносохнущих» белковых продуктов, целесообразно проводить в вакууме во вспененном состоянии при объемном инфракрасном (ИК-) энергоподводе.
Для практической проверки теоретических исследований процессов сушки, термодинамического анализа взаимодействия продуктов с водой и механизма устойчивости структуры (пеноструктуры), выбора рационального способа энергоподвода, а также отработки оптимальных режимов сушки, проведены эксперименты по изучению кинетики сушки МС и влияния основных факторов на ее эффективность на экспериментальных установках и макетах сушилок при комбинированном энергоподводе.
Кинетику обезвоживания исследовали с помощью вероятностностатистических методов планирования и обработки экспериментальных данных. В качестве целевой функции выбран съем сухого продукта с единицы площади рабочей поверхности (объема камеры) в единицу времени У, кг/(м2-ч).
Проведены исследования радиационной, радиационно-
кондуктивной (на подложке - пластина, сетка и т. д.) сушки в атмосфере и в вакууме при различных способах подачи продукта на рабочую поверхность сушилок (намазывание, напыление).
Установлено, что к основным факторам, влияющим на интенсивность процесса сушки, относятся: исходная концентрация сухих веществ Со, кг/кг; толщина слоя И, м (условная толщина слоя, м3/м2) или масса напыляемого продукта на единицу площади Q, кг/м2; остаточное давление в вакуумной камере Р0, Па; плотность теплового потока q, кВт/м2; соответствующая максимальной интенсивности излучения длина волны Атах, мкм, однозначно соответствующая напряжению на ИК-излучателях и, В; температура рабочей поверхности начальная tп, К; температура подаваемого раствора ^, К. Границы варьирования факторов выбраны исходя из технологических ограничений и возможностей технического осуществления процесса сушки. Диапазоны варьируемых факторов: С0 = 0,1+0,6 кг/кг, q = 1+11 кВт/м2, Р0 = 5 200...105 Па, И = (0,5+4)-10-3м, и = 80+220 В, ^ = 313+473 К, ^ = 293+353 К.
Эксперименты проводились по многоуровневому многофакторному плану, составленному на основе ортогональных квадратов, по полному многоуровневому многофакторному плану и по однофакторному многоуровневому плану; при фиксации всех побочных параметров для уточнения влияния отдельных факторов на эффективность сушки, составления полной формализованной математической модели и окончательной отработки режимов.
Экспериментальная установка позволяет осуществить сушку продуктов в вакууме и в атмосферных условиях на ровной пластине, сетке при радиационном и комбинированном энергоподводе. Нагрев сохнущего продукта осуществлялся посредством трубчатых галогенных ламп КИ (КГ, КГТ) и спиралей из проводов ОХ27Ю5А в кварцевых трубках (предусмотрено двухстороннее облучение). tп и tр регистрировались автоматическим потенциометром КСП-4 в комплекте с хромель-копелевыми термопарами. Измерение убыли массы продукта в процессе сушки осуществлялось с помощью весов ВЛК-500 или модернизированных весов ВЛК-500 со встроенным в них конденсатором переменной емкости, изменяющейся при варьировании веса. Конденсатор связан с цифровым измерителем емкости типа Е8-4 с точностью измерения 0,01 пФ, что обеспечивало точность измерения массы ± 0,02 г. Перед опытами проводилась градуировка весов в реальных условиях сушки. Весы соединялись с вертикальной или горизонтальной пластиной, на которую в случае сушки с напылением наносился посредством щеточного распылителя слой продукта, подаваемый в камеру шестеренчатым насосом из расходной емкости. В случае необхо-
димости для дополнительного диспергирования продукта предусмотрен подвод газа на питающей линии. Камера снабжена смотровыми окнами для визуального наблюдения процесса сушки. Р0 контролировалось по вакуумметру. Откачка воздуха проводилась двумя спаренными насосами типа BH-46IM или водокольцевым насосом типа ВВН. ИК-излучатели располагаются на специальной раме или двух рамах (при двухстороннем облучении) и снабжены плоским отражателем из полированного алюминия для обеспечения диффузного потока облучения. Предусмотрена также возможность взаимного перемещения ИК-излучателей, продукта и распылителя. Включение каждого излучателя обеспечивалось независимо друг от друга, регулировка напряжения осуществлялась посредством тиристорного регулятора, связанного с приборами контроля U и силы тока на щите управления.
Для оценки зависимости эффективности сушки от количества тепла, подводимого к слою продукта, расчета распределения объемной плотности поглощенной энергии по толщине слоя и температурных полей, необходимо экспериментальное определение оптимальных и максимально допустимых значений лучистых тепловых потоков, точный аналитический расчет которых затруднен с учетом многократных отражений в камере, сложности конструкции экспериментальной установки.
Анализ методов измерения тепловых потоков позволил выбрать универсальный тепломер для исследования процессов средней интенсивности с q = 10^10 000 Вт/м2. Использовался одиночный датчик теплового потока.
Обработку экспериментальных данных проводили с использованием математического пакета MathCAD и процессора электронных таблиц Excel.
Компьютерная обработка информации и многомерный статистический анализ данных позволили получить адекватные математические линейно-степенные зависимости. Достоверность аппроксимации R2 зависимости критерия оптимизации от варьируемых параметров для всех зависимостей не менее 0,85. Увеличение показателя степени параметров в полиноме не влияло на величину R2.
При ИК-сушке отмечено наличие двух максимумов Y при U = 180 В и U = 100 В, что обусловлено смещением ^max к 1,16 мкм и 1,6 мкм, соответствующим полосам поглощения влаги. Применение излучателей КИ (КГ, КГТ)-220-1000 при U = 180 В для сушки жидких и пастообразных продуктов (пены) нерационально из-за их термопластичности и локального подгорания. В случае применения генераторов типа нихромовых спиралей в кварцевых трубках (^max = 2,4 мкм) наблюдается снижение Y, причем при росте С0 Ymax наиболее ярко выражена при U = 100 В.
Отмечена нецелесообразность предварительного перегрева растворов МС перед пеносушкой из-за снижения вязкости и резкого падения стабильности пены.
Рассмотрим подробнее, на примере отдельных продуктов, влияние на интенсивность сушки тех факторов, которые позволили определить под-
ходы и выявить закономерности в проведении экспериментальных исследований и обработке полученных данных.
Исследовались растворы МС на основе РГ из мойвы, С0 которых контролировалась посредством высушивания навесок в вакууме до постоянного веса. Эксперименты проводились для проверки теоретического анализа при исследовании процессов, сведения о которых явно недостаточны для их оптимизации.
Атах, зависящая от вида излучателя, является однозначной функцией и, определяющего также q и температуру излучающей поверхности. Плотность и дисперсность вспененного продукта зависят от перечисленных выше факторов. ^ согласно исследованиям на макете вакуумной пе-носушилки должна быть стабилизирована и равна 80 °С; такая температура рабочей поверхности устанавливается в процессе непрерывной сушки МС без локального подгорания и разрушения пены. При повышении ^ капли напыляемого продукта не налипают на рабочую поверхность. Из-за интенсивного испарения капли между ней и поверхностью мгновенно образуется пленка перегретого пара, и продукт практически весь отскакивает от подложки. При низкой ^ наблюдается частичное стекание вспененного МС и понижение скорости сушки. Варьирование факторов производилось на четырех и пяти уровнях.
Ввиду отсутствия в настоящее время излучателей с Атах = 1,6 мкм оправдано снижение и с помощью тиристорного регулирования или использование групп из соединенных последовательно ламп КИ-220-1000, что, даже несмотря на снижение КПД, экономически выгодно. q следует поддерживать в пределах 2,5^3 кВт/м2. Дальнейшее увеличение q не приводит к существенному повышению У, к тому же при этом наблюдается локальное подгорание, плавление МС и перегрев слоя пены. Снижение q ниже 2,5 кВт/м2 нецелесообразно ввиду резкого снижения У.
Увеличение С0 повышает У, однако при вакуумной пеносушке на скорость сушки влияет пенообразующая способность раствора, стабильность и дисперсность пен, которые снижаются при С0 > 60 %. Отрицательное влияние на У повышения tр можно объяснить понижением вязкости объемной части пленок при возрастании температуры, вызывающем, как следствие, быстрое снижение толщины и разрушение слоя пены из-за ряда таких явлений, как стекание жидкости по каналам Плато, утонение и разрыв пленок.
Рост У при уменьшении Р0 в вакуумной камере очевиден. До Р0 = 10 526 Па существенного увеличения съема не наблюдается ввиду малой интенсивности самоиспарения в слое продукта. При дальнейшем понижении У резко возрастает. При разрежении в камере до 82 895 Па скорость обезвоживания очень мала, и в итоге из пены продукта образуется стеклообразный слой, который практически невозможно отделить от рабочей поверхности.
Зависимость У от И или Q имеет довольно сложный экстремальный характер. Здесь наблюдаются два максимума: при Q = 0,095 кг/м2
(И = 1 мм) и при Q = 0,175 кг/м2 (И = 2 мм). Дальнейшее увеличение Q при-
водит к быстрому спаду У, по-видимому, из-за перехода слоя пены из оптически тонкого в оптически бесконечный, уменьшения эффекта объемных энергоподвода и испарения влаги ввиду ограниченной пропускатель-ной способности вспененных продуктов, являющихся сильно рассеивающими излучение средами. Экстремальный вид зависимости обусловлен взаимным влиянием двух факторов на У. Это, с одной стороны, снижение продолжительности сушки при уменьшении И и, с другой, возрастание У при повышении Q.
Таким образом, выявлена целесообразность использования при пе-носушке в вакууме МС следующих режимных параметров: остаточное давление в камере Р0 = 5 200.105 Па; температура исходного раствора ^ = 25^50 °С; удельная нагрузка по исходному продукту Q = 0,094 кг/м2 (И = 1 мм); тепловой поток q = 3 кВт/м2 при облучении лампами КИ(КГ)-220-1000 при и = 100 В.
Высушенный данным способом МС представляет собой, в зависимости от режимов сушки, либо белый тонкодисперсный порошок, либо гранулы и хлопья различного размера. Съем сухого продукта может достигать 45 кг/(м2ч), что значительно превышает лучшие мировые образцы аналогичных способов сушки подобного рода продуктов.
Получено 17.02.05
OPTIMIZATION OF OPERATING CONDITIONS OF VACUUM FOAM DRYER FOR DRY DETERGENTS ON THE BASIS OF PROTEIN HYDROLISATES
I. Yu. Alexanyan, V. V. Davidyuk, L.-Kh. A. Saipova
There was defined formular composition and rational way of drying of detergents (D) in the foamed condition on the basis of press liquors and alkali fish hydrolysates (FH) in the mixture with sodium hexametaphosphate is recommended to perform drying in foamed state in vacuum at positive-displacement infrared energy supply in vi-tue of high-foam forming capacity of FH drying. It is recommended to use the following operating parameters at foam drying D in vacuum: permanent pressure in a chamber P = 3 900...5 200 na; temperature of starting solution t = 25-50 °C; specific load with respect to starting product O = 0,094 kg/m2 (h = 1 mm); heat flow q = 3 kW/m2 by irradiation of lamps KH (Kr)-220-1000 at U = 100 V. It made possible to increase dry product output to 45 kg / (m2-h) and it exceeds the best world specimens of similar means of drying products of the same kind.
