CC BY
32
УДК 664.1.048.5
Подавление пены при выпаривании жидкого сельскохозяйственного сырья в вакууме
А. А. Емельянов, д-р техн. наук, проф.; К. А. Емельянов, асп. Орловский государственный технический университет
Малогабаритная установка для концентрирования и сушки жидкого сельскохозяйственного сырья в вакууме, применимая к условиям малых предприятий и фермерских хозяйств, представлена в [1]. Установку использовали при получении сухих плодово-ягодных соков в виде паст, гранул и порошков [2]. Однако выпаривание натуральных соков в вакууме сопровождается образованием пены, существенно замедляющим переход от прогрева жидкости к кипению, испарению и конденсации влаги, вплоть до остановки процесса выпаривания.
С целью ускорения прогрева жидкого сельскохозяйственного сырья в вакууме и создания условий для выпаривания исследовали методы подавления пенообразования.
Массоперенос в вакуумной выпарной установке, представляющей собой замкнутую неравновесную термодинамическую систему, обеспечивается наличием горячего и холодного источников тепла при непрерывной работе форвакуумного насоса. Мощность нагрева, подведенная к испарителю, определяет время достижения выпариваемой жидкостью критической температуры tкр, при которой достигается режим кипения. Температуре t соответствует критическое давление ркр. В динамической вакуумной системе давление в испарителе обеспечивается равновесием скоростей откачки и испарения. Скорость откачки задается производительностью насоса, скорость испарения — мощностью нагрева. В зависимости от соотношения скоростей откачки и испарения изменяются продолжительность прогрева и величины критических давления ркр и температуры tкр. Переход к кипению жидкого сельскохозяйственно-
го сырья в вакууме сопровождается пенообразованием, которое возникает при подводе энергии и существенным образом зависит от давления ркр и температуры t . Поэтому в основе подавления пенообразования должны лежать методы регулирования температуры и давления в испарителе в отсутствие подвода тепла.
Эксперименты выполнены на вакуумной установке(см.рисунок).
Установка включает испари-тель1,соединенный паропроводом 2 с горизонтальным кожухотрубча-тым конденсатором 3. Горизонтальный конденсатор, предназначенный для конденсации пара, подсоединен трубопроводом 4 к вертикальному конденсатору 5. Охлаждение конденсата происходит в вертикальном конденсаторе, который соединен через вентиль 6 со сборником конденсата 7. При больших скоростях выпаривания вертикальный конден-
сатор охлаждает смесь пара и конденсата и повышает эффективность работы устройства. В конденсаторах использовано водяное охлаждение. Сборник конденсата подсоединен через ловушку жидкой фазы 8 и вентиль 9 к форвакуумному насосу 10, обеспечивающему разрежение до 6 Па в системе. Ловушка защищает, с одной стороны, насос от проникновения жидкой фазы, а с другой — сборник конденсата от аварийного попадания рабочей жидкости насоса. На внутренней поверхности крышки испарителя смонтирован брызгоуловитель 11, который, разделяя паровую и жидкую фазы, защищает конденсат от брызг кипящего продукта и обеспечивает его чистоту и прозрачность. На крышке испарителя соо-сно брызгоуловителю смонтирован дефлегматор 12, подключаемый с помощью вентилей 13, 14 к системе охлаждения конденсатора. При сушке в испаритель загружают рабочие тела 15 в виде шаров из нержавеющей стали. Теплоподвод в установке осуществлен с помощью трубчатых электронагревателей 16. Испаритель помещен в ячейку 17 с двумя осями вращения. Привод 18 обеспечивает колебательное вращение ячейки на пол-оборота относительно оси симметрии и осуществляет перемешивание продукта при ее горизонтальном расположении. Положение оси симметрии ячейки изменяется с помощью рукоятки 19. Терморегулятор 20 поддерживает
7 8 10
Блок-схема установки
2009
5
9
38
заданную температуру рабочей жидкости в рубашке испарителя.
Для подавления пенообразования, сопровождающего вакуумное выпаривание жидких сельскохозяйственных продуктов, регулировали давление в испарителе путем его отсечки и последующего подсоединения к вакуумной системе при отключенном нагреве [3]. Отсекая испаритель, повышали в нем давление и подавляли пенообразование. После снижения уровня пены и ликвидации угрозы попадания выпариваемого продукта в паропровод давление в испарителе снижали до первоначальной величины, плавно подключая его к вакуумной системе. В случае повторного пенообразования операцию регулирования давления в испарителе повторяли. После подавления пены выпариваемая жидкость переходила в стадию объемного кипения. Кипение, сопровождавшееся испарением влаги, конденсацией паров и поступлением конденсата в сборник, в течение нескольких минут выходило в установившийся режим, при котором регулированием мощности нагрева достигали заданной температуры кипения и производительности по выпаренной влаге.
Согласно данному методу осуществлено подавление пены при выпаривании 8 л сока черной смородины. С помощью форвакуумного насоса в системе создано разрежение р = 10 Па. Начальная температура продукта составила t = 20 °С, через 8 мин после включения нагрева мощностью N = 13,2 кВт температура в испарителе увеличилась до 24 °С и началось образование пены, угрожавшей попаданием продукта в сборник конденсата. Повышение давления в испарителе путем перекрытия трубопровода, соединяющего испаритель с вакуумной системой, привело к понижению уровня пены. После опускания пены плавное уменьшение давления в испарителе до первоначального значения обеспечило объемное кипение продукта. Кипение сопровождалось испарением и конденсацией влаги и протекало без пе-нообразования. В установившемся режиме выпаривания температура в испарителе и скорость испарения, оцененная по изменению влажности wc, отнесенной к сухой массе, составили соответственно 30 °С и dwc/dт = 4,4 ч-1.
Пенообразование можно подавлять, регулируя не только давление, но и температуру на выходе испарителя. При возникновении пленочного кипения было предложено понижать температуру в верхней части испарителя до 16...22 °С, а после подавления пены повышать ее до начального значения. В случае повторного пено-образования регулировали температуру до выхода процесса выпаривания в установившийся режим [4].
Для регулирования температуры на внутренней поверхности крышки испарителя смонтирован дефлегматор [5], подключаемый к системе охлаждения конденсаторов для создания локальной области пониженной температуры в верхней части испарителя. Температура на выходе конденсатора, составлявшая 16...22 °С, оказалась достаточной для эффективной работы дефлегматора. Создание зоны пониженной температуры на выходе испарителя обеспечивает конденсацию влаги в верхних слоях пленки, уменьшает размеры пузырей и сокращает пено-образование.
Эксперименты выполнены на 7 л животной крови. С помощью фор-вакуумного насоса разрежение в системе поддерживалось на уровне «10 Па. Нагрев крови сопровождался обильным пенообразованием. При приближении пены к крышке испарителя рабочая жидкость из системы охлаждения конденсаторов температурой 18 °С с помощью вентилей 13, 14 подавалась в дефлегматор. Создание зоны пониженной температуры в верхней части испарителя приводило к конденсации влаги в поднимающейся пене и сопровождалось ее подавлением. В результате трехкратного подключения и отключения дефлегматора процесс выпаривания был выведен в стационарный режим.
При вакуумном выпаривании охлажденного или замороженного сырья возникает обильное пенообра-зование. С целью подавления пены было предложено предварительно прогревать сырье при атмосферном давлении до температуры, превышающей температуру кипения в установившемся режиме вакуумного выпаривания [6]. В результате создания разрежения сырье переходит в перегретое состояние и равномерно закипает по всему объему, обеспечивая пузырчатый характер кипения и исключая пенообразование.
Испытания проведены на 13 л сока клубники. Сок был предварительно прогрет в испарителе при атмосферном давлении до температуры 45 °С. После прогрева в системе создано разрежение 10 Па. В результате снижения давления от атмосферного до 10 Па сок перешел в режим объемного кипения при температуре 32 °С в отсутствие пенообразования. В экспериментах также использовано 7 л клубничного сока, предварительно замороженного до температуры -20 °С. Оттаявший сок вместе со льдом загружали в испаритель, после чего в системе создавалось разрежение 10 Па и происходил нагрев сырья. После 30 мин нагрева при медленном увеличении температуры возникло обильное пенообразование, закончившееся выбросом пены и сока в сборник конденсата.
Одновременный нагрев сырья в испарителе при атмосферном давлении с перемешиванием до температуры 50 °С и создание разрежения в сборнике конденсата с последующим подключением испарителя к вакуумной системе обеспечивают более быстрый переход от прогрева к установившемуся режиму выпаривания.
Таким образом, предложены методы подавления пены, возникающей на заключительной стадии прогрева жидкого сельскохозяйственного сырья при переходе к устойчивому режиму выпаривания в вакууме. Методы основаны на регулировании давления и температуры в испарителе.
ЛИТЕРАТУРА
1. Емельянов А. А., Золотарев А. Г., Емельянов К. А. Малогабаритная установка для концентрирования и сушки пищевых продуктов в вакууме//Пищевая промышленность. 2007. № 12. С. 52.
2. Емельянов А. А. Сухие натуральные соки: пасты, гранулы, порошки//Пиво и напитки. 2008. № 2. С. 36-39.
3. Долженков В. В., Емельянов А. А., Емельянов К. А., Золотарев А. Г. Патент РФ 2327356 // 2008. БИ. № 18.
4. Емельянов А. А., Емельянов К. А., Долженков В. В, Золотарев А. Г. Патент РФ 2338977 РФ // 2008. БИ. № 32.
5. Емельянов А. А., Емельянов К. А., Долженков В. В., Золотарев А. Г. Патент РФ 2338979 // 2008. БИ. № 32.
6. Емельянов А. А., Емельянов К. А., Должен-ков В. В., Золотарев А. Г. Положительное решение по заявке № 2007126447/06. &
1 • 2009
39
