CC BY
245
ПРОДОВОЛЬСТВЕННОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ
УДК 664.8.047:536.24
Профессор И.Ю. Алексанян, доцент Ю.А. Максименко, аспирант О.Е. Губа, аспирант Ю.С. Феклунова (Астраханский гос. технич. ун-т) кафедра технологических машин и оборудования, тел. (8512)614191 E-mail: amxsl@yandex.ru
Professor I.Yu. Aleksanyan, Associate Professor Yu.A. Maksimenko, Graduate Student O.E. Guba, Graduate Student Yu.S. Feklunova
(Astrakhan state technical university) chair of technological machines and equipment, tel. (8512)614-191 E-mail: amxsl@yandex.ru
Распылительная сушилка Spray dryer
Реферат. Распылительные сушильные установки традиционно используются для обезвоживания жидких и пастообразных биополимерных систем в пищевых технологиях при производстве сухих дисперсных материалов. Практический интерес представляют результаты исследований по разработке и внедрению рациональных конструкций распылительных сушилок. Сушка в распыленном состоянии имеет ряд достоинств: высокое качество высушиваемого продукта, т.к. отсутствует его перегрев; готовый продукт не требует дополнительного измельчения и обладает высокой растворимостью; возможность исключения из технологии энергоемкой стадии предварительного выпаривания. Недостатки распылительной сушки: сложность оборудования для распыли-вания и улавливания сухих частиц; сложность управления процессом и контроля качественных показателей продукта при переработке; значительные удельные габариты установок, работающих при мягких режимах, и др. Предложен рациональный метод распылительной сушки для жидких и пастообразных биополимерных систем в пищевых технологиях. Разработанная рациональная конструкция распылительной сушильной установки позволяет увеличить интенсивность процесса и осуществлять циркуляционное перемешивание, предварительный нагрев и струйную подачу продукта при сушке. Положительный эффект предлагаемого устройства обеспечивается за счет увеличения интенсивности и качества процесса сушки. Предложена принципиально новая схема организации процесса распылительной сушки и ее конструкторское решение для минимизации и устранения недостатков, присущих традиционным конструкциям. Результаты исследований могут быть использованы при организации процессов комплексной переработки пищевого сырья.
Summary. Raspylitelny drying installations are traditionally used for dehydration of liquid and pastelike biopolymer systems in food technologies by production of dry disperse materials. Practical interest is represented by results of researches on development and deployment of rational designs the raspylitelnykh of dryers. Drying in the sprayed state has a number of
© Алексанян И.Ю., Максименко Ю.А., Губа O.E., Феклунова Ю.С., 2015
advantages: high quality of the dried-up product since there is no its overheat; the ready-made product doesn't demand additional crushing and possesses high solubility; possibility of an exception of technology of a power-intensive stage of preliminary evaporation. Shortcomings of raspylitelny drying: for sprayvaniya complexity of the equipment also catching of dry particles; complexity of management of process and control of quality indicators of a product when processing; considerable specific dimensions of the installations working at the soft modes, etc. Proposed rational method of spray drying for liquid and paste-like biopolymer systems in food technologies. A rational design of the spray-drying unit allows you to increase the intensity of the process and implement the circulation mixing, preheating, and the jet flow of the product during drying. The positive effect of the device is ensured by increasing the intensity and quality of the drying process. The author proposes a new scheme of organization of the process of spray drying and its design to minimize and eliminate the disadvantages inherent in conventional designs. The results of the research can be in the organization of processes of complex processing of food raw materials.
Ключевые слова: тепломассообмен, сушка, техника и технологии сушки, распылительная сушка, тепломассоперенос.
Keywords: heat and mass transfer, drying technology drying, spray drying, heat and mass transfer.
Распылительные сушильные установки традиционно используются для обезвоживания жидких и пастообразных биополимерных систем в пищевых технологиях при производстве сухих дисперсных материалов. Распылительная технология широко применяется для сушки рыбных бульонов и гидролизатов, растительных экстрактов, плодоовощных концентратов, бактериальных препаратов, молока, яичных продуктов и др.
Практический интерес представляют результаты исследований по разработке и внедрению рациональных конструкций распылительных сушилок, позволяющих реализовывать на практике нестационарные аэродинамические режимы при сушке [4, 8, 9]. Совершенствованию технологической операции сушки уделяется большое внимание, так как именно данная стадия достаточно энергоемка, а следовательно, в значительной степени определяет стоимость готового продукта и, кроме того, оказывает существенное влияние на качественные показатели товарной продукции.
Сушка в распыленном состоянии имеет ряд достоинств: высокое качество высушиваемого продукта, т.к. отсутствует его перегрев; готовый продукт не требует дополнительного измельчения и обладает высокой растворимостью; возможность исключения из технологии энергоемкой стадии предварительного выпаривания.
Наряду с достоинствами следует отметить некоторые недостатки распылительной сушки: сложность оборудования для распыливания и улавливания сухих частиц; сложность управления процессом и контроля качественных показателей продукта при переработке; значительные удельные габариты установок, работающих при мягких режимах, и др. Недостатки обусловливают повышенные энергетические и материальные затраты при эксплуатации.
На основе анализа современного состояния техники и технологии сушки предложен рациональный метод, позволяющий увеличить интенсивность процесса и дополнительно осуществлять циркуляционное перемешивание, предварительный нагрев и струйную подачу продукта при сушке.
Рис. 1. Сушильная установка: 1, 2 - усеченные конусы; 3 - цилиндр, 4 - газоход для подачи теплоносителя; 5 - трубчатый кольцевой питатель; б - гидравлические форсунки; 7, 14 -переливные перегородки; 8 - насос; 9 - газораспределительная решетка; 10 - газоход отработавшего теплоносителя; 11 - циклон; 12 - трубопровод; 13 - вентиль; 15 - колпачки
Сушильная установка (рис. 1) имеет: вертикальную сушильную камеру, образованную двумя усеченными конусами 1, 2 и цилиндром 3; газоход для подачи теплоносителя 4; трубчатый кольцевой питатель 5, оснащенный по периферии гидравлическими форсунками 6; переливные перегородки 7 и 14; насос 8; газораспределительную решетку 9, выполненную в виде пластины круглого сечения с отверстиями, по периметру которых жестко закреплены отрезки труб, накрытые сверху колпачками 15; газоход отработавшего теплоносителя 10; циклон 11; трубопровод 12; вентиль 13. Положительный эффект предлагаемого устройства обеспечивается за счет увеличения эффективности и качества процесса сушки.
Тсшгаиаснтсль
Рис. 2. Принцип работы сушильной установки
Устройство работает следующим образом (рис. 1, 2). Полый цилиндр сушильной камеры 3 от трубопровода 12 через трубчатый кольцевой питатель 5 и гидравлические форсунки 6 предварительно заполняется подлежащим сушке продуктом с помощью насоса 8, после чего по газоходу 4 производится подача сушильного агента в рабочий объем сушилки, образованный двумя усеченными конусами 1 и 2. Далее производится открытие вентиля 13. Вентиль 13 позволяет непрерывно осуществлять посредством питателя 5 и гидравлических форсунок 6 циркуляционное перемешивание продукта, подлежащего сушке, его дополнительный подвод от трубопровода 12 и предварительный нагрев за счет теплоносителя.
Поток теплоносителя при поступлении в слой жидкого продукта через перфорации колпачков 15 газораспределительной решетки 9 разбивается на струи, которые с большой скоростью входят в жидкий продукт. В пространстве между смежными колпачками газовые и жидкостные струи сталкиваются, деформируясь, образуя слой газожидкостной системы (пены) с сильно развитой поверхностью контакта продукта и теплоносителя, при этом образуется кипящий слой распыленных частиц продукта.
Распыленные частицы продукта при контакте с сушильным агентом высыхают и транспортируются потоком теплоносителя по газоходу 10 в циклон 11, где за счет возникающей центробежной силы происходит отделение сухого продукта от отработавшего теплоносителя. При циркуляционном перемешивании продукт непрерывно подается гидравлическими форсунками 6 на стенки сушильной камеры, омывая их, за счет чего исключается налипание и контакт распыленных частиц продукта со стенками сушильной камеры, а следовательно, нарастающее загрязнение стенок в процессе распылительной сушки.
При работе устройства с целью непрерывного и качественного высушивания продукта необходимо согласование расходов вновь подводимого по трубопроводу 12 продукта и продукта, диспергируемого на поверхности газораспределительной решетки 9. Количество гидравлических форсунок 6 в кольцевом питателе 5 определяется из условия полного омывания стенок сушильной камеры струями продукта без его диспергирования в зависимости от расхода продукта и размеров сушильной камеры. В рабочий объем сушилки при диспергировании попадают частицы продукта различных размеров. Мелкие частицы, скорость движения которых меньше скорости движения теплоносителя в рабочем объеме сушильной камеры, транспортируются потоком теплоносителя в циклон 11, при этом происходит их досушка. Крупные, вследствие того что скорость теплоносителя меньше их скорости движения, под действием силы тяжести вновь возвращаются на газораспределительную решетку 9, благодаря чему обеспечивается надежная работа устройства при возможных технологических колебаниях режимов распыления и сушки продукта ввиду изменения расходных параметров процесса и физико-химических характеристик продукта.
Скорость теплоносителя, подаваемого под газораспределительную решетку 9, должна соответствовать режиму уноса частиц продукта с поверхности решетки.
Все пространство между смежными колпачками 15 может быть разбито на следующие основные зоны (рис. 2): небарботируемой жидкости (зона А); недефор-мируемых струй (зона Б); деформируемых струй - пены (зона В); взвешенных частиц продукта (зона Д). Для зоны пены (зона В) характерна наиболее развитая поверхность массообменного контакта продукта с теплоносителем. Высота зоны пены возрастает с увеличением слоя жидкого продукта на газораспределительной решетке и скорости потока теплоносителя. Высота слоя жидкого продукта на газораспределительной решетке устанавливается и регулируется с помощью переливных
перегородок 7 и 14. Вместе с тем необходимо иметь в виду, что при увеличении высоты слоя пены увеличивается гидравлическое сопротивление движению потока теплоносителя. Переливная перегородка 14 образует с поверхностью сушильной камеры щелевой сектор для возврата части продукта в цилиндр 3 при циркуляционном перемешивании.
Дальнейшее развитие получает проведение исследований по учету при проектировании сушильной техники кинетических закономерностей процесса [1, 2, 3] и комплекса свойств объектов сушки, в том числе термодинамических [5], структурно-механических и теплофизических. Кроме того, необходима разработка математических моделей [6] для оперативного управления процессом и качеством продукции, а также автоматизации работы сушильной установки [7].
Предложенный рациональный метод позволяет увеличить интенсивность процесса и осуществить циркуляционное перемешивание, предварительный нагрев и струйную подачу продукта при сушке. Положительный эффект предлагаемого устройства обеспечивается за счет увеличения интенсивности и качества процесса сушки. Предложена принципиально новая схема организации процесса распылительной сушки и ее конструкторское решение для минимизации/устранения недостатков, присущих традиционным конструкциям, а также для расширения перспектив использования сушильной техники для организации процессов комплексной переработки пищевого сырья.
ЛИТЕРАТУРА
1. Алексанян, И.Ю. Исследование кинетики и совершенствование процесса распылительной сушки меланжа [Текст] / И.Ю. Алексанян, Ю.А. Максименко, O.E. Губа / / Технологии пищевой и перерабатывающей промышленности АПК - продукты здорового питания.- 2014.- № 3. - С. 43-47.
2. Губа, O.E. Исследование кинетики процесса распылительной сушки меланжа [Текст] / O.E. Губа, Ю.А. Максименко // Вестник АГТУ. - 2014. - № 2 (58) ноябрь. - С. 92-96.
3. Губа, O.E. Исследование кинетики распылительной сушки меланжа с учетом влияния основных факторов на интенсивность тепломассообмена [Текст] / O.E. Губа, Ю.А. Максименко // Естественные и технические науки. -2014. - № 7 (75). -С. 12- 74.
4. Губа, O.E. Разработка рациональных способа конвективной сушки для жидких продуктов в диспергированном состоянии и конструкции для его осуществления [Текст] / O.E. Губа, Ю.А. Максименко, С.А. Терешонков // Пищевая промышленность.- 2010.- № 10. - С. 24-25.
5. Губа, O.E. Термодинамический анализ закономерностей взаимодействия яичного порошка с водой [Текст] / O.E. Губа, Ю.А. Максименко, Т.Г. Васильева, Э.П. Дяченко // Хранение и переработка сельхозсырья.-2012. - № 1. - С. 8-9.
6. Максименко, Ю.А. Моделирование и совершенствование тепломассообмен-ных процессов при конвективной сушке растительного сырья в диспергированном состоянии [Текст] / Ю.А. Максименко // Вестник АГТУ. Серия: Управление, вычислительная техника и информатика. - 2013. - № 2 (Август). - С. 19 - 24.
7. Максименко, Ю.А. Автоматизация технологических процессов при переработке сырья растительного происхождения [Текст] / Ю.А. Максименко, Э.П. Дяченко, Ю.С. Феклунова, Э.Р. Теличкина // Вестник АГТУ. Серия: управление, вычислительная техника и информатика.-2014. - № 3 (Июль). - С. 21 - 29.
8. Максименко, Ю.А. Сушильная установка для получения порошков из жидких продуктов [Текст] / Ю.А. Максименко, H.A. Подледнева, O.E. Губа // Вестник АГТУ.
- 2011. - № 2 (52). - С. 41 - 44.
9. Максименко, Ю.А. Установка распылительной сушки для жидких биополимерных систем в технологиях рыбных продуктов [Текст] / Ю.А. Максименко / / Вестник АГТУ. - 2013. - № 2 (56). - С. 31 - 34.
REFERENCE
1. Aleksanian, I.Y. Research of kinetics and process improvement raspylitelny drying of melange [Text] / I.Y. Aleksanian, Y.A. Maksimenko, O.E. Guba // Technologies for the food and processing industry of AIC - healthy food.- 2014. - № 3. - P. 43-47.
2. Guba, O.E. Study of the kinetics of the process of spray drying melange [Text] / O.E. Guba, Y.A. Maksimenko // Vestnik of ASTU. - 2014. - № 2 (58). - P. 92-96.
3. Guba, E.O. Study of kinetics of spray drying melange taking into account the impact of major factors on the intensity of heat and mass transfer [Text] / O.E. Guba, Y.A. Maksimenko // Natural and technical Sciences. -2014. - № 7 (75). - P. 72 - 74.
4. Guba, O.E. development of a rational method of convective drying for liquid products in dispergirovannom condition and design for its implementation [Text] / O.E. Guba, Y.A. Maksimenko, S.A. Tereschonkov // Food industry. -2010. - № 10. -P. 24-25.
5. Guba, E.O. Thermodynamic analysis of the regularities of interaction of egg powder with water [Text] / O.E. Guba, Y.A. Maksimenko, T.G Vasilieva, E.P. Dyachenko // Storage and processing of farm products. -2012. - № 1. - P. 8-9.
6. Maksimenko, Y.A. Modeling and improvement of heat and mass transfer processes in the convective drying of plant materials in dispergirovannom condition [Text] / Y.A. Maksimenko / / Vestnik of ASTU. Series: management, computer science and informatics. - 2013. - № 2 (August). -P. 19 - 24.
7. Maksimenko, Y.A. Automation of technological processes in the processing of raw materials of vegetable origin [Text] / Y.A. Maksimenko, E.P. Dyachenko, Y.S. Feklunova, E.R. Telichkina // Vestnik of ASTU. Series: management, computer science and informatics. -2014. - № 3 (July). -P. 21 - 29.
8. Maksimenko, Y.A. Drying device for producing powders from liquid products [Text] / Y.A. Maksimenko, N.A. Podledneva, O.E. Guba // Vestnik of ASTU. - 2011.
- № 2 (52).- P. 41 - 44.
9. Maksimenko, Y.A. Installation of spray drying liquid biopolymer systems in fish products technology [Text] / Vestnik ASTU. -2013. - № 2 (56). -P. 31 - 34.
