CC BY
109
ОТЕЧЕСТВЕННОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ
Лог
Распылительные сушильные установки
для получения порошкообразных пищевых полуфабрикатов
Г.О.Магомедов, Г.П.Мальцев, А.И.Бывальцев, М.М.Садулаев, А.Л.Семенов, М.Г.Магомедов
Воронежская государственная технологическая академия
Основными задачами российской пищевой и перерабатывающей промышленности являются разработка и внедрение высокоэффективной техники и технологий получения продуктов питания нового поколения, развитие сырьевой базы отрасли. Поэтому весьма актуально создание новых отечественных распылительных сушильных установок для переработки сельскохозяйственного сырья в порошкообразные пищевые полуфабрикаты (сахарные, фруктовые, овощные, комбинированные, обогащенные мучные, обогащенные сахарные, многокомпонентные) и производство на их основе кондитерских изделий, пищеконцентра-тов, сухих смесей для детского и диетического питания, безалкогольных напитков и т.д. Использование порошкообразных полуфабрикатов позволит реализовать новые технологии выпуска пищевых продуктов и при
этом уменьшить содержание углеводов и жиров, калорийность изделий, увеличить долю балластных соединений, обогатить продукты пектиновыми веществами, отдельными микроэлементами (К, Са, Мд, Ре), витаминами (А, С, РР, группы В).
При сушке распылением процесс диспергирования - один из наиболее важных. От него зависят технико-экономические показатели этого метода, качество продукта. Диспергирование материала необходимо исследовать как для создания более совершенных распылительных устройств (распылители монодисперсного распыла с регулируемой формой факела и дисперсностью распыла), так и для определения основных характеристик распыла в зависимости от свойств распыляемого материала, конструктивных и режимных параметров работы распылителя.
Распыленные капли раствора и сус-
параллельного тока распыленных частиц и газа
пензии подвергаются сушке в сушильных установках. Сушка является совокупностью процессов переноса теплоты и массы [1].
К.Д. Малецкая предложила классифицировать растворы как объект распылительной сушки по температурной кривой и кривой убыли массы капли на три группы [2]. К первой отнесены все высоковлажные растворы (9095 %), процесс обезвоживания которых протекает в основном при температуре равновесного испарения раствора. Во вторую группу включены растворы, для которых сушильная стадия обезвоживания капель протекает при монотонном повышении температуры. Это растворы с высокой начальной концентрацией растворенного вещества, близкой к концентрации насыщения. При обезвоживании капель таких растворов образующаяся твердая фаза по структурным и потенциало-проводным характеристикам относится к капиллярно-пористым материалам, лимитирующим внутренние процессы теплопереноса, но при этом не возникают значительные температурные и концентрационные градиенты. При сушке растворов третьей группы внутренние процессы переноса в значительной степени лимитируют интенсивность внешнего тепловлагообмена и существенно влияют на продолжительность сушильной стадии и общего времени обезвоживания. При сушке таких растворов образуется твердая фаза, по структуре относящаяся к классу коллоидных или коллоидных капиллярно-пористых тел (порошкообразные пищевые полуфабрикаты). При этом сушку растворов осуществляют в «жестких» режимах. Диффузионное сопротивление образующейся твердой фазы на поверхности капли в сушильной стадии настолько велико, что приводит к возникновению значительных температурных и концентрационных градиентов по сечению капли.
Таким образом, интенсивность испарения влаги из капель зависит не только от внешних условий, но и от физико-химических свойств растворов. Поэтому для выбора правильного режима сушки необходимо учитывать не только конструктивные параметры сушилки, но и в большей степени физико-химические, структурно-механические и теплофизические свойства растворов и порошков, полученных распылительной сушкой.
Нами сконструированы и исследованы различные экспериментальные распылительные сушильные установки с целью разработки промышленного оборудования для получения широко-
го ассортимента порошкообразных пищевых полуфабрикатов.
Предварительно исследовали процесс диспергирования растворов и суспензий на распылительной сушилке с параллельным током воздуха и распыляемых частиц продукта снизу вверх (рис. 1). Применяли распространенный метод улавливания капель иммерсионной средой [3, 4]. Он заключается в том, что пробоотборником с кюветой, заполненной вязкой жидкостью, в которой капля распыляемой жидкости не растворяется (в нашем случае глицерин, насыщенный сахарозой), улавливали капли. Толщина слоя была больше диаметра самых крупных капель, а плотность и вязкость такими, чтобы капли тонули, не сливаясь друг с другом и не теряя своей сферической формы.
Растворы и суспензии с температурой 40...80 °С распыляли пневматической форсункой в вертикальную камеру сушилки. На минимальном расстоянии от среза сопла форсунки (0,1 м) пробоотборником с отсе-кателем отбирали на предметное стекло с тонким слоем глицерина распыленные капли. Кювету с каплями помещали под микроскоп с мерной сеткой и непосредственно подсчитывали их число и размер. Для микрофотографирования капель использовали микроскоп с увеличением в 600 раз. Определяли 200 капель. Анализ проводили для проб, взятых из центра факела распыла.
Установка работает следующим образом. В вертикальную цилиндрическую камеру 7 параллельно подается воздух вентилятором 1 через фильтр 2, электрокалорифер 3 и раствор дозатором 4 из термостатируемой емкости 5 и пневматической форсунки 6 для распыления снизу вверх. Сжатый воздух для распыления подается компрессором 17через ресивер 18 с автоматическим устройством для поддержания заданного давления (0,2-1,0 МПа), ротаметр 19 и подогреватель 20 к пневматической форсунке.
Цилиндрическая сушильная камера представляет собой трубу диаметром 200 мм из нержавеющей стали и имеет зеркальную поверхность. В нижней части камеры смонтирована пневматическая форсунка струйного действия и перегородка 8 для равномерной подачи воздуха без завихрений. Кроме того, по высоте камеры сварены люки для смотровых окон 9 и патрубки 10 для отбора проб и регистрации температуры по зонам.
Частицы распыленного раствора, поднимаясь вверх сушильной камеры,
Порошок
установки смешанного типа
высушиваются и уносятся с отработанным воздухом в циклон 15 с приемником 16 для порошка. Очищенный в циклоне воздух выбрасывается вентилятором 14 в атмосферу.
Этот тип сушилки обеспечивает равномерную сушку продукта. Температура воздуха на входе сушилки (130.150 °С) поддерживается регулятором 21 типа ШОЗК и регистрируется потенциометром 13 типа КСП-4 в разных зонах сушильной камеры 12. Расход воздуха контролируется микроманометром 11, а сжатого воздуха - ротаметром РС-5.
При пуске сушилки вначале осуществляется распыление воды до установления рабочего режима, затем подается продукт.
Для интенсификации процесса сушки, регулирования структуры высушенных частиц растворов и суспензий была разработана вихревая распылительная сушилка. Ее особенностью, в отличие от установки, представленной на рис. 1, является то, что сушильная камера имеет вид центробежного циклона. Подача сушильного агента в камеру проходит тангенциально через воздухораспределительную решетку с шарнирными направляющими. Навстречу распыленному факелу раствора тангенциально движется поток горячего воздуха. При этом происходит агрегирование и сушка капель раствора.
Интенсификация термообработки материалов в объеме вихревой сушильной камеры осуществляется за
счет высоких скоростей потока в ее центре. Закрутка потоков в современных распылительных сушилках происходит при относительно невысоких скоростях газов (до 15-20 м/с). Аэродинамика потоков в вихревой камере регулируется шарнирными соплами путем изменения угла их наклона. При этом максимально улавливается продукт в сушильной камере и приемнике. Отработанный воздух с мельчайшими частицами порошка поступает в циклон с приемником, а очищенный -выбрасывается вентилятором в атмосферу.
Для сушки термолабильных пищевых продуктов целесообразно применять сушилки параллельного и смешанного тока распыленных частиц раствора и газа. Поэтому для исследования и получения термочувствительных порошкообразных пищевых полуфабрикатов (комбинированных и с модифицированной поверхностью частиц) была сконструирована распылительная сушильная установка смешанного типа (рис. 2, позиции см. в описании рис. 1).
Особенность установки - возможность применять для сушки высокую температуру газа без перегрева высушиваемого раствора. Температура сухих частиц в основном определяется температурой газов на выходе из сушилки. Для получения комбинированных порошкообразных полуфабрикатов предусмотрен дозатор сыпучих компонентов (крахмал, сухое молоко, мука, продукты экструдированных
ОТЕЧЕСТВЕННОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ
OL0
лвГ
круп, сахарная пудра, сахар-песок, какао-порошок, порошкообразный саха-ропаточный полуфабрикат и др.) для напыления на факел распыленного раствора или суспензий. В сушильной камере установлены две пневматические форсунки 7 навстречу друг другу по оси. Верхняя форсунка предназначена для распыления основного продукта, нижняя - антикомкующих или модифицирующих веществ на поверхность частиц основного материала (желатин, мальтодекстрин, модифицированный крахмал, фосфаты, ПАВ и др.). Ввод горячего воздуха происходит тангенциально по центру сверху камеры. Закрутка газов дается такой, чтобы газы по выходе из цилиндрической камеры отбрасывались к ее стенкам. Отработанный воздух с продуктом по центру снизу камеры отводится в конический циклон 15 с приемником 16 и в рукавный фильтр 22 для дополнительной очистки от мельчайших частиц порошка. Сушильная камера работает при разрежении 5-100 Па. Камера состоит из цилиндрической и конической части. Рукавный фильтр регенерируют механическим встряхивателем через 20-30 мин. Потери давления в сушильной камере определяются микроманометром типа ММН с трубкой Пито.
Для промышленной апробации результатов исследований по получению порошкообразных пищевых полуфабрикатов разработали полупромышленную распылительную сушильную установку смешанного типа (рис. 3)
производительностью по сухому продукту 5-20 кг/ч [5, 6]. Она позволяет осуществить непрерывный процесс получения порошкообразных полуфабрикатов, периодической выгрузки и пневмотранспортировки порошка до технологического участка. Установка состоит из следующих основных узлов: станции приготовления рецептурной смеси, воздушного компрессора 22 с маслоотделителем 21, пароэлектрока-лорифера 3, сушильной камеры 5 с рубашкой воздушного охлаждения, системы пневмоочистки 24 сушильной камеры от порошка, пневматической форсунки 4, циклона 7 с приемником порошка 8, рукавного фильтра 10 и узла пневмотранспорта.
Воздух из помещения цеха при 20...25 °С отсасывают через воздушные фильтры 6, расположенные на рубашке воздушного охлаждения, вентилятором 1 и затем нагнетают в пароэлект-рокалорифер 3 с шибером 2 для нагревания до 95.180 °С. Далее горячий воздух тангенциально закрученным потоком поступает по центру сверху в сушильную камеру 5. Сжатый воздух от компрессора 22 через маслоотделитель 21 и паровой теплообменник 20 подают к пневматической форсунке 4 при давлении 0,3-1,0 МПа и температуре 90.95 °С для распыления рецептурной смеси, а также для регенерации рукавного фильтра 10. Рецептурными смесями являются сахарные растворы, фруктово-овоще-молочные композиции со всевозможными добавками, концентраты квас-
ного сусла, цикория и др. Рецептурные компоненты подают из расходных емкостей 19 самотеком или под давлением в открытый варочный котел с мешалкой 18 марки 27 А, где растворяют или концентрируют до содержания сухих веществ 20-80 %. Фруктово-овощные смеси подвергают предварительному финишированию 15 до размера частиц 400 мкм, а затем вторичному финишированию горячей смеси 16 до размера частиц 200 мкм и окончательной гомогенизации 14 до 20-30 мкм перед подачей на распыление. Рецептурную смесь на вторичное финиширование подают шестеренчатым насосом 17, предварительно отфильтровав. Температура рецептурной смеси перед подачей на распыление не более 40.80 °С.
Распылительный узел расположен в верхней части сушильной камеры с устройством для регулирования режима работы пневматической форсунки. Часть порошка при сушке оседает на стенки цилиндрической и конической части сушильной камеры, поэтому для улучшения его сыпучести и предохранения от воздействия высоких температур предусмотрена воздушная рубашка. Она состоит из 3 секций с фильтрующими элементами. Температура стенки сушильной камеры в диапазоне 60.80 °С регулируется шиберными устройствами 2, установленными перед вентилятором 1 и после него.
Порошок из сушильной камеры выводится системой пневмоочистки 23. Из циклона 7 порошок выводится через приемник 8 с заслонками в линию пневмотранспорта без нарушения непрерывного режима сушки. В линии пневмотранспорта предусмотрен воздушный фильтр 9 для всасывания и очистки воздуха, циклон 7 с рукавным фильтром 12 специальной конструкции, приемник с заслонкой 8 и вентилятор высокого давления 13. Очищенный от порошка воздух выбрасывается в атмосферу вентиляторами 11, 13.
Эксплуатацию сушильной установки осуществляют следующим образом. Предварительно запускают вентиляторы 1, 11, воздушный компрессор 22, затем пароэлектрокалорифер 3, теплообменник 21 и устанавливают температурный режим сушки путем распыления воды пневматической форсункой. При этом проводят центровку форсунки и факела распыла через смотровые окна.
Параллельно готовят рецептурную смесь и затем переключают установку на сушку. Стабильность режима работы контролируется по темпера-
туре воздуха перед и после сушильной камеры и автоматически поддерживается. Кроме того, контролируется температура стенок сушильной камеры.
По завершении работы установку переключают на распыление воды, а затем выключают пароэлектрокалдо-рифер, вентиляторы 1, 11. После работы сушилку моют горячей водой путем распыления ее форсункой при включенных вентиляторах 1, 11, а затем сушат ее горячим воздухом. Сушилка выполнена во взрыво- и пожаробезопасном исполнении.
На основе исследований и промышленной апробации экспериментальных и полупромышленной распылительных сушильных установок была разработана промышленная установка, а затем и технологическая линия производства порошкообразных пищевых полуфабрикатов (рис. 4.).
Технология включает следующие основные стадии: приготовление рецептурной смеси, гомогенизация, распыление и сушка, пневмотранспортиров-ка и охлаждение порошка, его упаковка. Принцип работы линии заключается в следующем [7, 8, 9, 10]. Сахарные растворы, овощное и фруктовое пюре, молоко, патока, яблочно-пектиновая паста, концентраты квасного сусла, цикория и другие компоненты из расходных емкостей 1, 2, 3 плунжерными насосами Ж7-ШДС 4 дозируются в смеситель 5 станции ШСА-1.
Полученная однородная смесь поступает самотеком в промежуточную емкость 6 из нержавеющей стали вместимостью 200 л с фильтром, откуда подается на гомогенизацию. Смесь гомогенизируют до дисперсности частиц 20-30 мкм в аппарате А1-ОГМ 7. Далее смесь направляется в чугунную емкость 4 ЭрО 8 сушильной установки ПВ2-01РФ2,5-25-ВК-21. Насосной установкой 9 марки П8-ОНТ продукт подается на сушку в сушильную камеру 10 к пневматическим форсункам. Сюда же поступает нагретый сжатый воздух с температурой 90.150 °С и давлением 0,2-1,0 МПа от компрессора марки 4 ВУ1-5/9М2 через парокалорифер. Распыленные капли продукта высушивают в рабочей камере 10 горячим потоком воздуха (160.180 °C), который нагнетается вентилятором 11 марки ВДН-10 с фильтром 12 и подогревается в пароэлектрокало-рифере 13. Производительность по порошкообразному полуфабрикату составляет 115-250 кг/ч. Отработанный воздух с мелкими частицами порошка поступает на очистку в циклон 14 марки СЦН-40П-1400 и рукавный фильтр
15 марки ФРКН-90В. Очищенный воздух выбрасывается в атмосферу дымососом 18 марки ДН-10.
Порошкообразный полуфабрикат из сушильной камеры, циклона и рукавного фильтра поступает по системе пневмотранспорта 17 А1-ОР4/5 в бункер-циклон 19 (воздух из бункера-циклона подается в рукавный фильтр 15), откуда идет на агрегат фасовки 20 марки В9-ОФГ, где фасуется по 20 кг в целлофановые вкладыши и бумажные мешки. Для пневмотранспорта воздух предварительно очищают и охлаждают в агрегате 16 до температуры 15.20 °С.
ЛИТЕРАТУРА
1. МагомедовГ.О. Научные основы порошковой технологии пищевых продуктов. Авторефер. ... дис. докт. техн. наук. - Воронеж, 1996.
2. Малецкая К.Д. Экспериментальное исследование кинетики обезвоживания одиночных капель растворов в высокотемпературной газовой среде. Авторефер. ... дис. канд. техн. наук. -Киев, 1973. С. 27.
3. Кожухова И.П., Ламм Э.Л., Труб-кина М.С. Исследование кинетики сушки капель в условиях переменных параметров теплоносителя/В сб. Сушильные аппараты и печи химических производств. - М.: НИИхиммаш, 1981. С. 88-98.
4. Куц П.С. Кинетика испарения одиночных капель/В сб. Процессы переноса тепла и массы при сушке различных материалов. - Минск: Институт
тепло- и массообмена АН БССР, 1974. С. 3-15.
5. Магомедов Г.О., Мальцев Г.П., Олейникова А.Я., Колодежнов В.Н. Структурообразование кондитерских дисперсных систем на основе пищевых порошков. - Воронеж, 2001. 203 с.
6. Зубченко А.В., Магомедов Г.О. Полупромышленная распылительная сушилка для производства порошкообразных сахаропаточных полуфабри-катов//Хлебопекарная и кондитерская промышленность. 1983. № 12. С. 3334.
7. Установка сушильная распылительная ПВ2-01РФ2,5-25ВК-21. Каталог «Машины, оборудование, приборы и средства автоматизации для перерабатывающих отраслей АПК». - М., 1993. С. 342.
8. Магомедов Г.О, Олейникова А.Я., Зубченко А.В. Научные основы технологии пищевых порошков и кондитерских масс. - Воронеж: Издательство Воронежского технологического института, 1994. 120 с.
9. Зубченко А.В, Олейникова А.Я., Магомедов Г.О. Курсовое и дипломное проектирование кондитерских предприятий.- Воронеж: Издательство Воронежского технологического института, 1992. 96 с.
10. Зубченко А.В., Магомедов Г.О, Митрофанова Т.И., Волков А.Г. Экономическая эффективность при внедрении новой поточной линии производства конфет типа помадных на основе порошкообразных сахаропаточных полуфабрикатов. - М.: ЦНИИТЭИпищеп-ром, 1985. Серия 5. Вып. 3. С. 11-13.
