Исследование кинетики сушки полидисперсных продуктов

На сегодняшний день существует проблема, связанная с высокой занятостью населения, в связи с этим не всегда создается возможность в использовании сбалансированного и правильного питания, поэтому актуальной задачей является применение многокомпонентных

инстантированных продуктов питания в рационе человека [1, 2]. Наиболее часто такие виды продуктов получают в виде гранул.

Применение растительного сырья для производства инстантированных продуктов является оправданным с точки зрения содержания необходимых микронутриентов для организма человека [3].

This is an open access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International License

Особое место среди растительного сырья на территории юга Западной Сибири принадлежит плодово-ягодному сырью, так как ягодные культуры являются неприхотливыми, имеют высокую урожайность и пищевую ценность [4]. Так же исследования доказывают [5], что применение локаворства для населения, которое проживает на данной территории является оправданным [6].

Одним из завершающих стадий производства является процесс сушки. Удаление влаги очень энергоемкий процесс, при этом совершенствование процесса сушки и изучение его особенно на второй стадии является перспективным направлением [7]. Сушка дисперсных систем в барабанных грануляторах – сушилках нашло широкое распространение в промышленности, поскольку становится возможным проводить процесс гранулирования и сушки в одном агрегате. Совершенствованием данных аппаратов занимались многие отечественные и зарубежные ученые [8–12]. Преимуществами данного типа сушки является простота оборудования, стабильность работы и непрерывность процесса, однако на ряду с достоинствами, имеются следующие недостатками: при распылении связующего раствора в полость барабана, его мелкодисперсные частицы, а так же частицы несформированных гранул могут захватываться сушильным агентом и выноситься за пределы агрегата с последующей очисткой запыленного газа, что увеличивает затраты на газоочистку, вторым важным недостатком являются большие габаритные размеры установки [13–16].

Цель работы – снижение энергозатрат и совершенствование заключительной стадии производства (сушки) сухих инстантированных напитков с использованием плодово-ягодного сырья, что является актуальной задачей для обеспечения продовольственной безопасности РФ.

Материалы и методы

В качестве объекта исследований был выбран барабанный виброагрегат (Рисунок 1) новой конструкции [17].

Барабанный виброагрегат работает следующим образом – исходная смесь сыпучих компонентов поступает в барабанный виброгранулятор, где на нее накладывается вибрационное поле от вибровозбудителя вследствие чего смесь переводится в виброожиженное состояние и на ее поверхность подается связующий раствор. Перемещение гранул к выходному патрубку производится за счет вибрационного воздействия, не сформированные гранулы перемещаются в обратном направлении и подымаются в верхнюю часть машины ленточной мешалкой. Перемешивание материала осуществляется посредством лопастей, расположенных на поверхности мешалки.

Установка барабанный виброокатыватель-сушилка (БВО-С) работает следующим образом – под воздействием вибрационного поля, создаваемого вибровозбудителем дебалансового типа, сформированные гранулы перемещаются в сторону разгрузочного патрубка, так как барабан расположен под углом к горизонтальной поверхности.

Под воздействием вибрационного поля, дисперсный продукт переводился в вибро-ожиженное состояние, в результате чего наблюдался процесс сегрегации гранул различного размера, но одинаковой плотности, т. е. крупные гранулы занимали верхнее положение, а мелкие обладающие меньшей энергией занимали нижнее положение, где они захватывались мешалкой и перемещались на лопастях прямоугольного сечения расположенных под углом в 45° по периферии внутренней поверхности корпуса, откуда ссыпались под действием сил тяжести.

Контакт теплоносителя и высушиваемого материала наблюдается в нижней части аппарата, а также в зоне снисходящего потока с лопастей мешалки. Перевод дисперсной среды в управляемый сегрегированный поток объясняется следующими факторами – так как мелкие частицы образуют более плотную укладку сушка этого материала усложняется низким градиентом температуры и миграции влаги, что так же затрудняет осуществление сушки крупных частиц, для обезвоживания которых требуется большее количество времени нахождения материала и сушильного агента в непосредственном контакте при конвективной сушке. Лопасти мешалки погружаются на заданную глубину в слой материала, захватывают мелкие гранулы и перемещают их наверх к зоне контакта с теплоносителем. После того как мелкие частицы ссыпаются с лопастей на поверхность материала, они перемещаются в нижнюю часть (под крупные гранулы) под действием вибрационного поля, затем цикл повторяется. При этом крупные частицы находятся в контакте с сушильным агентом практически постоянно. В результате вышесказанного, возможно, интенсифицировать процесс сушки на первой стадии, где происходит удаление влаги с поверхностных слоев обрабатываемого материала.

granules

Рисунок 1. Барабанный виброагрегат: 1 – барабанный виброгранулятор; 2 – барабанный виброокатыватель-сушилка; 3 – эластичный рукав

Figure 1. Drum vibration unit: 1 – drum vibration granulator; 2 – drum vibrocoiler-dryer; 3 – elastic sleeve

Согласно литературным данным [18] перевод зернистого материала в псевдо или виброожиженное состояние позволяет увеличить коэффициент теплообмена при той же скорости движения газа в сушильном барабане. Коэффициент теплообмена при этом увеличивается за счет турбулизации пограничного слоя у нагретой поверхности в результате соударения частиц материала между собой [19]. Коэффициент теплообмена зависит от следующих факторов: гранулометрического состава дисперсной среды, толщены слоя высушиваемого материала, влажности сушильного агента и скорости его движения.

Для определения влияния различных факторов, на проведение процесса сушки гранулированного киселя из ягод жимолости на основе картофельного крахмала в барабанном агрегате, проводилась серия предварительных экспериментов на сегменте установки.

В процессе сушки, через заданные промежутки времени производилось взвешивание материала, после этого процесс продолжался. После определения поведения материала в процессе сушки на сегменте аппарата, был произведен дробно-факторный эксперимент на экспериментальной установке, представленной на рисунке 1. Сушильный агент нагревался посредством трубчатых электронагревателей. На входном и выходном патрубках для сушильного агента были установлены сухой и влажный термометры, для определения влажности сушильного агента. Так же психометрический гигрометр был установлен в самой лаборатории при проведении эксперимента. При проведении процесса сушки на БВО-С после выхода установки на стабильный режим работы (время выхода устанавливолось на основе предварительных испытаний) производилась остановка процесса и отбор проб с последующим определением влажности продукта по длине аппарата. Перерасчет на время производился косвенным методом, согласно расчетов, представленных в работах [20].

Пробы гранул, отобранные в ходе эксперимента, подвергались взвешиванию на аналитических весах с точностью до 0,001 мг и подвергались высушиванию в эксикаторе до равновесной влажности.

Параметры проведения исследований находились в следующих пределах: амплитуда колебаний ( A = 0,5–1,5, мм); частота колебаний ( ν = 20–50, Гц); частота вращения мешалки ( n = 1–9, об/мин); угол наклона БВГ ( α = 0,5–3, °); скорость сушильного агента ( V = 1–3, м/с); температура сушильного агента ( t = 45–65, °С).

Результаты

Производство инстантированных киселей сопровождается сушкой последних на завершающих стадиях производства. Поскольку важнейшей составляющей конкурентоспособного производства является снижение себестоимости готовой продукции, следовательно, необходимо снижать затраты на производство, а так как процесс сушки при производстве гранулированного киселя является наиболее затратным, поэтому необходимо найти способы интенсификации процесса сушки, а также подобрать математическую модель описывающую процесс сушки с достаточной точностью для подбора рациональных параметров.

Интенсификация процесса сушки сводится к поиску решений, позволяющих более эффективно использовать объем сушильной камеры, что в конечном итоге также может привести к использованию сушилок меньших габаритов при той же производительности, а, следовательно, с меньшей металлоемкостью и меньшими капитальными и амортизационными затратами. Согласно литературным данным [14] объем рабочей зоны сушильного аппарата соответствует объему, который занимает влажный материал. Для интенсификации процесса необходимо стремиться к уменьшению размера частиц, а также к увеличению концентрации материала в газовоздушной среде, что в конечном итоге приводит к увеличению поверхности контакта фаз. Так же интенсификация процесса происходит за счет увеличения относительной скорости дисперсной и газовой фаз и движущую силу процесса.

При разработке новых подходов стремятся к достижению всех перечисленных способов интенсификации процесса, однако это не всегда оказывается возможным, поскольку зачастую (как и в нашем случае) сушке подвергается материал заданного гранулометрического состава, и измельчение его недопустимо, увеличение скорости сушильного агента, так же ограничивается величиной пылеуноса.

Совершенствование барабанных сушильных установок обеспечивается за счет более усовершенствованных конструкций насадок. В работе [16] приведены расчеты эффективности насадок. При этом в работе указывается, что более эффективно процесс сушки протекает при условии, что частицы большего размера должны находиться большее количество времени в контакте с сушильным агентом, это так же позволит получать продукт с равномерной влажностью по размеру частиц.

В барабанных сушилках сушильный агент по отношению к дисперсной фазе, находящейся на лопатках насадки, стенках барабана движется параллельно прямо- или противотоком, а для материала, ссыпающегося с лопастей осуществляется локальный перекрестный ток сквозной продувкой газа.

Рассчитать барабанную сушилку через межфазные коэффициенты тепло- и массооб-мена практически невозможно, поскольку структура взвешенного слоя такова, что материал большую часть времени пребывает в зоне сушки находится в плотном слое и частицы омываются сушильным агентом кратковременно, лишь в момент пересыпания их с насадки на насадку. Напряжение сушилки по испарившейся влаге принимают, исходя из опытных данных, полученных сначала на экспериментальной (лабораторной) установке, а затем на пилотной (масштабной) установке. В связи с этим расчет таких сушилок ведут по экспериментально найденным данным по кинетике сушки и напряжению поверхности нагрева. Так же расчет данного предлагаемого агрегата затруднен еще и с той точки зрения, что в нем протекает еще процесс доокатывания и истирания после процесса гранулирования в барабанном виброгрануляторе.

На рисунке 2, 3 представлены кривые сушки и скорости сушки гранул инстантиро-ванного киселя из ягод жимолости и нативного картофельного крахмала.

Продолжительность сушки × 102, с Drying time × 102, s

Рисунок 2. Кривые сушки ( V = 3, м/с; ν = 20 Гц; n = 5 мин ^-1 ; A = 0,5 мм): 1 – t = 65 °C; 2 – t = 55 °C; 3 – t = 45 °C

Figure 2. Drying curves ( V = 3, m/s; ν = 20 Hz; n = 5 rpm;

A = 0.5 mm): 1 – t = 65 °C; 2 – t = 55 °C; 3 – t = 45 °C

Из представленных графиков видны ярко выраженные периоды сушки, при этом в первый период при котором происходит удаляется свободной влаги с поверхности гранул заметна большая разница в процессе сушки, который протекает более интенсивно при повышенной температуре.

Согласно представленным данным, а также литературным источникам определяющими факторами в первый период сушки являются параметры сушильного агента, а скорость диффузии влаги внутри материала не определяет интенсивности испарения.

Влажность продукта, % Drying time, %

Рисунок 3. Кривые скорости сушки ( V = 3, м/с; ν = 20 Гц; n = 5 мин ^-1 ; A = 0,5 мм): 1 – t = 65 °C; 2 – t = 55 °C; 3 – t = 45 °C

Figure 3. Drying rate curves ( V = 3, m/s; ν = 20 Hz; n = 5 rpm; A = 0.5 mm): 1 – t = 65 °C; 2 – t = 55 °C;

• 3    – t = 45 °C

Обработка полученных данных в ходе эксперимента позволила сделать вывод, что частота и амплитуда колебаний не создавали ощутимой разности. Этот факт связан с тем, что продукт с данными показателями вибровозбудителя переводился в виброожиженное состояние, а не виброкипящее, т. е. при различных этих параметрах (частота и амплитуда) возникали управляемые сегрегированные потоки, поэтому их необходимо учитывать только для процесса окатывания и пылеуноса. Для сравнения этого эффекта были произведены серии экспериментов в барабанных сушилках с аналогичными насадками с целью проверки эффективности предложенной схемы. На рисунке 4 представлены результаты экспериментальных данных по сушке гранул в барабанных сушилках (линии представлены пунктиром).

Из графика видно, что процесс протекает более эффективно как раз в первый период сушки, поскольку происходит более активный контакт фаз. При этом более крупные частицы находятся большее количество времени в контакте с сушильным агентом. Анализируя вышесказаное, можно сделать вывод, что применение управляемых сегрегиованных потоков при сушке дисперсных систем разного гранулометрического состава позволяет проводить более эффективно процесс сушки.

На рисунке 5 представлены результаты проведения эксперимента входе которого было определено влияние начальной влажности гранул на процесс сушки, результаты которого могут помочь в расчете экономической эффективности и выборе рецептуры с целью минимизации затрат на производство и повышения ценности продукта.

Drying time × 102, s

Рисунок 4. Кривые сушки ( t = 65 °C; ν = 20 Гц; n = 5 мин ^-1 ; A = 0,5 мм): 1 – V = 2, м/с; 2 – V = 3, м/с; 3 – V = 2, м/с; 4 – V = 3, м/с

Figure 4. Drying curves ( t = 65 °C; ν = 20 Hz; n = 5 rpm; A = 0.5 mm): 1 – V = 2, m/s; 2 – V = 3, m/s; 3 – V = 2, m/s;

• 4    – V = 3, m/s

Поскольку в качестве связующего раствора при производстве гранулированных киселей используется упаренный концентрированный экстракт ягоды, следовательно, необходимо проводить расчет эффективности в сравнении выпаривания и сушки.

Продолжительность сушки × 102, с Drying time × 102, s

Рисунок 5. Кривые сушки ( t = 65 °C; ν = 20 Гц; n = 5 мин ^-1 ; A = 0,5 мм; V = 3 м/с): 1 – W = 19, %;

2 – W = 22, %; 3 – W = 25, %

Figure 5. Drying curves ( t = 65 °C; ν = 20 Hz; n = 5 rpm;

A = 0.5 mm; V = 3, m/s): 1 – W = 19, %; 2 – W = 22, %;

3 – W = 25, %

Влияние режимных параметров на процесс сушки гранул в первый период с достаточной точностью можно описать с помощью уравнений тепломассопереноса. Для второго периода закономерности кинетики сушки носят более сложный характер за счет удаления связанной влаги. В этот период происходит превышение давления чистой воды над парциальным давлением водяных паров на поверхности материала при одинаковой температуре. Во втором периоде давление водяного пара является функцией влажности и температуры на поверхности материала. Скорость сушки при этом зависит не только от диффузии влаги в окружающий воздух, но также от влагопроводности материала.

Эмпирические кривые сушки носят экспоненциальный характер и к концу процесса сушки асимптотически приближаются к установившемуся значению равновесной влажности _p . Поэтому в качестве аппроксимирующей функции было использовано уравнение А.В. Лыкова соответственно для второго периода сушки:

W - W

W Н - W Р

= exp( - k • t a • V^b • n^c •t )

где W – влагосодержание материала; W – равновесное влагосодержание; k, a, b, c - параметры модели, τ – время, с.

С целью определения параметров модели k, a,b, c была произведена обработка экспериментальных данных с использованием метода средних [18]. В результате обработки эмпирических данных были определены следующие значения параметров модели: k = -8,331; a = 5; b = 2; c = -1, по параметрам которых можно судить о степени влияния соответственно параметров процесса на величину W , при этом формула (1) примет следующий вид:

W - W

W Н - W Р

= exp( - 8,331 • t ⁵ • V ² • n ^{- 1} • t )

Обсуждение

Таким образом, во второй период сушки большую роль играют геометрические формы высушиваемых тел, влажность материала, влагопроводность его. Имеют также значение, хотя и меньшее, чем в первый период, скорость движения воздуха и его параметры. Анализ результатов исследований кинетики сушки позволил получить экспериментально статистическую модель для определения процесса сушки на второй стадии, пригодной для расчетной практики.

Анализируя полученные данные и сравнивая их с аналогичными исследованиями в барабанных сушилках (рисунок 4) можно судить о повышении эффективности процесса влагоудаления в аппарате новой конструкции в условиях управляемых сегрегированных потоков за счет более развитой поверхности контакта фаз.

Заключение

В результате проведенных серий экспериментов и обработки полученных результатов были получены кривые сушки и скорости сушки гранулированного инстантированного продукта питания. Проведенный сравнительный анализ полученных данных свидетельствует о перспективности использования управляемых сегрегированных потоков в процессах структурообразования и сушки полидисперсных продуктов за счет более развитой поверхности контакта продукта с теплоносителем. Однако, нужно учитывать тот факт, что наложение вибраций также приводит к появлению мелкой фракции по мере высыхания гранул. Поэтому дальнейшие исследования будут направленны на комплексный экономический анализ в совокупности с системой двухступенчатой газоочистки и возвращением уловленного продуктов в зону грануляции в сравнении с аналогичными установками.