Энергосберегающая технология выделения белоксодержащих фракций из масличных семян с применением пароэжекторного теплового насоса

В настоящее время важнейшим приоритетом является разработка энергосберегающих технологий переработки растительного сырья в белковые продукты и компоненты с последующим использованием растительных белков в пищевой и комбикормовой промышленности [1].

Создание безотходных технологий переработки вторичного возобновляемого растительного сырья в белоксодержащие продукты, отвечающих требованиям экологической безопасности и энергетической эффективности, составляет значительную часть научных исследований и приобретает особую значимость в практической реализации получаемых научных результатов [2–3].

В этом направлении предложены способы комплексной переработки семян масличных культур в белоксодержащие продукты, основанные на эффективном замещении традиционных энергоносителей на теплоту альтернативных возобновляемых источников посредством парокомпрессионных тепловых насосов [4–6].

Однако следует отметить, что использование парокомпрессионных тепловых насосов связано с применением токсичных хладагентов, что не может не отразиться на экологической безопасности пищевых технологий. Наличие поршневой системы компрессора требует плановых остановок на профилактическое обслуживание и внеплановых при возможных сбоях в механическом приводе. Использование парокомпрессионных тепловых насосов связано с установкой дорогостоящего оборудования с существенными эксплуатационными затратами и весьма значительным сроком окупаемости, что приведет к увеличению себестоимости целевых продуктов. При отсутствии источников теплоты в условиях децентрализованных систем теплоснабжения, когда тепловая энергия генерируется непосредственно на объектах переработки масличных семян целесообразно применять пароэжекторный тепловой насос. При этом появляется возможность использовать теплоту низкотемпературного потенциала, в частности, бросового тепла газотурбинных установок и котельных агрегатов, что позволит эффективно решать задачи энергосбережения.

Цель работы – разработка технологии комплексной переработки семян масличных культур с выделением белоксодержащих фракций с применением пароэжекторного теплового насоса, обеспечивающего повышение надежности эксплуатации основного и вспомогательного оборудования, снижение себестоимости целевых продуктов, повышение экологической безопасности и энергетической эффективности теплотехнологических процессов.

Методы повышения энергоэффективности

В соответствии с поставленной целью технологический цикл предлагаемой технологии осуществлялся по схеме (рисунок 1).

Рисунок 1. Технологическая схема выделения белоксодержащих фракций из семян масличных культур

Figure 1. Technological scheme of separation of protein-containing fractions from oilseeds

Схема содержит барабанные сушилки 1, 9; циклоны 2, 5, 10; шнековый маслопресс 3; гравитационный охладитель 4; валковую мельницу 6; смеситель с рамной мешалкой 7; вибросито 8; пароэжекторный тепловой насос, включающий парогенератор 11 с предохранительным клапаном 12 и нагревательными элементами 13; эжектор 14; секции для нагревания воздуха 15 и воды 16 двухсекционного конденсатора, установленные параллельно; терморегулирующий вентиль 17; испаритель 18; холодоприемник 19; насосы 20; 21, 22; сборник конденсата 23, вентиляторы 24, 25, 26, 27; распределители потока 28, 29, 30; потоки:

1.0 – исходных бобов сои в барабанную сушилку; 1.1 – высушенных бобов сои в шнековый масло-пресс; 1.2 – выжимки из маслопресса в охладитель; 1.3 – отвода соевого масла из маслопресса; 1.4 – охлажденной выжимки на измельчение в валковую мельницу; 1.5 – измельченной выжимки на смешивание с теплой водой в смеситель с вибромешалкой; 1.6 – соевой суспензии из смесителя на вибросито; 1.7 – отвода растворимой фракции соевой суспензии проходом через вибросито; 1.8 – нерастворимой фракции соевой суспензии сходом с вибросита на сушку; 1.9 – высушенной нерастворимой фракции; 1.10 – взвешенных твердых частиц из циклонов; 2.0 – сушильного агента из секции конденсатора для нагрева воздуха в барабанные сушилки; 2.1 – кондиционированного воздуха из холодоприемника в гравитационный охладитель; 2.2 – кондиционированного воздуха из холодоприемника в секцию конденсатора для нагрева воздуха; 2.3 – подачи отработанных сушильных агентов после барабанных сушилок через циклоны и воздуха после гравитационного охладителя в холодоприемник; 2.4 – рециркуляции хладагента через холодоприемник; 2.5 – рабочего пара; 2.6 – эжектируемого пара; 2.7 – смеси рабочего и эжектируемого паров; 2.8 – конденсата из секции конденсатора для нагревания воды в испаритель и в сборник конденсата; 2.9 – конденсата из холодоприемника в сборник конденсата; 2.10 – воды из сборника конденсата в парогенератор; 2.11 – сброса давления; 2.12 – воды из сборника конденсата в секцию конденсатора для нагревания воды; 2.13 – подачи теплой воды в смеситель.

Исходные семена, высушенные в барабанной сушилке 1 при температуре сушильного агента 80–85 °C до влажности 10–12%, направляют в шнековый маслопресс 3, конструктивные параметры которого выбираются из условия [9]:

D2 - d2 = G/( 0,013/. n. p(i - кв )n), где G – производительность маслопресса по высушенным семенам, кг/с; D – диаметр шнека, м; d – диаметр вала шнека; t – шаг витка шнека; p- средняя объемная масса прессуемого материала; кг/м3; kв – коэффициент, учитывающий обратное движение прессуемого материала вдоль винтового канала и через радиальный зазор между шнеком и перфорированным цилиндром (зеером); n – частота вращения шнека, об/мин; П - коэффициент полезного действия пресса.

Полученные выжимки сначала охлаждаются в гравитационном охладителе 4 до температуры 10–15 °C, а затем направляются в валковую мельницу 6. При размоле происходит разрушение

выжимок до фракции не более 50 мкм с разрушением клеточных оболочек и самосогреванием массы за счет сил трения до температуры 55 °C. В результате получают муку с высоким содержанием общего белка (таблица 1).

Анализ резервов эффективности

Производительность валковой мельницы, степень измельчения и расход энергии взаимосвязаны и определяются отношением окружных скоростей, диаметром и геометрической формой вальцов, профилем и характеристикой рифлей [8, 9].

После размола полученная масса разбавляется теплой водой и перемешивается в смесителе 6 до достижения однородности по всему объему получаемой суспензии. Равномерное распределение твердых частиц в жидкости при перемешивании определяется из ограничения:

- h„  = h min

—

® раб R

4g

>< h р <^ h

т ® раб ^R

¹ max = h +---;----

4g

,

где h мин – минимальная высота жидкости в аппарате, м; h – уровень жидкости в спокойном состоянии, м; © раб - угловая скорость вращения лопасти, c^-1; g – ускорение свободного падения, м/c²; R – радиус аппарата, м.

Для каждой масличной культуры оптимальное значение © раб с точки зрения ограничения определяется экспериментально.

Полученная суспензия из смесителя 7 подается на вибросито 8, где разделяется на фракции: растворимую и нерастворимую (окару). Изменяя соотношение компонентов (измельченной выжимки и воды), температуру воды и время перемешивания, можно управлять процессом перехода белка и жира из нерастворимой фракции в растворимую, тем самым либо увеличивая количество белка в растворе, либо оставляя его в нерастворимой фракции (окаре).

Растворимая фракция суспензии в качестве промежуточного белоксодержащего продукта отводится проходом через вибросито 8 и в дальнейшем используется в кормопроизводстве при составлении рационов кормления сельскохозяйственных животных. Нерастворимая фракция высушивается в барабанной сушилке 9 до влажности 7–10%, с которой подается на хранение с последующим использованием в кондитерской отрасли, а также в рационах кормления сельскохозяйственных животных.

Потоки отработанных сушильных агентов после барабанных сушилок 1, 8, а также поток отработанного воздуха после гравитационного охладителя 4 подвергаются очистке в циклонах 2, 10, 5 от содержащихся взвешенных твердых

Вестник ВГУИТ/Proceedings of VSUET, Т. частиц, объединяются и направляются в холо-доприемник 19 пароэжекторного теплового насоса, который работает по следующему термодинамическому циклу.

В парогенераторе 11 посредством нагревательных элементов 13 вырабатывается рабочий пар с температурой 86–90 °C и под давлением 0,06–0,07 МПа направляется в сопло эжектора 14, вовлекая эжектируемые пары хладагента, в качестве которого используется вода, из испарителя 18, при этом создается пониженное давление 0,0009–0,001 МПа с температурой кипения хладагента 4–7 °C и поддерживается коэффициент эжекции пароэжекторного теплового насоса в диапазоне 4–5. Хладагент с помощью насоса 20 циркулируется через холодоприем-ник 19, в котором за счет рекуперативного теплообмена охлаждается воздух до температуры «точки росы», а влага, содержащаяся в воздухе, конденсируется в виде капельной жидкости и отводится в сборник конденсата 23.

Образовавшаяся после эжектора 14 смесь эжектируемого и рабочего пара направляется через распределитель 29 в секции 15 и 16 двухсекционного конденсатора.

Часть образовавшегося после секций конденсатора 12 и 13 водяного конденсата направляется через терморегулирующий вентиль 17 в испаритель 18 для пополнения в нем убыли воды, а другая избыточная часть конденсата отводится в сборник конденсата 18.

Из сборника конденсата осуществляется подача воды в парогенератор 11 и в секцию конденсатора 16 для нагревания воды с последующей подачей теплой воды с температурой 55–65 °C на смешивание с выжимкой. При увеличении давления пара в парогенераторе 11 более 0,07 МПа срабатывает предохранительный клапан 12, осуществляющий сброс давления.

Кондиционированный воздух, полученный в холодоприемнике 19, с помощью распределителя 30 разделяется на две части. Одна часть нагревается в секции двухсекционного конденсатора для нагревания воздуха и в качестве сушильного агента подается в барабанные сушилки 1 и 9, а другая часть подается в гравитационный охладитель 4 на охлаждение выжимки с образованием замкнутых термодинамических циклов.

Производственная проверка предлагаемой технологии комплексной переработки семян масличных культур осуществлялась на экспериментальной поточной линии производительностью 7–10 т/ч со следующими характеристиками пароэжекторного теплового насоса:

81, № 2, 2019

Мощность парогенератора, кВт20

Температура кипения:

в испарителе, °С4

в парогенераторе, °С88

Температура конденсации, °С127

Температура воды на входе в конденсатор, °С

Коэффициент эжекции4

Площадь теплообменной поверхности

8 холодоприемника, м2

Коэффициент теплопередачи холодоприемника, Вт/м2·°С Площадь теплообменной поверхности секций конденсатора, м2:

для нагревания воздуха6

для нагревания воды4

Коэффициент теплопередачи секции конденсатора:

для нагревания воздуха, Вт/м2·°С49

для нагревания воздуха, Вт/м2·°С88

Хладагент                              вода

Конструкция пароэжекторного теплового насоса не содержит движущихся быстроизна-шивающихся элементов, благодаря чему обеспечивается его безотказная работа длительными циклами без непосредственного обслуживания. При этом минимизированы объемы текущего ремонта, стоимость и потребность в запасных частях и вспомогательных материалах.

Рациональное использование тепловой и электрической энергии в системе холодо-и теплоснабжения с применением пароэжекторного теплового насоса рассматривалось с точки зрения снижения себестоимости получаемых целевых и промежуточных продуктов. Основным принципиальным решением по снижению энергозатрат являлся оптимальный выбор перепадов температур в испарителе и секциях двухсекционного конденсатора при получении сушильных агентов, охлаждающего воздуха и теплой воды. Отклонение от этих значений неизбежно приводит к увеличению потребляемой энергии: понижение температуры кипения хладагента в испарителе на 1 °C приводит к необходимости увеличения расхода рабочего пара в эжектор пароэжекторного теплового насоса, а следовательно, к перерасходу энергии на 5–7%, а повышение температуры конденсации на 1 °C приводит к увеличению расхода энергии на 2,0–2,5% [10].

В ходе производственных испытаний технологии выделения белоксодержащих фракций из семян масличных культур с применением пароэжекторного теплового насоса установлены рациональные интервалы технологических параметров на каждой стадии производства, обусловленные как экономической целесообразностью, так и получением продуктов высокого качества (таблица 1).

Таблица 1.

Технологические параметры семян масличных культур на различных стадиях технологии

Technological parameters of oilseeds at different stages of technology

Table 1.

Параметры	Characteristic	Соя | Soy	Рапс | Canola	Лен | Flax
Влажность семян, %: начальная конечная	Seed moisture, %: initial final	20–23 10–12	18–23 7–8	30–35 8–9
Температура, °C: сушильного агента нагревания семян кондиционированного воздуха охлажденной выжимки смешивания выжимки с водой	Temperature, °C: drying agent heating the seeds conditioned air chilled pomace mixing pomace with water	90–95 80–85 7–10 12–17 57–60	90–95 80–85 7–10 14–15 50–53	70–80 60–70 7–10 13–16 55–59
Влагосодержание, кг/кг: сушильного агента кондиционированного воздуха	Moisture content, kg / kg: drying agent conditioned air	0,005– 0,007 0,015– 0,020	0,005– 0,008 0,014– 0,019	0,006– 0,009 0,017– 0,023
Скорость, м/с: сушильного агента воздуха в зону охлаждения	Speed, m / s: drying agent air to cooling zone	8,5–11,5 5,8–6,0	7,8–8,20 6,0–6,2	4,0–5,0 3,8–4,5
Влажность нерастворимой фракции, %	Moisture insoluble fraction, %	7–10%	6–8%	8–10%
Содержание общего белка, Содержание белков, % к общему белку: сумма растворимых белков нерастворимый белковый остаток	Total protein content, Protein content, % to total protein: sum of soluble proteins insoluble protein residue	48,3–49,7 87,1–89,9 9,1–12,9	38,2– 40,4 85,8– 90,7 9,3–14,2	27,2– 28,5 74,4– 75,9 24,1– 25,6
Частота вращения дисковой вибромешалки, об/мин	The rotation frequency of the disk vibromassage, rpm	200–220	185–195	190–210
Амплитуда колебаний дисковой вибромешалки, мм	The oscillation amplitude of disk vibromassage, mm	1,5–2,0	1,5–2,0	1,5–2,0

Заключение

рабочих сред, а также за счет организации замкну-

Предлагаемая технология расширяет границы энергоэффективного сопряжения объектов различных температурных потенциалов на основе утилизации и рекуперации вторичных энергоресурсов. При этом в полной мере реализован универсальный подход в создании конкурентоспособной технологии, обеспечивающей выработку тепла и холода для совместно протекающих теплотехнологических процессов. Созданы экологически безопасные условия в реализации технологии за счет применения воды в качестве хладагента, исключая использование токсичных, взрыво- и пожароопасных тых рециркуляционных схем по материальным и энергетическим потокам со значительным снижением отвода вторичных энергоресурсов из схемы тепло-и холодоснабжения. В качестве рабочего тела используется водяной пар с давлением 0,05–0,06 МПа, благодаря чему достигается экономия электроэнергии, которая расходуется только на работу органов управления, насосов хладагента и воды, теплонагревательных элементов парогенератора. Пароэжекторный тепловой насос позволяет снизить удельные энергозатраты на 5–7%, и, как следствие, снизить себестоимость целевых и промежуточных продуктов.