Кинетика процесса сушки ферментированного пшеничного сырья в виброкипящем слое

Недостаточно прогрессивный технический уровень сушилок для высоковлажных дисперсных материалов определяет невысокое качество высушенной продукции и значительные энергозатраты на производство, вызывает необходимость введения вспомогательных операций для достижения требуемого качества готовой продукции, что приводит к увеличению себестоимости продукта.

Поэтому решение вопроса о соответствии оптимального значения влагосодержания и температуры материала кинетическим закономерностям процесса обезвоживания является одной из актуальных задач при организации технологии высокоинтенсивной сушки термочувствительных материалов.

Под кинетикой процесса сушки понимают изменение среднего влагосодержания и средней температуры тела с течением времени. Эти закономерности кинетики процесса сушки позволяют рассчитать количество испаренной влаги из материала и расход тепла на сушку [1].

Цель работы – изучение влияния основных технологических параметров на кинетику процесса сушки ферментированного пшеничного сырья в виброкипящем пересыпающемся слое при атмосферном давлении.

Материалы и методы

В качестве основных факторов, влияющих на процесс сушки, были выбраны: температура сушильного агента, подаваемого в сушилку, скорость сушильного агента, амплитуда колебаний газораспределительных полок, частота колебаний газораспределительных полок [2, 3]. В условиях оптимального гидродинамического режима с использованием метода планирования эксперимента нами проведены исследования кинетики сушки и теплообмена ферментированного пшеничного сырья в аппарате с виброкипящим пересыпающимся слоем.

Исследования влияния температуры и скорости воздуха на процесс сушки проводились с ферментированным пшеничным сырьем, гидролизованным в лаборатории кафедры биохимии и биотехнологии Воронежского государственного университета инженерных технологий, при его начальной влажности W H^C = 150%. При исследовании использовались изученные гигротермические свойства сырья [4].

Результаты и обсуждение

Результаты исследований представлены на рисунках 1, 2. Анализ влияния температуры и скорости воздуха на процесс сушки сырья в виброкипящем слое показал, что процесс протекает в первом и втором периодах. Изменение скорости и температуры сушильного агента не влияет на характер изменения кривых сушки сырья. При этом большая часть влаги удаляется в периоде постоянной скорости сушки. Это объясняется тем, что ферментированное пшеничное сырье имеет развитую поровую структуру, которая содержит значительное количество влаги в макрокапиллярах.

Влияние скорости и температуры теплоносителя на скорость сушки в первом периоде неодинаково. Так, увеличение температуры с 393 до 423 К приводит к возрастанию скорости сушки в 1,5 раза. Меньшее влияние на интенсивность сушки оказывает изменение скорости теплоносителя. Так, увеличение скорости воздуха в 9 раз (с 1 до 3 м/с) способствует возрастанию скорости сушки на 25%.

Рисунок 1. Кривые сушки и скорости сушки ферментированного пшеничного сырья при различной температуре сушильного агента, К: 1 – 393; 2 – 400,5; 3 – 415,5; 4 – 423; А = 3 мм; f = 12,5 Гц; v = 2 м/c; q = 10 кг/м ²

• Figure 1.    Drying Curves and drying rates of fermented wheat raw materials at different temperatures of the drying agent, K: 1 – 393; 2 – 400,5; 3 – 415,5; 4 – 423; А = 3mm; f = 12,5 Hz; v = 2 m/s; q = 10 kg/m2

Рисунок 2. Кривые сушки и скорости сушки ферментированного пшеничного сырья при различных скоростях сушильного агента, м/с: 1 – 1; 2 – 2; 3 – 3; А = 3 мм; f = 12,5 Гц; Т = 408 К; q = 10 кг/м ²

• Figure 2.    Drying curves and drying rates of fermented wheat raw materials at different speeds of the drying agent, m/s 1 – 1; 2 – 2; , 3 – 3; А = 3mm; f = 12,5 Hz; Т = 408 К; q = 10 kg/m ² .

При достижении материалом первой критической влажности наступает период падающей скорости сушки, который по характеру изменения кривой неоднороден (рисунок 1, 2). В начале этого периода скорость сушки уменьшается по кривой, обращенной выпуклостью к оси абсцисс, а затем по кривой, обращенной выпуклостью к оси ординат.

Точка перегиба во втором периоде сушки (вторая критическая влажность) условно разделяет влагу микрокапилляров и адсорбционносвязанную влагу. Влияние скорости и температуры воздуха на интенсивность сушки в этом периоде по сравнению с периодом постоянной скорости в целом не меняется.

Характер изменения температуры частиц ферментированного пшеничного сырья, наблюдаемый на кривых нагрева (рисунок 3), соответствует периодам постоянной и падающей скорости сушки. Как видно из рисунка 3, материал прогревается до постоянной температуры очень быстро. Это обусловлено тем, что сушка осуществляется в активном гидродинамическом режиме, малым характерным размером частиц объекта сушки, а также высокими коэффициен-

ванного пшеничного сырья при W^с = 150%, А = 3 мм; f = 12,5 Гц; v = 2 м/c; q = 10 кг/м ² : 1 – 393 К;

2 – 400,5 К; 3 – 415,5 К; 4 – 423 К

Figure 3. Temperature curves of fermented wheat raw materials at WC = 150% А = 3mm; f = 12,5 Hz; v = 2 m/s; q = 10 kg/m ² : 1 – 393 К; 2 – 400,5 К; 3 – 415,5 К; 4 – 423 К

Наличие периода постоянной температуры говорит о том, что интенсивность диффузии влаги превышает интенсивность влагообмена. При этом, как видно из рисунка 3, в этом периоде сушки температура внутри частиц продукта в исследуемых интервалах температуры воздуха не превышает 373 К. Данный факт можно объяснить особенностью структуры продукта, обладающего развитой поровой структурой, и высокой начальной влажностью материала. Таким образом, влага внутри частиц ферментированного пшеничного сырья в периоде постоянной скорости сушки перемещается в основном в виде жидкости.

Результаты исследований влияния амплитуды и частоты колебаний газораспределительной решетки на кинетику процесса сушки ферментированного пшеничного сырья, имеющего начальную влажность W ^с = 150%, представлены на рисунках 4, 5.

Анализ приведенных кривых показывает, что при увеличении амплитуды колебания с 1 до 5 мм (в 5 раз) уменьшает время сушки в 1,4 раза, а повышение частоты колебаний полок до 12,5 Гц (в 1,6 раза) способствует уменьшению времени сушки в 1,2 раза. При этом наблюдается равномерное повышение интенсивности сушки во всем интервале рассматриваемых амплитуд. Но как показали результаты экспериментальных исследований развитый виброкипящий слой материала наблюдается уже при небольших амплитудах колебаний, дальнейшее повышение которой не способствует увеличению интенсивности сушки.

Рисунок 4. Кривые сушки и скорости сушки ферментированного пшеничного сырья при различных амплитудах колебаний газораспределительных полок, мм: 1 – 1, 2 – 2, 3 – 4, 4 – 5; Т = 408 К; f = 12,5 Гц; v = 2 м/c; q = 10 кг/м ²

Figure 4. Drying Curves and drying rates of fermented wheat raw materials at different amplitudes of gas distribution shelves, mm: 1 – 1, 2 – 2, 3 – 4, 4 – 5; T = 408 K; f = 12.5 Hz

Анализ рисунка 4 показывает, что повышение частоты колебаний газораспределительной решетки тоже способствует снижению длительности процесса сушки ферментированного пшеничного сырья. Но следует отметить, что амплитуда колебаний сильнее влияет на снижение продолжительности сушки сырья, чем частота.

Таким образом, нами был сделан вывод, что в исследуемых интервалах изменения амплитуды А и частоты f колебаний перфорированных полок на процесс сушки ферментированного пшеничного сырья сильнее влияет амплитуда колебаний. Кроме того, при выборе параметров вибрации следует учитывать величину удельной нагрузки материала на решетку и его начальную влажность.

Результаты исследований влияния удельной нагрузки на кинетику сушки представлены на рисунке 6.

Рисунок 5. Кривые сушки и скорости сушки ферментированного пшеничного сырья при различных частотах колебания газораспределительных полок, Гц: 1 – 8, 2 – 12,5, 3 – 17; А = 3 мм; v = 2 м/с; Т = 408 К; q = 10 кг/м ² Figure 5. Dying Curves and drying rates of fermented wheat raw materials at different frequencies of oscillation of gas distribution shelves, Hz : 1 – 8, 2 – 12,5, 3 – 17; А = 3mm; v = 2 m/s; Т = 408 К; q = 10 kg/m ²

Заключение

Анализируя рисунок 6, можно видеть, что значительное влияние на скорость и продолжительность процесса сушки ферментированного пшеничного сырья оказывает удельная нагрузка ферментированного пшеничного сырья на газораспределительную полку. Так, уменьшение удельной нагрузки от 20 до 5 кг/м2 способствует увеличению скорости сушки в первом

Рисунок 6. Кривые сушки и скорости сушки ферментированного пшеничного сырья при различных удельных нагрузках, кг/м ² : 1 – 20; 2 – 15; 3 – 10; 4 – 5; А = 3 мм; v = 2 м/с; Т = 408 К; f = 12,5 Гц

Figure 6. Drying Curves and drying rates of fermented wheat at different specific loads, kg/m ² : 1 – 20; 2 – 15; 3 – 10; 4 – 5; А = 3mm; v = 2 m/s; Т = 408 К; f = 12,5 Gz периоде в 2,5 раза, а общая продолжительность сушки при этом уменьшается в 1,5 раза. Увеличение скорости сушки при уменьшении количества загружаемого в рабочую камеру сырья объясняется увеличением коэффициента теплообмена вследствие активизации аэродинамического режима обтекания частиц сырья теплоносителем и увеличением количества подводимой к ним теплоты [5].