Переработка замороженных плодов рябины красной в аппарате с вибрационной насадкой непрерывного действия, оснащенном внешним контуром рециркуляции

Повышение качества производимой продукции при эффективном использовании производственных фондов является одной из актуальных задач современной организации производства. Переход к осуществлению технологических процессов в непрерывном режиме позволяет повысить коэффициент использования оборудования и совместить транспортные и технологические процессы [1].

Например, использование экстрактора с вибрационной насадкой непрерывного действия позволяет достичь непрерывной организации технологического потока путем повышения его класса, а также способствует устранению вспомогательных операций. Преимущества от внедрения в промышленность экстрактора с вибрационной насадкой непрерывного действия заключаются главным образом в решении проблемы масштабного перехода и создании оптимальных условий работы приводных механизмов устройства [1, 2]. Однако существенным недостатком при проведении процесса экстрагирования в экстракторах непрерывного действия является недостаточное извлечении сухих растворимых веществ (СРВ) [3] по сравнению с экстракторами периодического действия [4].

Одним из способов повышения эффективности технологических процессов является применение контура рециркуляции [5, 6], что позволяет максимально использовать сырьевые ресурсы и увеличить время взаимодействия обрабатываемых сред. В случае процесса экстрагирования эффективность рециркуляции будет наблюдаться,

Рисунок 1. Схема экспериментальной установки

прежде всего, в химическом аспекте [5, 7]. Применение рециркуляции при экстрагировании плодово-ягодного сырья водой позволяет улучшить условия массообмена благодаря использованию в качестве экстрагента полученной жидкой фазы, имеющей меньшее поверхностное натяжение, чем свежий экстрагент [8], что повышает смачиваемость частиц твердой фазы и улучшает условия проникновения экстрагента в поры частиц. Недостатком способа при этом является уменьшение скорости массоотдачи вследствие уменьшения движущей силы процесса экстрагирования, характеризуемой разностью между концентрацией извлекаемого вещества у поверхности твердых частиц и его средней концентрацией в основной массе экстрагента (суспензии).

Эффективность работы экстрактора с вибрационной насадкой непрерывного действия, оснащенного контуром рециркуляции, зависит от соотношения обрабатываемых объемов среды, находящихся в прямой линии и в рецикле, и от скорости потока рециркуляции [9].

Целью настоящих исследований является определение значения коэффициента внешней рециркуляции, при котором будет наблюдаться максимальная эффективность работы аппарата с вибрационной насадкой непрерывного действия, выражающаяся в повышении концентрации СРВ в получаемом экстракте при минимально допустимых потерях СРВ с отработанной твердой фазой.

Исследования проводились на экспериментальной установке, представленной на рисунке 1.

Экспериментальная установка состоит из цилиндрического корпуса 1 диаметром 150 мм и высотой 640 мм, внутри которого совершает возвратно-поступательное движение вибрационная насадка 16, включающая вертикальный шток с установленными на нем четырьмя перфорированными тарелками 17. Обрабатываемое плодово-ягодное сырье загружается в воронку 18, откуда шнековым питателем 15 подается в нижнюю часть корпуса аппарата 1. Количество подаваемого в аппарат сырья регулируется частотой вращения питающего шнека. Экстрагент (вода) подается в аппарат насосом 13 из накопительной термостатированной емкости через патрубок 14. Расход экстрагента при этом контролируется ротаметром 11 марки LZM-Z, а регулирование расхода осуществляется системой вентилей 12.

Суспензия, пройдя снизу вверх через рабочую зону экстрактора, отводится из него через патрубок 2 вначале на сита 3, где осуществляется грубое отделение твердой фазы, а затем на вакуум-фильтр 4, где осуществляется тонкая очистка экстракта от твердой фазы. Полученный экстракт насосом 5 подается в напорный бак 6, откуда часть его отводится, как готовый продукт, а часть возвращается в экстрактор через патрубок 10 с помощью рециркуляционного насоса 7. Расход экстракта, идущего на рециркуляцию, контролируется ротаметром 9, а регулирование расхода осуществляется вентилем 8.

Для проведения исследований использовались плоды рябины красной обыкновенной, собранные в ОАО «Плодопитомник-1» в городе Кемерово и замороженные до температуры минус 18±1 °С.

Плоды рябины красной, как объект промышленной переработки, характеризуются высокой доступностью и перспективностью в условиях большинства регионов нашей страны [3]. Причем, для производства экстрактов их рекомендуется использовать в замороженном виде, что в свою очередь объясняется необходимостью длительного хранения сырья вследствие сезонности урожая. Кроме того, клеточная вода при медленном замораживании, превращается в кристаллики льда, что при механическом воздействии на замороженное сырье способствует эффективному процессу разрушения его клеточной структуры, повышая тем самым эффективность процесса в целом.

В качестве экстрагента использовалась вода питьевая ГОСТ Р 51232-98 температурой 20±1 °С [4].

Производительность по твердой фазе составляла 0,125 кг/мин при гидромодуле 1/4, частоте колебаний насадки 16,7 Гц и амплитуде - 14 мм [3].

Поминутный отбор проб производился с момента начала поступления экстракта в напор- ный бак 6 и продолжался до наступления установившегося режима работы аппарата, характе- ризуемого постоянством значения концентрации СРВ в экстракте на выходе из вакуум-фильтра. Содержание СРВ в пробах полученного экстракта определялось рефрактометром ИРФ-454 Б2М.

В соответствии с поставленной задачей исследований, изучалось соотношение объемов свежего экстрагента, подаваемого в аппарат, и экстракта, идущей на рециркуляцию. Значение соотношения этих объемов описывалось коэффициентом внешней рециркуляции [5, 7]:

K r =

^G B + G R

G В

где G в - расход подаваемого экстрагента, кг/мин; G r - расход экстракта, возвращаемого на рециркуляцию, кг/мин.

Числитель выражения (1) представляет собой производительность экстрактора по жидкой фазе, которая с учетом гидромодуля 1/4, всегда составляла 0,5 кг/мин. Значение коэффициента внешней рециркуляции варьировалось от 1 (без рециркуляции) до 8.

Собранный на ситах 3 и вакуум-фильтре 4

шрот подвергался повторному экстрагированию с целью определения содержания в нем СРВ. Процесс экстрагирования шрота проводился в лабораторном экстракторе с вибрационной насадкой периодического действия [3].

В аппарат загружалось 190±2 г шрота и заливалось 2 л свежего экстрагента. По истечении 5 минут после запуска аппарата определялась массовая доля СВР в полученном экстракте и пересчитывалась на массу шрота по следующей формуле:

_ С СВ С ' m В

C СВШ =, () mШРОТ где Ссв с - концентрация СРВ в полученном экстракте, %масс; mв - масса экстрагента, кг; mшрот - масса обрабатываемого шрота, кг.

Дальнейшая оценка результатов процесса экстрагирования с применением рециркуляции производилась по результатам расчета материально баланса по СРВ.

Исследования подтвердили удовлетворительную пропускную способность аппарата по твердой фазе. При работе во всем диапазоне изучаемых значений коэффициента внешней рециркуляции не наблюдалось переполнения аппарата шротом. При этом отмечено постоянное соответствие между количеством подаваемого в аппарат сырья и количеством выгружаемого влажного шрота. В тоже время с увеличением коэффициента внешней рециркуляции снижалось количество отводимого экстракта, которое составляли расход свежего экстрагента, подаваемого в аппарат, и количество сока, получаемого при разрушении обрабатываемого сырья (таблица 1).

Т а б л и ц а 1

Значения материальных потоков в аппарате, оснащенном контуром внешней рециркуляции экстрагента

Коэффициент внешней рециркуляции	Расход свежего экстрагента, кг/мин	Количество экстракта, идущего на рециркуляцию, кг/мин	Подача твердой фазы, кг/мин	Выход экстракта, кг/мин	Выход шрота, кг/мин
1	0,5	0	0,125	0,562	0,063
1,333	0,375	0,125	0,125	0,437	0,063
2	0,25	0,25	0,125	0,312	0,063
4	0,125	0,375	0,125	0,187	0,063
8	0,0625	0,4375	0,125	0,1245	0,063

Согласно графику, представленному на рисунке 2, с увеличением коэффициента внешней рециркуляции K R , повышается концентрация СРВ С СВ в экстракте. Причем, существенный прирост концентрации наблюдается при значении K R = 2. Это, прежде всего, объясняется увеличением продолжительности взаимодействия обрабатываемого сырья и жидкой фазы. Кроме того, жидкая фаза, находящаяся в рецикле, имеет меньшее поверхностное натяжение, чем свежий экстрагент, что способствует улучшению условий проникновения экстрагента в поры частиц, повышая, таким образом, скорость процесса экстрагирования.

Kr

Рисунок 3. Влияние коэффициента внешней рециркуляции на концентрацию СРВ в шроте

Kr

Рисунок 2. Влияние коэффициента внешней рециркуляции на концентрацию СРВ в экстракте

Рисунок 4. Извлечение СРВ с экстрактом М СВ , г/мин, и потери СРВ со шротом М ПОТЕРИ , г/мин, в зависимости от коэффициента внешней рециркуляции

Однако, несмотря на положительный эффект от применения контура рециркуляции, при увеличении коэффициента K R более 2 рост концентрации СРВ идет медленнее, при этом происходит значительное увеличение потерь СРВ со шротом, что отражено на рисунках 3 и 4. Это главным образом объясняется снижением скорости массоотдачи, сопровождающееся отсутствием видимого переноса СРВ из твердой фазы в жидкую. Кроме того, при повышении концентрации СРВ в экстракте возрастает его вязкость, что ухудшает условия массообмена, затрудняет обновление поверхности контакта фаз в рабочем пространстве аппарата, а также ведет к увеличению толщины пограничного слоя.

Повышение концентрации СРВ в отводимом из аппарата экстракте до 6,6 % масс. при K R = 4 и 7 % масс. при K R = 8 (рисунок 2), ввиду увеличения потерь СРВ со шротом (рисунок 3), сопровождается снижением производительности экстрактора по количеству извлекаемых СРВ (рисунок 4). Поэтому работа аппарата с K R более 2 считается неэффективной, поскольку снижает основные технико-экономические показатели процесса.

Значение коэффициента внешней рециркуляции, равное 2, характеризуется повышением концентрации СРВ в экстракте на 62 % по сравнению с чистым экстрагентом. Потери СРВ со шротом при этом составляют 4 г/мин, а выход их с экстрактом – 18,7 г/мин (рисунок 4), что говорит о создании рациональных условий проведе- ния процесса экстрагирования с отсутствием перечисленных выше недостатков.

Эффективность рециркуляции при K R = 2 подтверждается критерием оптимальности процесса, % масс./Вт:

MСВ i где ССВ – концентрация СРВ в получаемом экстракте, % масс; N – суммарная мощность электродвигателей установки, Вт; МСВ 0 – извлечение СРВ с экстрактом при KR = 1, г/мин; МСВ i – извлечение СРВ с экстрактом при исследуемом значении KR, г/мин.

Суммарная мощность электродвигателей установки составляла 737 Вт при K R = 1 и 1097 Вт – для значений K R более 1, что обусловлено работой дополнительного оборудования контура внешней рециркуляции.

Отношение СВ 0 в выражении (3) яв-MСВ i ляется показателем увеличения продолжительности процесса экстрагирования до получения требуемого количества СРВ.

На рисунке 5 представлен график изменения критерия оптимальности, согласно которому наилучшие показатели процесса наблюдаются при значении K R = 1 (без рециркуляции) и при K R = 2 с соответствующими значениями критерия оптимальности 5,02∙10^-3 и 4,92∙10^-3 % масс./Вт.

Рисунок 5. График изменения критерия оптимальности процесса