Совершенствование системы охлаждения абсорбционной установки

Обеспечение населения России качественными безопасными пищевыми продуктами является стратегической целью развития отечественной пищевой промышленности. Исследования, направленные на разработку способов получения безопасных и эффективных в технологическом отношении бездымных коптильных сред (БКС), могут быть отнесены к ряду приоритетных направлений развития отечественной пищевой промышленности.

В процессе получения большого класса БКС происходит абсорбция либо адсорбция коптильных компонентов древесного дыма раствором жидкости или твердым поглотителем. В данной статье рассматривается вопрос совершенствования системы охлаждения абсорбционной установки для получения коптильной жидкости путем коагуляции частиц аэродисперсной системы "дымовые газы и акустически генерируемый аэрозоль", получаемой в результате взаимодействия потоков дымовой среды и акустически генерируемого водного аэрозоля.

Материалы и методы

Конструктивно установка для получения коптильной жидкости состоит из абсорбера полезным объемом 400 дм ³ ; теплообменника, максимальная площадь теплообменной поверхности которого составляет 2,00 м ² ; холодильной камеры с установленным внутри резервуаром объемом 110 л с хладоносителем (пропиленгликоль); ультразвукового генератора водного аэрозоля, среднее значение масс-медианного аэродинамического диаметра частиц которого составляет 4 мкм; излучателя ультразвуковых колебаний в диапазоне частот от 20 до 70 кГц при уровне звукового давления 120, 130, 135, 140 и 155 дБ [1–3].

Коптильную жидкость получают путем отвода теплоты от исследуемой аэродисперсной системы и направленного распространения ультразвуковых колебаний во внутреннее пространство абсорбера. За счет отвода теплоты от системы интенсифицировались процессы конденсации пересыщенных паров дисперсной фазы дымовых газов и абсорбции коптильных компонентов дымовой среды мелкодисперсной водой. Озвучивание исследуемой аэродисперсной системы стимулирует более эффективное протекание процессов абсорбции коптильных компонентов дымовой среды мелкодисперсной водой, а также процессов коагуляции частиц.

Абсорбер представляет собой прямоугольный корпус из нержавеющей стали, с противоположных сторон корпуса которого расположены патрубки для подачи и отвода дымовой среды. В средней части аппарата приварен патрубок подачи аэрозоля, в нижней – вентиль для отвода жидкости, скапливающейся в устройстве.

Система охлаждения включает в себя резервуар с хладоносителем, теплообменник, низкотемпературную камеру. Для обеспечения необходимой циркуляции хладоносителя (ХН) по охлаждающему контуру в него вмонтирован циркуляционный насос, электродвигатель которого снабжен векторным преобразователем частоты вращения, позволяющим плавно регулировать расход ХН. Змеевик теплообменника состоит из трех модулей, сконструированных из медной отожженной трубки, закрученной спирально, площадь каждого модуля составляет 0,67 м ² . Техническое исполнение теплообменника позволяет варьировать площадь теплообменной поверхности (ТОП) от 0,67 до 2,00 м ² с шагом 0,67 м ² . Для отвода теплоты при конденсации аэродисперсной системы "дымовые газы и акустически генерируемый аэрозоль", а также избыточного тепла, выделяющегося в процессе абсорбции коптильных компонентов дымовых газов мелкодисперсной водой, в ходе экспериментов осуществлялась циркуляция по контуру охлаждения ХН. Для интенсификации процессов абсорбции и коагуляции осуществляется распространение во внутреннее пространство корпуса абсорбера ультразвуковых колебаний.

В ходе работы по исследованию влияния параметров, характеризующих отвод тепла от аэродисперсной системы "дымовые газы и акустически генерируемый аэрозоль", на интенсивность протекания процессов абсорбции коптильных компонентов дыма частицами мелкодисперсного аэрозоля были проведены серии экспериментов по получению коптильной жидкости AtonioSilver (AS) при разных условиях. Применялся ИК-дымогенератор повышенной производительности [4].

Совокупную оценку качества коптильной жидкости проводили, учитывая химический состав жидкости, изменение свойств жидкости с течением времени, органолептические и физико-химические параметры продукта, обработанного в среде данной коптильной жидкости. Вопрос обеспечения безопасности коптильного агента для здоровья человека, т. е. отсутствия его составе канцерогенных соединений и веществ, вызывающих гигиеническую тревогу (ПАУ, НА и др.), имеет первостепенное значение при формировании совокупного параметра качества коптильной среды. Коптильная жидкость AS производится на основе "технологического" дыма, полученного в дымогенераторах инфракрасным энергоподводом при температуре пиролиза ниже 400 °С, т. е. при температурах ниже критических, способствующих образованию канцерогенных соединений. Коптильная жидкость AS неоднократно была подвергнута испытаниям на соответствие требованиям СанПиН 2.3.2.1293–2003 ¹ по показателям безопасности в ФГУ "Государственный региональный центр стандартизации, метрологии и испытаний в Мурманской области". Исследования показали полное соответствие коптильной жидкости AS требованиям указанного нормативного документа.

Совокупный параметр качества экспериментальной коптильной жидкости AS рассчитывался исходя из содержания фенольных, карбонильных соединений, кислот. Ведущими специалистами в области копчения высказывается мнение, что количественная роль фракции фенолов в придании продукту специфических свойств копчености трактуется в количественном отношении как 66 %, карбонильных соединений – 14 %, кислот – 10 %, также 10 % – результат влияния других классов соединений дыма [5–7]. Были приняты следующие коэффициенты значимости для ведущих групп химических соединений разрабатываемой коптильной жидкости: фракция фенольных соединений (ФС, %) – 0,37; фракция карбонильных соединений (КС, %) – 0,5; кислоты (К, %) – 0,13.

Совокупный параметр качества коптильной жидкости был выражен через приведенную сумму коптильных компонентов, которая рассчитывалась с учетом коэффициентов значимости для ведущих групп химических соединений экспериментальной коптильной жидкости по формуле

Y = ФС ⋅ 0,37 + КС ⋅ 0,5 + К ⋅ 0,13. (1)

Анализ экспериментальных данных показал, что на величину совокупного параметра качества коптильной жидкости AS оказывают влияние следующие факторы: уровень звукового давления колебаний, воздействующих на изучаемую аэродисперсную систему n, дБ; количество сжигаемого топлива m, кг/ч; площадь поверхности охладителя S, м ² ; температура хладоносителя t, °C; производительность генератора аэрозоля p, г/ч.

Зависимость совокупного параметра качества от влияющих факторов может быть выражена функцией

Y = f(n, t, S, m, р). (2)

При отсутствии озвучивания исследуемой аэродисперсной системы "дымовые газы и акустически генерируемый аэрозоль", постоянной производительности генератора аэрозоля и фиксированной площади теплообменной поверхности возможна постановка двухфакторного эксперимента, т. е.

Y = f(t, m). (3)

Процесс абсорбции коптильных компонентов аэрозолем математически может быть описан уравнением, связывающим функцию отклика с факторами, влияющими на массообмен в изучаемой аэродисперсной системе. В качестве функции отклика выбран совокупный параметр качества коптильной жидкости, учитываемый через приведенную сумму коптильных компонентов (1).

При рассматриваемом математическом моделировании процесса абсорбции при получении коптильной жидкости осуществлялась постановка двухфакторных экспериментов по следующей совокупности влияющих факторов: температура ХН, циркулирующего в системе охлаждения, количество топлива, сжигаемого в единицу времени.

Определение рациональных параметров процесса абсорбции осуществляли путем построения ортогонального центрально-композиционного плана второго порядка, подобный метод позволяет сформировать функцию отклика в виде полного квадратичного полинома, при числе влияющих факторов n = 2 полный квадратичный полином имеет следующий вид:

Y = B 0 + B 1 X 1 + B 2 X 2 + B 12 X 1 X 2 + B ₁₁ X ₁ ² + B ₂₂ X ₂ ² . (4)

В качестве влияющих факторов принимали Х 1 – температуру ХН, циркулирующего в системе охлаждения, t, °С; Х 2 – количество сжигаемого топлива в единицу времени, m, кг/ч. Область факторного пространства ограничивалась следующими значениями влияющих факторов: по Х 1 – от 1 до 5 кг/ч, шаг 2 кг/ч, по Х ₂ – от плюс 4 до минус 26 °С, шаг 15 °С. Прочие влияющие факторы, а именно: уровень звукового давления УЗ-колебаний, распространяемых во внутреннее пространство камеры смешения, влажность древесного сырья и его удельная поверхность, производительность генератора водного аэрозоля – поддерживались на постоянном уровне в ходе указанной серии экспериментов с целью исключить их влияние на результат и были изъяты из зависимости (2). В данной серии экспериментов озвучивание аэродисперсной системы "дымовые газы и акустически генерируемый аэрозоль" не производилось, влажность древесного сырья составляла 70,0 ± 5,0 %, удельная поверхность сжигаемого топлива – от 7,0 до 10,0 ± 0,5 м ² /кг, производительность генератора водного аэрозоля – 850 г/ч.

Результаты и обсуждение

В зависимости от выбранных условий абсорбции образцы коптильной жидкости характеризуются разной интенсивностью окраски и степенью выраженности дымного аромата. Результаты анализов коптильной жидкости на физико-химические параметры показывают, что сенсорные характеристики экспериментальной жидкости коррелируют со степенью ее насыщенности коптильными компонентами дымовой среды [3]. В отсутствие отвода теплоты от изучаемой аэродисперсной системы образцы получаемой экспериментальной коптильной жидкости представляют собой прозрачную бледно-желтую жидкость, аромат копчености едва уловим. Внешний вид образцов жидкости AS при варьировании количества сжигаемого топлива от 1 до 3 кг/ч (соответственно образцы 1, 2, 3) иллюстрирует рис. 1.

1 2 3

Рис. 1. Внешний вид образцов экспериментальной коптильной жидкости AS Fig. 1. Appearance of samples of experimental AS liquid smoke

После подключения первого модуля охладителя, площадь теплообменной поверхности которого составляла 0,67 м ² , были получены образцы коптильной жидкости, характеризующиеся более интенсивным дымным ароматом, который проявляется тем более явно, чем большее количество топлива сжигалось в единицу времени и чем ниже была температура применяемого ХН. На рис. 2 представлен внешний вид образцов коптильной жидкости, цветность которых изменяется в ряду от бледно-соломенного до насыщенножелтого. Температура ХН в системе охлаждения составляла плюс 4 °С, количество сжигаемого топлива варьировалось от 1 до 6 кг/ч (соответственно образцы 1–6).

Рис. 2. Внешний вид образцов коптильной жидкости AS Fig. 2. Appearance of samples of AS liquid smoke

При вводе в эксплуатацию второго и третьего модулей охлаждения степень выраженности аромата копчености, а также насыщенность цвета образцов экспериментальной жидкости возрастала. При общей площади теплообменной поверхности 1,34 м ² цветность образцов изменяется в ряду от светло-желтого через лимонный и рыжеватый до светло-коричневого. При площади теплообменной поверхности 2,00 м ² цветность образцов изменяется от желтовато-рыжего через желтый, насыщенно-желтый и рыжий до коричневого. Данный факт иллюстрирует рис. 3.

1   2 3 4 5 6

а

1   2    3 4 5 6

б

Рис. 3. Внешний вид образцов коптильной жидкости AS: а – площадь ТОП 1,34 м ² ; б – площадь ТОП 2,00 м ²

Fig. 3. Appearance of samples of AS liquid smoke:

a – the HTS area – 1.34 м ² ; b – the HTS area – 2.00 м ²

Внешний вид характерных образцов коптильной жидкости в случае применения ХН с температурой минус 3,5 °С при варьировании площади теплообменной поверхности и количества сжигаемого топлива представлен на рис. 4.

Hl И И H J inn

1 2

5   6

1 2 3 4 5 6

а

1 2   3 4 5 6

б

3 4 в

Рис. 4. Внешний вид образцов коптильной жидкости AS:

а – площадь ТОП 0,67 м ² ; б – площадь ТОП 1,34 м ² ; в – площадь ТОП 2,00 м ²

Fig. 4. Appearance of samples of AS liquid smoke:

a – the HTS area – 0.67 м ² ; b – the HTS area – 1.34 м ² ; c – the HTS area – 2.00 м ²

Цветность образцов коптильной жидкости в ситуации температуры ХН минус 3,5 °С в зависимости от площади теплообменной поверхности при варьировании количества сжигаемого топлива от 1 до 6 кг/ч меняется от светло-лимонного через насыщенно-лимонный к светло-рыжему до светло-коричневого (при площади теплообмена 0,67 м ² ); от лимонного через насыщенно-желтый и рыжий к насыщенно-рыжему (при площади теплообмена 1,34 м ² ) либо от желтого через рыжий к вишневому (при площади теплообмена 2,00 м ² ).

При применении в качестве ХН жидкости с температурой минус 11 °С площадь теплообменной поверхности варьировалась в ряду от 0,67 до 1,34 м ² с шагом 0,67 м ² , количество сжигаемого топлива в единицу времени – в ряду от 1 до 6 кг/ч с шагом 1 кг/ч. Внешний вид характерных образцов экспериментальной коптильной жидкости, полученных в упомянутых условиях, приведен на рис. 5.

iiiiiI uini Huh

1   2 3 4

5 6

а

1 2 3 4 5 6 б

1 2 3 4 5

в

Рис. 5. Внешний вид образцов коптильной жидкости AS:

а – площадь ТОП 0,67 м ² ; б – площадь ТОП 1,34 м ² ; в – площадь ТОП 2,00 м ²

Fig. 5. Appearance of samples of AS liquid smoke:

a – the HTS area – 0.67 м ² ; b – the HTS area – 1.34 м ² ; c – the HTS area – 2.00 м ²

При увеличении площади теплообменной поверхности в рассматриваемом диапазоне цвет характерных образцов жидкости становится более насыщенным. В случае сжигания 1 кг/ч топлива цветность образцов меняется от светло-лимонного (0,67 м ² ) (рис. 5, а, образец 1) через желтый (1,34 м ² ) (рис. 5, б, образец 1) к светло-рыжему (2,00 м ² ) (рис. 5, в, образец 1). При сжигании 3 кг/ч топлива окраска образцов меняется от рыжего (0,67 м ² ) (рис. 5, а, образец 3) через насыщенно-рыжий (1,34 м ² ) (рис. 5, б, образец 3) к вишневому (2,00 м ² ) (рис. 5, в, образец 3). В ситуации сжигания 6 кг/ч образцы изменяют цвет от насыщенно-рыжего (0,67 м ² ) (рис. 5, а, образец 6) через вишневый (1,34 м ² ) (рис. 5, б, образец 6) к насыщенно-вишневому (2,00 м ² ) (рис. 5, в, образец 6). Очевидно повышение степени насыщенности цвета характерных образцов коптильной жидкости при увеличении количества сжигаемого топлива в случае фиксированной площади охлаждаемой поверхности (рис. 5, а, б, в, при переходе от образца 1 к образцу 6).

Внешний вид характерных образцов экспериментальной коптильной жидкостив случае применения в качестве ХН жидкости с температурой минус 18,5 °С при варьировании площади теплообменной поверхности в ряду от 0,67 до 1,34 м ² с шагом 0,67 м ² и изменении количества сжигаемого топлива в единицу времени в ряду от 1 до 6 кг/ч с шагом 1 кг/ч представлен на рис. 6.

Рис. 6. Внешний вид образцов коптильной жидкости AS:

а – площадь ТОП 0,67 м ² ; б – площадь ТОП 1,34 м ² ; в – площадь ТОП 2,00 м ²

Fig. 6. Appearance of samples of AS liquid smoke:

a – the HTS area – 0.67 м ² ; b – the HTS area – 1.34 м ² ; c – the HTS area – 2.00 м ²

С увеличением количества отводимого тепла от аэродисперсной системы "дымовые газы и акустически генерируемый аэрозоль" насыщенность цвета характерных образцов экспериментальной коптильной жидкости возрастает. Так, при количестве сжигаемого топлива 1 кг/ч при площади охлаждающей поверхности 0,67 м ² характерный образец экспериментальной жидкости имеет светло-лимонный оттенок, при площади 1,34 м ² – желтый, при площади 2,00 м ² – насыщенно-желтый; при количестве сжигаемого топлива 4 кг/ч соответственно: светло-коричневый (0,67 м ² ), насыщенно-вишневый (1,34 м ² ) и темно-вишневый (2,00 м ² ).

При сжигании топлива в количестве 6 кг/ч при увеличении количества отводимой теплоты в связи в изменением площади теплообменной поверхности от 0,67 до 2,00 м ² с шагом 0,67 м ² цветность характерных образцов жидкости варьировалась от насыщенно-вишневого до темно-вишневого. Прослеживается тенденция повышения концентрации коптильных компонентов в образцах жидкости при изменении количества сжигаемого топлива в ряду от 1 до 6 кг/ч с шагом 1 кг/ч, что находит свое отражение в изменении цветности образцов [3] (рис. 6, а, б, в).

В рамках эксперимента по получению коптильной жидкости AS для отвода тепла от аэродисперсной системы "дымовые газы и акустически генерируемый аэрозоль" осуществлялась также циркуляция в системе охлаждения ХН с температурой минус 26 °С. В этом случае, как и в предыдущих сериях экспериментов, площадь охлаждающей поверхности варьировалась в ряду от 0,67 до 1,32 м ² с шагом 0,67 м ² . Количество сжигаемого топлива варьировалось также в ряду от 1 до 6 кг/ч с шагом 1 кг/ч. Цветность характерных образцов коптильной жидкости, полученной в данных условиях, иллюстрируется рис. 7.

null null

1 2 3 4 5   6

б

1 2

4 в

5 6

Рис. 7. Внешний вид образцов коптильной жидкости AS:

а – площадь ТОП 0,67 м ² ; б – площадь ТОП 1,34 м ² ; в – площадь ТОП 2,00 м ²

Fig. 7. Appearance of samples of AS liquid smoke:

a – the HTS area – 0.67 м ² ; b – the HTS area – 1.34 м ² ; c – the HTS area – 2.00 м ²

Во всех случаях наблюдается устойчивая тенденция к повышению насыщенности цвета характерных образцов экспериментальной коптильной жидкости, а также концентрации коптильных веществ при увеличении количества отводимого тепла. Этому способствует изменение площади теплообменной поверхности в ряду от 0,67 до 2,00 м2 с шагом 0,67 м2 и варьирование температуры ХН, циркулирующего в контуре охлаждения экспериментальной установки, от плюс 4 до минус 26 °С с шагом 7,5 °С. Увеличение площади теплообменной поверхности в указанных пределах способствует более полному улавливанию частиц аэродисперсной системы "дымовые газы и акустически генерируемый водный аэрозоль".

Отвод тепла от аэродисперсной системы "дымовые газы и акустически генерируемый аэрозоль" способствует эффективному улавливанию частиц аэрозоля с абсорбировавшимися на их поверхности коптильными компонентами и капель, образующихся при пересыщении паров продуктов пиролиза древесного сырья, тем более, чем ниже температура циркулирующего в системе ХН.

При отсутствии отвода тепла процесс каплеобразования прекращается уже при количестве сжигаемого топлива, превышающем 3 кг/ч [3]. Это связано с тем, что, вследствие повышенной температуры аэродисперсной системы в абсорбере, ее недостаточной относительной влажности, малой объемной доли водного аэрозоля в системе, без применения дополнительного охлаждения, стимулирующего процесс каплеобразования, частицы изучаемой аэродисперсной системы не успевают сконденсироваться и частью испаряются, а частью уносятся с газами, отводимыми из установки через систему вытяжки.

По итогам предварительных расчетов, с учетом конструктивных особенностей применяемого абсорбера, было принято решение не расширять ряд теплообменных площадей в большую сторону и в дальнейших исследованиях зафиксировать площадь охлаждающей поверхности на уровне 2,00 м ² .

На основании приведенных экспериментальных данных был также сделан вывод о целесообразности применения в дальнейших исследованиях ХН с температурой минус 26 °С. При понижении температуры ХН, циркулирующего в системе охлаждения установки, процесс каплеобразования начинается при меньшем влагосодержании аэродисперсной системы в камере смешения, что доказывает эффективность снижения температуры ХН [8]. В этом случае доля частиц изучаемой аэродисперсной системы "дымовые газы и акустически генерируемый водный аэрозоль", которая неэффективно уносится газами, отводимыми из установки через систему вытяжки, минимизируется, что позволяет увеличить производительность установки.

В результате обработки данных было получено следующее уравнение регрессии для процесса абсорбции при получении коптильной жидкости AS:

Y = 0,0553 + 0,0177·X 1 – 0,0005·X 2 – 0,0002·X 1 ·X 2 . (5)

Проверка адекватности уравнения регрессии проводилась при помощи критерия Фишера с использованием программы научных и инженерных расчетов DatafitVer.8.2. Численные значения коэффициентов регрессии были проверены на значимость путем сравнения вычисленных и табличных значений t-критерия Стьюдента с учетом принятого уровня значимости α = 0,05. За исключением коэффициентов перед квадратичными членами, коэффициенты регрессии были признаны значимыми. Вычисленное значение критерия Фишера F = 103,9; коэффициент детерминации составляет R ² = 0,956. Сравнение вычисленного значения критерия Фишера с табличным значением позволяет сделать вывод об адекватности модели и статистической значимости регрессионного уравнения. Поверхность отклика факторного пространства представлена на рис. 8.

Рис. 8. Поверхность отклика факторного пространства

Fig. 8. The surface of response factor space

Заключение

Опытным путем определены близкие к оптимальным параметры для процесса абсорбции при получении коптильной жидкости AS: температура хладоносителя, циркулирующего в системе охлаждения, °С, от минус 11 до минус 26, количество сжигаемого топлива, кг/ч, от 3 до 5.

Установлено, что отвод тепла от аэродисперсной системы при протекании процесса абсорбции коптильных компонентов дымовой среды мелкодисперсным акустически генерируемым водным аэрозолем способствует интенсификации коагуляционных и абсорбционных процессов, выявлено, что в изучаемом диапазоне температур хладоносителя наиболее эффективен температурный уровень минус 26 °С.

По результатам экспериментальных работ была модернизирована опытно-промышленная установка для получения коптильного препарата "Сквама–2", разработанная и изготовленная на кафедре технологий пищевых производств Мурманского государственного технического университета [9]. В процессе модернизации осуществлен монтаж охлаждающего блока, а также блока озвучивания аэродисперсной системы, образующейся в абсорбере за счет смешения дымового и аэрозольного потоков. Опираясь на результаты экспериментальных исследований процессов абсорбции и коагуляции, протекающих в указанной аэродисперсной системе, результаты математического моделирования данных процессов, были определены рациональные параметры технологического процесса получения коптильной жидкости AS. Установлены рациональные значения следующих технологических параметров: количество сжигаемого топлива от 3 до 5 кг/ч, температура хладоносителя, циркулирующего по контуру охлаждения, минус 26 °С, уровень звукового давления ультразвуковых колебаний – от 140 до 155 дБ, производительность генератора аэрозоля – от 2 125 до 2 550 г/ч. Ориентировочные значения расхода сырья, материалов и электроэнергии на 1 дм ³ коптильной жидкости AS: древесное сырье – от 0,7 до 1,5 кг; вода – от 4,0 до 4,8 дм ³ ; электроэнергия – от 2,8 до 4,4 кВт·ч.

На основании проведенных исследований разработан проект "Технологической инструкции по изготовлению коптильной жидкости на основе дымовой среды ИК-дымогенератора и акустически генерируемого аэрозоля" и проект технических условий "Коптильная жидкость AntonioSilver". Для производственной апробации результатов исследований в учебно-экспериментальном цехе МГТУ произведен выпуск партии солено-сушеной продукции снеки морские "Моремикс+" с применением в качестве ароматизатора коптильной жидкости AS, проект ТУ и ТИ на снеки морские "Моремикс+".