Введение к работе
Актуальность работы
В настоящее время неуклонно растет необходимость в расширении производства быстрорастворимых сухих многокомпонентных композиций (стиральные порошки, удобрения, пищевые добавки и т.д.). Одним из наиболее перспективных путей получения указанных продуктов в малотоннажных и многоассортиментных производствах является проведение нескольких процессов в одном аппарате. Особенно часто в одном аппарате реализуются процессы нагревания, увлажнения, смешивания, агломерации и сушки. Перспективность использования систем жидкость-твердое обусловлена возможностью получения материалов с новыми свойствами при очень малых концентрациях отдельных компонентов. По сравнению с другими устройствами для переработки и получения гранулированных или агломерированных продуктов аппараты с мешалками обладают рядом преимуществ- простота конструкции и эксплуатации; высокая степень однородности распределения фаз в рабочем объеме; эффективный массообмен; эксплуатационная гибкость и широкие технологические возможности.
Сдерживающим фактором широкого использования аппаратов такого типа является отсутствие обоснованных методик расчета основных режимных и геометрических параметров, учитывающих особенности компонентов.
Особенно остро эта проблема стоит в пищевой промышленности. Уже сегодня стали губительными нарушения в области экологии: природные и техногенные катастрофы, повышенный радиоактивный фон во многих регионах, загрязнение продуктов питания пестицидами, гербицидами, тяжелыми металлами и другими веществами непищевого происхождения. Дефицит витаминов и минеральных солей, микро- и макроэлементов привел к снижению иммунитета населения и повышению заболеваемости различными инфекционными заболеваниями. В настоящее время эффективным путем улучшения витаминной, микро- и макроэлементной обеспеченности населения является использование в питании продуктов с повышенным их содержанием. Наибольший интерес для профилактики витаминной недостаточности представляют сухие концентраты напитков. Это объясняется возможностью создания концентратов функционального назначения с введением в них максимального количества витаминов.
Такие взаимоисключающие технологические свойства сухих концентратов, как быстрая растворимость и низкая гигроскопичность, требуют при их промышленном производстве специальных технологических приемов и, следовательно, нестандартных аппаратов.
Работа выполнялась в соответствии с научно-технической программой
Минобразования РФ «Научные исследования высшей школы по приоритет
ным направлениям науки и техники» (""In И' п| ' уу-прщ"' техноло
гии»), 2001 - 2004 гг. } ВИВлїі2т:АЛЬН^'і
Цель работы
Создать технологию промышленного производства функциональных поликомпонентных быстрорастворимых сухих концентратов натуральных напитков на основе биологически активных природных компонентов.
Разработать комплектную промышленную установку для реализации совмещенных процессов: смешивания, пропитки, агломерации и сушки, обеспечивающую производство сухих концентратов натуральных напитков с заранее заданными технологическими и терапевтическими свойствами.
Научная новизна
Проведено экспериментальное и аналитическое исследование движения частиц сыпучего материала в аппарате с вертикальными лопастями Г-образного поперечного сечения, установлено доминирующее влияние относительных радиальных размеров частей лопасти и углов наклона этих частей к направлению движения лопасти на соотношение конвективной и диффузионной составляющей процесса смешивания и определен диапазон изменения данных размеров и углов, обеспечивающий эффект смешивания сыпучего материала за счет движения частиц внутри «псевдозастойной» зоны, которая образуется перед движущейся лопастью.
Предложена физическая модель процесса смешивания, учитывающая разницу скоростей материала по ширине восходящего и нисходящего потоков в аппарате с вертикальными лопастями Г-образного поперечного сечения, и дано математическое описание процесса.
Экспериментально установлено, что при реализации совмещенных процессов смешивание-увлажнение-сушка, определяющим является процесс смешивания, и с учетом эффекта смешивания сыпучих материалов в «псевдозастойной» зоне, на основе цепей Маркова разработана математическая модель совмещенных процессов.
Практическая ценность
На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований предложен новый способ производства сухих концентратов натуральных напитков и разработано устройство для реализации совмещенных процессов: смешивания, пропитки и сушки. На базе математической модели разработана методика расчета основных режимных и конструктивных параметров установки периодического действия с вертикальными лопастями Г-образного поперечного сечения. Установлено, что для обеспечения устойчивого существования эффекта смешивания, за счет движения частиц внутри «псевдозастойной» зоны, отношение длины участка, расположенного ближе к оси вращения лопасти, к длине участка, расположенного у внутренней поверхности аппарата, должно быть больше коэффициента трения сыпучего материала о поверхность лопасти, но меньше 1,4; а углы наклона указанных участков к радиусу должны быть, соответственно, больше угла трения покоя и меньше угла трения движения влажной многокомпонентной композиции по поверхности лопасти.
Разработана методика идентификации параметров математической модели процесса смешивания, позволяющая в 2,5-3 раза сократить трудоемкость данной операции за счет определенной загрузки ключевого компонента в ап-
парат и определения вероятностей переходов частиц ключевого компонента отдельно в радиальном, угловом и вертикальном направлениях с последующим нормированием указанных вероятностей.
Разработан, обоснован и протестирован новый экспресс-метод определения влажности сахара и коэффициента неравномерности распределения влажности по рабочему объему аппарата в зависимости от яркости цвета.
Предложенные технические решения были проверены при производстве шести новых рецептур сухих биологически активных напитков, составляющие компоненты которых имеют существенные физические отличия.
Автор защищает
Разработанную на основе цепей Маркова математическую модель совмещенных процессов смешивание-увлажнение-сушка.
Результаты экспериментальных исследований совмещенных процессов в аппарате с вертикальными лопастями Г-образного поперечного сечения.
Способ получения сухих многокомпонентных композиций и конструкцию аппарата для реализации совмещенных процессов.
Апробация результатов работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на международных и всероссийских конгрессах и конференциях Болгария, Варна (2004 г.), Иваново (2004 г.), Казань (2005 г.). По теме диссертации опубликовано 10 работ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка использованных источников (116 наименований работ отечественных и зарубежных авторов), приложений и документов, подтверждающих практическое использование результатов работы. Работа изложена на 140 страницах основного текста и содержит 54 рисунка.
