Введение к работе
. -, ..j .'
Актуальность проблеми. Политика партии и правительства направлена на наиболее полное использование сырьевых ресурсов мясной и молочной промышленности. В этой связи актуальной задачей является создание перерабатывающих комплексов непосредственно на местах производства молочной продукции.
Б состав таких комплексов должно входить оборудование по переработке вторичных продуктов молочной промышленности, в частности, обезжиренного молока. Наиболее выгодным при переработке обезжиренного молока является получение сухого каэеината натрия -ценного сырья, используемого в пищевом и других отраслях промышленности. Решением этой задачи является создание малогабаритного сушильного оборудования небольшой производительности, а также определение технологических режимов подготовки и сушки жидкого продукта, позволяющих получить конечный продукт, соответствующий мировым стандартам.
Качество конечного продукта определяется не только заключительным этапом - сушкой, но и всеми подготовительными операция-ми. Комплексное решение задачи получения высококачественного каэеината натрия невозможно без исследования влияния всех подготовительных операций, а также выявления корреляции между режимами подготовки и параметрами процесса сушки.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является детальное изучение подготовительных операций процесса получения жидкого казеината натрия, аппаратурное оформление контроля параметров исходного сырья, а также определение оптимальных параметров процесса сушки, обеспечивающих высокие качественные характеристики конечного продукта.
При решении поставленной задачи была построена полуэмпирическая модель процесса сушки на инертных телах в трехмодульном аппарате вихревого типа, связывающая характеристики жидкого казеината натрия с условиями проведения сушильного процесса.
Научная новизна работы. Впервые установлена возможность получения сухого казеината натрия в сушилках вихревого типа, заполненных инертными телами, определены технологические параметры процесса сушки. Теоретически обоснована и практически подтверждена устойчивость процесса сушки при параллельном включении трех
сушильных камер с общей вентиляционной системой, устройством подачи продукта и теплогенератором.
Исследовано влияние характеристик исходного сырья, технологических параметров процессов получения жидкого казеината натрия и последующей его сушки на качество конечного продукта. Определены кинетические закономерности процесса сушки.
Практическая ценность работы. Разработана и изготовлена непрерывная линия производства и сушки казеината натрия.
Экономический эффект от внедрения линии - 72 тыс.рублей в год.
Апробация работы. Основные результаты работы доложе'ны на техническом совете Ленмолкомбкната № I (1988 г.), техническом совете Ленгорагропроыа (1988 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано двенадцать работ, из них восемь авторских свидетельств на изобретения по теме диссертации.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЕ/ШИЕ РАБОТЫ
Исследование влияния подготовительных операции на качество казеината натрия
При создании непрерывной линии получения сухого казеината натрия является соблюдение качественных параметров как исходного сырья, так и молочной сыворотки, промывной воды, а таюко выдерживание параметров процессов коагуляции казеина и его промывки.
Особое внимание было обращено на характеристики щелочного гидролизе казеина, стабилизации температурных режимов гидролиза. Для обеспечения данных требований были разработаны и внедрены следующие организационно-технические мероприятия:
I. Для контроля жирности обезжиренного молока, являющегося исходным сырьем для получения казеината натрия, разработаны способы определения жирности продуктов, позволяющие осуществлять быстрый и точный количественный контроль содержания жировой и водно-белковых компонентов на основе измерения сигналов ядерно-магнитного резонанса (ЯМР),а также устройство для измерения содержания жира в молоке и молочных продуктах. На способы и устройство получены 4 авторских свидетельства.
-
Для контроля качества казеина после коагуляции был разработан способ определения готовности молочно-белкового сгустка, защищенное авторским свидетельством. Этот способ позволяет определить реальное состояние структурно-механических свойств сгустка и дает возможность учитывать влияние нэ его прочность различных колебаний и отклонений проведения технологического, процесса. Данный контроль дал возможность целенаправленно управлять размером зерна казеина путем тонкой регулировки соотношения расходов обезжиренного молока и сыворотки о учетом реальной кислотности сыворотки и колебаниях температуры проведения процесса коагуляции в пределах технических условий. Контроль размера зерна позволил также обеспечить устойчивую работу узлов непрерывной промывки и сыворотко-отделителей.
-
Для непрерывного получения казеинового зерна, использовался модернизированный творогоизготовитель, учитывающий особенности коагуляции казеина, заключающиеся в жесткой стабилизации температуры процесса. Устройство защищено авторским свидетельством.
-
Для стабилизации характеристик жидкого казеината натрия перед сушкой, после щелочного гидролиза, осуществлялся контроль плотности жидкого продукта. Для этого разработаны и защищены авторским свидетельством способ определения плотности жидких пищевых продуктов и устройство для его осуществления.
Были проведены экспериментальные исследования по влиянию изменения величин вышеупомянутых параметров на качественные характеристики конечного продукта, на производительность и устойчивость работы сушильного оборудования. Результаты представлены на рис.1-6. Как видно из графиков (рис.1, 2), наличие жира в исходном сырье существенно влияет на качественные характеристики конечного продукта (цвет) и производительность сушильной установки. Согласно графику (рис.3) с ростом рН жидкого казеината натрия падает производительность сушилки. Одновременно происходит рост толщины пленки, увеличивается продолжительность сушки, снижается -качество готового продукта - уменьшается растворимость. Представленная на графике (рис.4) зависимость производительности Ge от концентрации жидкого казеината натрия показывает снижение производительности по испаренной влаге Свя с ростом концентрации щ при одновременном увеличении производительности по сухому продукту Gcyx~ Необходимость поддержания
оптимального размера зерна при коагуляции подтверждается зависимостью скорости гидролиза от размера зерна. Рвзмер зерна характеризует его физико-химические свойства, непосредственно определяющие скорость гидролиза. Температура подаваемого в сушилку жидкого казеината натрия соответствует температуре, при которой проводится гидролиз. Ее отклонение от оптимальной также существенно влияет на качество конечного продукта (см.графики рис.6) и на толщину пленки продукта в аппарате.
Проведенные исследования и полученные зависимости позволяют определить требуемую точность поддержания параметров непрерывного процесса приготовления жидкого казеината натрия, обеспечивающую заданные качественнее показатели конечного сухого продукта. В соответствии о этой точностью был разработан и внедрен ряд мероприятий и приборов.
Кинетика сушки казеината натрия в вихревом слое инертных тел
Кинетические закономерности процесса сушки, а именно, зависимость времени сушки от технологических параметров являются основой не только для расчета оборудования, но и для определения рациональных режимов, позволяющих получить продукт с необходимыми качественными характеристиками.
Непосредственное определение продолжительности процесса сушки связано с решением уравнения, описывающего изменение влагосо-держашш U пленки продукта, нанесенного на .отдельную частицу, во времени %
(і)
-fa - 4.88р[ехр (aOBms)-
Для интегрирования уравнения (I) необходимо знать как меняется температура поверхности частицы ьд в процессе сушки. В случае, когда толщина пленки мала по сравнению с размером частиц, эту зависимость можно найти из уравнения
d[rt(r,i)\ дг[гЦг,т;)\
dv "а dr* (2)
и краевых условий
Цг.О) - t0 J о)
(4) (5)
^^^[tc-tiRuvh^expi-m)]^,
'*%*) -О
Решение этой задачи известно. Решение же аналогичной системы уравнений с учетом конечной толщины пленки продукта много сложнее и возможно лишь с применением методов операционного исчисления. В результате решения ыло получено уравнение
где Z'ViexpfCt) ,
в , а062.(к^Шк^/Щ^ .sin Щ 1(D0S fypdfafcl)]-
*sin Wt(Kn-i)pty 'V&jiit sinju, cos [YKafa-i)^ Jj-
Уравнение (6) позволяет, исходя из заданного конечного вла-госодержания продукта, рассчитать продолжительность сушки. Производительность установки определяется по формуле
О-вап/Ъ . (7)
Величина заполнения аппарата продуктом 7OT зависит от параметров процесса сушки. Эта зависимость определялась экспериментально и представлена в виде номограммы (рис. 7).
Температурные режимы сушки выбраны в соответствии с графиками зависимости температур на вход" в установку и выходе из нее, зависящими от требуемого конечного влагосодержания казеината натрия ЭД„,я(рис.8).
Задавая температурные режимы сушки можно влиять на конечное влагосодержание продукта - один из основных качественных параметров.
Влияние гидродинамических условий в аппарата на качество готового продукта
Гидродинамические условия в аппарате определяет интенсивность измельчения высушенного продукта и соответственно его время пребывания. Дополнительная тепловая обработка сухого продукта в процессе измельчения существенно влияет на его качество. В этой
связи создание развитых гидродинамических условий в аппарате определяет не только устойчивость его работы (отсутствие комкорбра-аования), но и позволяет улучшить такие параметры готового продукта как сыпучесть, растворимость, цвет.
Экспериментально установлено, что наиболее интенсивное отделение высушенного продукта от поверхности инертных тел имеет мео-то при наличии в слое пульсационных режимов вихревого псевдоохи-зкения. Такой режим может быть реализован как за счет перераспределения потоков теплоносителя по длине газораспределительной .решетки в одном аппарате, так и за счет перераспределения потоков между параллельно включенными камерами.
Определили условия сущее.вовашш пульсационных режимов псєб-доояижения трехмодульной сушильной установки, схема которой приведена на рис.9, где изображены сушильные камеры с форсунками I, насос 2, подогреватель 3, циклон 4, разгрузочное устройство 5, настроечные задвижки 6, общий теплогенератор 7, вентиляционный блок 9 и фильтр 10.
Полное гидравлическое сопротивление одной сушильной камеры &Рап определяется суммой сопротивлений газораспределительной решетки лЦев^ слоя йРм
ЛРап - йРреш +ЛРод . (8)
Основным фактором, определяющим стабильность расхода теплоносителя в какдом аппарате, является гидравлическое сопротивление, создаваемое газораспределительной решеткой, рассчитываемое
ПО формуле г
„ рг Wwc.p
Л1реи,-р 2 ' (9)
Реальные значения %р лежат в пределах 1,2-1,7.
Для устойчивой работы установки, состоящей из трех модулей, гидравлическое сопротивление газораспределительной решетки должно быть разным или соизмеримым с гидравлическим сопротивлением взвешенного слоя инертных тел. Последнее задается соотношением, определяемым из условия равенства перепада давления весу слоя:
*&"$!# ш)
Гидравлическое сопротивление слоя в аппарате переменного сечения уменьшается с увеличением высоты слоя, которая, в свою оче-
редь, тем больше, чем больше скорость газа.
На рис.10 представлены графики зависимостей АРраа , лРеп и ДРап т скорости газа в сечении решетки и нагрузочные характеристики вентиляторов: I - при одномодулыгом включении, П - при трех-модульном включении (в пересчете по расходу на I модуль).
График зависимости АРап ч Ща.р имеет ниспадающий участок АВ, проявляющийся лить при условии
для значений \Увж.р . при которых
х dWex.p ^U '
Если при этом соблюдается дополнительное условие
dPnewnl , \ dPan 1
йЩкр I I ЫЩцЛ '
то есть нагрузочная кривая вентиляторов и кривая сопротивления
ЛРап имеют несколько точек пересечения (рис.10, кривая П), то мы получаем режим с пульсациями расхода (или Wm.p) > возникающий в силу наличия одновременно нескольких альтернативных вариантов раздутия слоя. При этом точке С соответствует слой минимальной высоты, а точке Е слой максимальной высоты, точка В -настойчивое состояние слоя. Переход режима работы установки из точки С в точку Е и обратно выражается в появлении характерных пульсаций слоя по высоте о экспериментально наблюдаемой частотой 1-3 Та.
В этом случае происходят кратковременные, перераспределения потоков теплоносителя между модулями, но это перераспределение не изменяет суммарный расход газа через вентиляционную систему, поскольку вид нагрузочной характеристики вентиляционной системы при включении трех модулей.(кривая П, рис.10) более пологий, чем для системы с одной камерой (кривая I, рис.10).
Создание пульсирующего режима вихревого псевдоожижекия в трехмодульной сушильной установке позволило обеспечить при сушке жидкого казеината натрия производительность по испаренной влаге 240 кг/ч, что соответствует производительности линии непрерывного -приготовления жидкого казеината натрия. Анализ качества полученного сухого продукта показал полное соответствие мировым стандартам.