Совершенствование и научное обоснование способа сушки экстракта корня алтея Теличкина Эльвира Рафаэлевна

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1. Растительные экстракты: характеристика, области использования, перспективы и проблемы производства 14

1.1 Общая характеристика растительных экстрактов 14

1.2 Общая характеристика алтея лекарственного и экстракта

корня алтея 16

1.3 Перспективы производства, анализ рынка и области использования растительных экстрактов 21

1.4 Анализ современных технологий переработки растительного сырья 29

1.5 Анализ перспективных способов и конструкторских решений

для сушки растительных экстрактов 32

ГЛАВА 2. Термодинамический анализ закономерностей взаимодействия экстракта корня алтея с водой на основе изучения физико химических, гигроскопических и теплофизических свойств 47

2.1 Теплофизические и структурно–механические характеристики экстракта корня алтея 47

2.1.1 Исследование плотности экстракта корня алтея 49

2.1.2 Исследование удельной теплоемкости экстракта корня алтея 53

2.1.3 Исследование теплопроводности экстракта корня алтея 55

2.1.4 Исследование температуропроводности экстракта корня алтея 59 2.2 Механизм взаимодействия экстракта корня алтея с водой 61

2.3 Термодинамический анализ внутреннего массопереноса при взаимодействии экстракта корня алтея с водой 68

ГЛАВА 3. Механизм внутреннего тепломассопереноса при распылительной сушке экстракта корня алтея 76

3.1 Экспериментальное исследование процесса распылительной сушки экстракта корня алтея 76

3.2 Исследование кинетики распылительной сушки экстракта корня алтея 84

3.3 Анализ механизма внутреннего массопереноса при распылительной сушке водного экстракта корня алтея 92

Глава 4. Совершенствование тепломассообменных процессов при сушке экстракта корня алтея 95

4.1 Производительность распылительной сушильной установки для экстракта корня алтея 95

4.2 Анализ влияния основных факторов на удельную производительность и удельную влагонапряженность при распылительной сушке экстракта корня алтея 100

4.3 Разработка режимных параметров распылительной сушки экстракта корня алтея 102

Глава 5. Расчет температурных полей в высушиваемой частице при распылительной сушке экстракта корня алтея и реализация математической модели тепломассопереноса 105

Глава 6. Практическое применение результатов научных и проектно-технических решений 119

6.1 Тестирование режимных параметров распылительной сушки экстракта корня алтея 119

6.2 Распылительная сушилка 123

6.3 Рекомендации по практическому использованию результатов исследований 132

Основные выводы и результаты 135

Список литературы

• Перспективы производства, анализ рынка и области использования растительных экстрактов
• Исследование плотности экстракта корня алтея
• Исследование кинетики распылительной сушки экстракта корня алтея
• Анализ влияния основных факторов на удельную производительность и удельную влагонапряженность при распылительной сушке экстракта корня алтея

Введение к работе

Актуальность работы. Продукты переработки растительного сырья занимают важное место в структуре питания населения и активно используются при производстве продуктов быстрого приготовления, сухих соков, приправ, специй, соусов, выпечки, диетических препаратов, десертов, молочных продуктов и др., а также востребованы в фармацевтике и косметике. Объем спроса на сухие дисперсные растительные материалы постоянно увеличивается.

На сегодняшний день, перерабатывающая промышленность поставляет на рынок разнообразные продукты из растительного сырья, в том числе сухие порошковые экстракты трав, плодов, ягод, специй, частей деревьев или кустов. Использование в качестве сырья и ингредиентов сухих дисперсных растительных продуктов пищевыми предприятиями позволяет расширять ассортимент производимой продукции, повысить пищевую и биологическую ценность товаров и совершенствовать технологии производства.

Активно внедряются и пользуются популярностью продукты содержащие экстракт корня алтея, который обладает уникальным химическим составом и произрастает на юге и средней полосе России.

Высокая сорбционная активность сухих и специфические особенности механизма внутреннего тепломассопереноса в растительных материалах затрудняют применение в производственной практике традиционных способов сушки и диктует задачу поиска новых и рационализации существующих методов получения сухих дисперсных растительных продуктов.

Решение задач повышения эффективности перерабатывающих

предприятий, специализирующихся на производстве сухих растительных продуктов, в частности, проведение комплексных исследований с целью выбора рациональных способа и режимов обезвоживания, типа и конструктивных особенностей сушильного аппарата, обеспечивающих соответствующие технико-экономические показатели, актуально и требует научного подхода с учетом специфики технологии и свойств сырья и требований к конечной продукции.

Диссертационная работа выполнена в рамках Перечня критических
технологий Российской Федерации, утвержденного Президентом Российской
Федерации В.В. Путиным 21 мая 2006г. Пр-842 (п. «Технологии экологически
безопасного ресурсосберегающего производства и переработки

сельскохозяйственного сырья и продуктов питания»), Федеральной целевой
программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям
развития научно – технологического комплекса России на 2007- 2012 годы»
(распоряжение Правительства Российской Федерации от 6 июля 2006 г. № 977-
р.), а также в соответствии с координационным планом Научно-
исследовательской работы кафедры «Технологические машины и оборудование»
ФГБОУ ВПО «Астраханский государственный технический университет».

Цель работы и задачи исследований. Целью работы является совершенствование процесса распылительной сушки водного экстракта алтея путем исследования его физико-химических свойств, анализа процессов тепломассообмена, разработки рациональных режимов обезвоживания и конструкции сушильной установки.

В соответствии с поставленной целью решаются следующие задачи:

1. Определить перспективные направления совершенствования тепломассообмена при распылительной сушке экстракта корня алтея на основе анализа способов и конструкторских решений для сушки, с учетом особенностей технологии и требований к сырью и качеству готовой продукции.

2. Исследовать теплофизические и гигроскопические характеристики объектов сушки, а также проанализировать термодинамические закономерности статического взаимодействия экстракта корня алтея с водой.

3. Изучить особенности механизма внутреннего тепломассопереноса при распылительной сушке экстракта корня алтея на основе комплексного исследования кинетики сушки.

4. Экспериментально обосновать рациональные способы обезвоживания водного экстракта корня алтея и выявить влияние основных факторов на процесс сушки, получить расчетные зависимости кинетики влагоудаления и удельной производительности сушилки от влияющих факторов для их использования в инженерных расчетах при проектировании сушилок.

5. Разработать и численно реализовать математическую модель процесса распылительной сушки водного экстракта алтея для расчета эволюции температурных полей в продуктах при обезвоживании.

6. На основе анализа результатов проведенных экспериментально-аналитических исследований по интенсификации тепломассообмена с учетом анализа данных научно-технической литературы предложить конструкторские решения для реализации разработанных режимов сушки.

7. Разработать рекомендации по практическому использованию результатов исследования.

Положения, выносимые на защиту:

Функциональные зависимости теплофизических, структурно-механических и гигроскопических характеристик водного экстракта корня алтея от влажности и температуры продуктов для реальных диапазонов их изменения в процессе сушки.

Расчетные зависимости скорости влагоудаления и удельной производительности сушилки от начальной влажности, температуры продукта и температуры сушильного агента.

Рациональные режимы распылительной сушки водного экстракта алтея.

- Конструкции установок для сушки растительных экстрактов.
Научная новизна. Получены уравнения зависимости гигроскопических,

массовлагообменных и теплофизических характеристик экстракта корня алтея от
влажности и температуры. Определены и математически описаны

закономерности взаимодействия экстракта корня алтея с водой на основе
термодинамического анализа процесса сорбции. Установлены кинетические
закономерности процесса распылительной сушки водного экстракта корня алтея,
получены полиноминальные аппроксимирующие зависимости удельной

производительности и кривых скорости от влияющих факторов и проведен комплексный анализ тепломассообменных процессов при обезвоживании. Определены факторы, влияющие на удельную производительность, установлены диапазоны их варьирования с учетом технологических ограничений. Выявлены

особенности механизма внутреннего тепломассопереноса при сушке водного экстракта алтея. Проведен анализ эволюции температурных полей в продуктах при обезвоживании путем численной реализации математической модели тепломассопереноса при распылительной сушке водного экстракта корня алтея.

Практическая ценность. Установлен рациональный режим

распылительной сушки экстракта корня алтея с начальной влажностью Wн =
0,9 кг/кг до конечной влажности Wк 0,05 кг/кг при удельной

производительности по сухому порошку П = 1,692 кг/(м³ч) и удельной влагонапряженности рабочего объема сушильной камеры В = 14,385 кг/(м³ч):

Исходная температура водного экстракта корня алтея Т_прод = 308 К.

Исходная температура сушильного агента Т_с.а. = 503 К.

Способ распыления экстракта алтея должен обеспечивать начальный диаметр частиц 20..30 мкм.

Удельный расход сушильного агента на 1 кг испаренной влаги Qс.а. 20кг/кг.

Температура отработавшего сушильного агента 343 К.

Разработан программный продукт для аналитического расчета

гигроскопических и термодинамических характеристик при взаимодействии продуктов растительного происхождения с водяным паром (Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2014613311, Россия).

Предложены рациональные конструкции установок распылительной сушки для эффективного обезвоживания растительных экстрактов (Патент на полезную модель 150305 РФ; Заявка на полезную модель №2015120308 РФ.).

Основные результаты и рекомендации внедрены и используются при
организации технологических процессов на ООО «АСТРАХАНСКАЯ

КОНСЕРВНАЯ КОМПАНИЯ», ООО «КАСПРОФИТ», ООО НПП «пЕДАнт», ООО «АСТРБИОПРОДУКТ» и др.

Апробация работы. Основные результаты исследований доложены и обсуждены на научных конференциях: Региональная научно- практическая конференция «Исследование молодых ученных – вклад в инновационное развитие России» (Астрахань, 2011г.); Международная научная конференция Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности «АСТИНТЕХ-2012». Участник молодежного научно-инновационного конкурса» («У.М.Н.И.К.») (Астрахань, 2012г.); Всероссийская научная конференция профессорско-преподавательского состава Астраханского государственного технического университета (Астрахань, 2012г.); Конкурс «Лучший молодежный инновационный проект» Министерства экономического развития астраханской области в рамках форума «Дни инноваций Астраханской области» (Астрахань, 2013). Международная научная конференция научно-педагогических работников Астраханского государственного технического университета, посвященная 20-летию АГТУ (Астрахань, 2014г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 работ, из них 2 статьи в журналах рекомендованных ВАК РФ, 1 статья и 2 тезиса материалов конференций, получено 1 свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ, получен 1 патент РФ на полезную модель.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов и заключения, списка литературы и приложений.

Основное содержание работы изложено на 135 страницах машинописного текста, содержит 36 таблиц, 44 рисунков, список литературы из 234 наименований работ отечественных и зарубежных авторов. Приложения представлены на 44 страницах.

Перспективы производства, анализ рынка и области использования растительных экстрактов

Экстракты являются одной из старейших лекарственных форм официальной медицины и имеют фармакопейный статус в РФ. Примерами могут служить такие лекарственные препараты как: экстракт корня солодки (жидкий, густой и сухой), экстракт корня алтея (сухой и жидкий), экстракт красавки (сухой), экстракт термопсиса (сухой) и многие другие.

Наряду с фармацевтической отраслью экстракты растений имеют успешное применение в косметологической области и пищевом производстве. Помимо собственных уникальных свойств, экстракты лекарственных растений могут использоваться в качестве элемента, раскрывающего или усиливающего действие того или иного компонента. В пищевом производстве экстракты растений используются в качестве функциональных добавок и в виде специй. Постоянный спрос на лекарственное сырье растительного происхождения, интерес к фитохимическим препаратам, а также развитие рынка биологически активных добавок к пище с использованием растительного сырья обусловливает проблему грамотного его использования.

Растительные экстракты – концентрированные лекарственные средства жидкой (жидкие экстракты и настойки), мягкой (густые экстракты) или тврдой (сухие экстракты) консистенции, в зависимости от количества оставшегося экстрагента, полученные из растительного сырья. Сухие экстракты содержат до 5% влаги и представляют собой легкие губчатые массы или порошки. По характеру экстрагента различают: водные, спиртовые и эфирные экстракты. Выводы ряда маркетинговых исследований подтверждают, что наиболее популярными являются сухие экстракты. Сухие экстракты являются наиболее рациональным типом экстрактов длительного хранения без создания специальных условий. Сухие экстракты технологичны и транспортабельны.

Стандартизация сухих растительных экстрактов осуществляется по следующим показателям: содержание влаги; содержание действующих веществ; содержание тяжелых металлов, органолептические характеристики.

Сухие экстракты делят на экстракты: с нелимитированным и с лимитированным верхним пределом действующих веществ. Экстракты с не лимитированным пределом производят из сырья, в котором содержатся преимущественно не сильнодействующие вещества и данные экстракты получают без добавления различных наполнителей. Экстракты с лимитированным верхним пределом получают из лекарственного сырья, для состава которого характерно значительное содержание высокоактивных в биологическом отношении соединений. Содержание действующих веществ в таких экстрактах строго регламентировано. При производстве могут добавляться наполнители (глюкоза, декстрин и др.) и/или другие экстракты.

Растительное сырье, содержащее слизи, в том числе алтей, обладает рядом ценных свойств, в том числе фармакологических и входит в компонентный состав более 56 сборов, также производят более 30 фитопрепаратов, которые используют для лечения и профилактики различных заболеваний. Растительные слизи включают в состав БАД.

Под термином «растительные слизи» понимается смесь слизи и пектинов, иногда с добавлением аминопектинов или декстрина. В состав молекул слизей входят полисахариды, уроновые и некоторые органические кислоты.

Среди многообразия лекарственных растений, включающих в свой состав слизистые вещества, таких как листья мать-и-мачехи, листья подорожника большого, лен обыкновенный, особое внимание стоит уделить алтею лекарственному.

Корни алтея содержат в большом количестве слизистые вещества, крахмал, пектин, сахара, лецитин, каротин, фитостерин, бетаин, ситостерин, аспарагин, эфирные и жирные масла, активные дубильные вещества, витамины, флавоноиды, аскорбиновую кислоту и минералы.

Современные технологии получения растительных экстрактов, в том числе сухого экстракта корня алтея, с учетом создания высокоэффективных экстракционных установок, основаны на экологически безопасной и экономичной водной экстракции ценных компонентов из растительного сырья, с последующей сушкой водных экстрактов.

Принимая во внимание увеличивающийся объем спроса на сухой дисперсный экстракт корня алтея, очевидно, что внедрение даже незначительных усовершенствований при организации стадии промышленной сушки приведет к ощутимым экономическим выгодам производителей.

Алтей лекарственный (Althaea officinalis L) – растение семейства мальвовых (Malvaceae). Существуют разновидности, живущие год, а есть и многолетние. В умеренном климате насчитывается не меньше 12 видов этого растения, одним из которых является алтей лекарственный или аптечный. Алтей лекарственный произрастает на юге России и в средней ее полосе, а также на Украине, Средней Азии, на юге и в центре Европы, на Северном Кавказе. Растение можно обнаружить в Африке и Китае. Как следует из «Атласа лекарственных растений Астраханской области» в регионе произрастают и культивируются около 100 видов лекарственных трав, в том числе алтей лекарственный. Алтей активно произрастает на берегах водоемов, пойм рек, открытых лугах.

Алтей многолетнее растение, цветущее крупными цветами, собранными в подобие крупного колоса. Молодые растения имеют одиночные стебли, а у старых растений насчитывается около 10 стеблей. Листья растения очередные, мягкие, если их пощупать, то они напоминают байку. Листья, расположенные внизу на стебле, округлой формы, эти листья отмирают в начальной стадии цветения. Средние листья тоже округлые, имеют сердцевидное основание, могут иметь 3 или 5 лопастей, а верхние листья – цельные. У всех листьев имеются неправильные зубчики. Цветки, собранные в пучки, расположены на общих коротких цветоносах. Венчик растения состоит из 5 лепестков, обычно белого или розового цвета. Корневище ветвистое, толстое, беловатого цвета, под коркой мясистое. Высотой алтей может достигать полутора метров. Плоды алтея плоской формы, дисковидные и содержащие множество семян [37,48,59,212]. Для культурного выращивания используются части корневища или семена.

Исследование плотности экстракта корня алтея

В литературе [45 и др.] имеются некоторые данные о плотности растительных материалов, однако сведения источников разноречивы. Ввиду простоты организации экспериментальных исследований пикнометрическим методом, проведены опыты по определению плотности исследуемых материалов.

Из анализа данных литературных источников [45] и ряда исследовательских работ [5,8,168,205 и др.] следует, что изменение температуры продуктов в диапазоне 293К - 333К не приводит к значительному изменению плотности материалов растительного происхождения. С повышением температуры плотность незначительно в пределах погрешности экспериментов увеличивается. Исследования плотности растительных экстрактов проведены при Т = 293К и влажности Wн = 0,9 кг/кг. Для получения зависимости плотности во всем диапазоне изменения W применимо правило аддитивности.

Объем экстракта оценивался мерным стаканом (допускаемая основная погрешность - не более 0,1%). Измерение массы образцов осуществлялось на аналитических весах Adventurer OHAUS AR3130 соответствующие 2-му классу точности по ГОСТ 24104-88 (допускаемая основная погрешность прибора не более 0,1%). Каждый опыт для повышения точности измерений проводился при 3-х повторениях. Вычисление погрешностей при определении плотности продукта выполнялось в общепринятой последовательности [34,75 и др.]: составление таблицы измерений; определение средних значений измеряемой величины: выявление и исключение промахов из таблицы измерений (приближенно считая промахами измерения, при которых Ахі 2Sn); определение средних квадратичных отклонений среднего:

Результаты экспериментальных исследований представлены в таблице 2.2, где: pi, р2, и р3 - плотности, определенные при соответственно трех повторениях опыта), кг/м3; р - средняя плотность, определенная по формуле (2.1), кг/м3; Sn - среднее квадратичное отклонение, определенное по формуле (2.2), кг/м3; SwP - среднее квадратичное отклонение среднего, вычисленное по формуле (2.3), кг/м3; Ар - погрешность результатов, вычисленная по формуле (2.4), кг/м3; sp - относительная погрешность по формуле (2.5). Относительная ошибка при определении плотности продуктов р не превышала ер = 1,409%.

Формула для расчета плотности абсолютно сухого материала р, кг/м3 получена при известных значениях плотности материала для определенной его влажности WH и плотности воды рв по правилу аддитивности: ,_{\-WH)-pe-p{WH)/ _(1- «)-л где р(Жн) - плотность при известной влажности, кг/м3 (таблица 2.2); / е = 998,2 кг/м3 - плотность воды при Т = 293К.

Результаты экспериментального определения плотности р, кг/м и расчета плотности абсолютно сухого материала/?, кг/м Продукт WH, кг/кг р, кг/м3 /Г, кг/м3 Водный экстракт корня алтея 0,9 1012,478 1162,076 Далее при известных значениях плотности р , кг/м3 повторно используя правило аддитивности получена зависимость в общем виде для расчета плотности продукта в диапазоне изменения его влажности W в процессе обезвоживания (таблица 2.1).

Подставив в (2.7) значения плотности р, кг/м3 (таблица 2.3) и после математических преобразований получим частные зависимости плотности от текущей влажности W для исследуемого материала:

На рисунке 2.1 в графическом виде представлены зависимости плотности экстракта от их влажности, полученные с использованием формулы (2.8).

Зависимость плотности водного экстракта корня алтея для реального диапазона изменения влажности в процессе сушки Из анализа рисунка 2.1 следует, что существенное влияние на изменение плотности исследуемого материала оказывает изменение его влажности. При увеличении влажности наблюдается уменьшение его плотности, что связано с увеличением доли воды, плотность которой ниже плотности сухих веществ.

Дальнейшее развитие получают исследования по расчету эмпирических коэффициентов, их обобщения и применения зависимости (2.8) для ряда других продуктов растительного происхождения. Таким образом, установлены и проанализированы функциональные зависимости плотности водного экстракта корня алтея в реальных диапазонах изменения влажности в процессе сушки для дальнейшего использования в инженерной практике при проектировании производственных процессов и аппаратов в технологиях переработки растительного сырья.

Кроме того, результаты необходимы для научного анализа кинетики и динамики тепломассообменных процессов, их моделирования и оптимизации с целью энерго- и ресурсосбережения при обезвоживании продуктов из сырья растительного происхождения.

Исследование удельной теплоемкости экстракта корня алтея Зависимость удельной теплоемкости водного экстракта корня алтея от влажности W получена по правилу аддитивности, с использованием результатов исследований (таблица 2.5) по методике, представленной в [104], где сWн, Дж/(кгК) – удельная теплоемкость растительного материала при Wн.

При увеличении влажности характерно увеличение удельной теплоемкости с постепенным приближением значений, в области высокой влажности, к теплоемкости воды.

Из анализа данных литературных источников [6,16,45 и др.] и результатов собственных экспериментальных исследований следует, что изменение температуры продуктов в диапазоне 293К – 333К не приводит к значительному изменению удельной теплоемкости растительных материалов. С повышением температуры в диапазоне 293К – 333К удельная теплоемкость несущественно (до 1%) увеличивается.

Дальнейшее развитие получают исследования по расчету

эмпирических коэффициентов, их обобщения и применения зависимости (2.10) для ряда других продуктов растительного происхождения.

Исследование кинетики распылительной сушки экстракта корня алтея

Непрерывный процесс сушки производился при прямоточном контакте распыленного продукта с нагретым воздухом, при этом в установившемся режиме сушки, при постоянных по высоте сушильной камеры параметрах процесса (температура и влажность сушильного агента и продукта), осуществлялся отбор проб витающих частиц продукта по высоте камеры 6 через штуцеры 5 (рисунок 3.2).

Пробы продукта отбирались с целью определения степени их обезвоживания на разных стадиях процесса и построения экспериментальных кривых сушки.

Пробоотборник, представляет собой отрезок металлического прута с пазом. В паз пробоотборника устанавливался предварительно взвешенный гидрофобный материал – микрофибра, на который улавливались частицы продукта. Использование гидрофобного материала позволяет исключить контакт материала с влагой, переданной сушильному агенту и, следовательно, осуществлять улавливание только влажных частиц продукта.

При разгрузке материал с пробой оперативно извлекался из пробоотборника и взвешивался на аналитических весах. Далее проба высушивалась при соответствующем значении Тс.а. (таблица 3.3), устанавливаемого помощью электрического тепловентилятора при постоянном расходе и равномерном обдуве частиц исследуемого продукта. Скорость потока теплоносителя (максимально 1 м/с) устанавливалась в ходе постановочных экспериментов и была ограничена условием недопустимости уноса и деформации капель (частиц) продукта при досушке. Во времени процесса осуществлялась регистрация убыли массы частиц обезвоживаемого продукта при помощи аналитических весов Adventurer OHAUS AR3130. Для исключения влияния потока теплоносителя на показания весов и уменьшения погрешности экспериментов в момент фиксации массы навески кратковременно (до 1с.) прекращали подачу сушильного агента в зону сушки. Высушивание проб производилось до постоянного веса пробы, соответствующего WK. Рассчитывалась текущая влажность продукта в точках отбора проб по высоте камеры и, соответственно, в течение времени процесса (Приложение 1). Значения текущей влажности продукта W, кг/кг рассчитывались по формуле: где тн - текущая масса пробы продукта, кг; mWK- масса высушенной пробы продукта, кг; WK - конечная влажность продукта, кг/кг. Вычисление погрешностей при определении влажности продукта выполнялось в вышеуказанной последовательности (формулы (2.1) - (2.5)).

Результаты исследований представлены в таблице Приложение 1, где: Wi, W2, и W3 -влажности, определенные при соответственно трех повторениях опыта, кг/кг; W - средняя влажность определенная по формуле (2.1), кг/кг; S„ - среднее квадратичное отклонение при определении W, определенное по формуле (2.2), кг/кг; Sw - среднее квадратичное отклонение среднего при определении W, вычисленное по формуле (2.3), кг/кг; AW -погрешность результатов вычисленная по формуле (2.4), кг/кг; sw -относительная погрешность по формуле (2.5).

Относительная ошибка при определении влажности продукта W не превышала sw = 15%. 3.2 Исследование кинетики распылительной сушки экстракта корня алтея На основе результатов экспериментальных исследований (Приложение 1) построены кривые сушки продукта (рисунок 3.4 - 3.6).

При получении функциональных зависимостей скорости процесса сушки dW/dx или dc/dc, кг/(кгс) от текущей влажности W или содержания сухих веществ с, кг/кг (с = 1 - W), экспериментальные данные (Приложение 1) графически представлены в виде зависимости x(W) (пример на рисунках 3.7 и 3.8) и математически описаны полиноминальной зависимостью вида: x(W) = ak -W4 +bk-W3+ck -W2+dk -W + ek, (3.2) где x(W) - текущее время сушки, с; % bk, Ck, dk, е - эмпирические коэффициенты, с (таблица 3.4). Величина достоверности аппроксимации составляла не менее Я2=0,99. Размерность коэффициентов равна отношению размерности функции к размерности аргумента.

Анализ характера экспериментальных кривых скорости сушки экстракта корня алтея (рисунок 3.9 – 3.14) и результатов исследований ряда авторов [6,94,168 и др.] позволяет сделать вывод о том, что при интенсивной распылительной сушке зависимость скорости носит экстремальный характер. Отмечается быстрый рост функции dc/d до максимального значения с последующим резким падением, что обусловлено процессами формирования капиллярно-пористой структуры частиц продукта при их обезвоживании.

Для разработки математической модели тепломассопереноса и анализа, протекающих при сушке тепломассообменных процессов важно различать понятия «толстый» и «тонкий слой» [6,44,83 и др.]. С целью разработки физико-математической модели процесса распылительной сушки тонкодиспергированных частиц экстракта корня алтея (средний объемный диаметр частиц 20 .. 30мкм), логично витающую в потоке сушильного агента частицу материала рассматривать как «тонкий слой». Понятие «тонкий слой» определяет незначительные величины теплового и массообменного чисел Био (Віт «1, Вім «1), а, значит, температурное поле и поле влажности по сечению материала однородны.

Комплексный анализ выводов и результатов экспериментальных и аналитических исследований ряда авторов [6,14,44,83,168] и собственных исследований кинетики распылительной сушки показал, что явно прослеживаются два характерных периода обезвоживания, что не противоречит основным положениям теории сушки [44,83 и др.].

Первый период соответствует росту скорости обезвоживания от начального значения при начальной влажности WH до максимального значения скорости (рисунок 3.9 - 3.14). Следует отметить, что при интенсивном протекании процесса в первом периоде при обезвоживании экстракта корня алтея на характер протекания тепломассообменных процессов влияние могут оказывать процессы формирования капиллярно-пористого коллоидного тела, в том числе за счет явлений коагуляции частиц дисперсной фазы экстракта, что объясняет непостоянство скорости, а, значит и температуры материала. Стремительное удаление преимущественно свободной влаги с поверхности частиц за счет интенсивного испарения исключает перегрев продукта на первоначальном этапе процесса. Происходит уменьшение объема распыленной частицы и в условиях влагоотдачи увеличивается концентрация сухих веществ в частице, соответственно, сокращается расстояние между мицеллами дисперсной фазы, что запускает механизм формирования внутренней структуры будущего сухого продукта.

В конце первого периода, влажность на поверхности частицы достигает гигроскопического значения. Актуализируются процессы удаления влаги полимолекулярной адсорбции, объем частиц практически не изменяется. Интенсифицируется прогрев материала, что подтверждается термограммами [42-45] и характером полей распределения температур (глава 6) [168].

В работах [82-86] предполагается, что первоначальное испарение влаги происходит внутрь капли, далее при уменьшении частицы происходит «разворот» частицы и парообразная пленка «обволакивает» поверхность частицы. Диффузия пара происходит в виде последовательных процессов конденсации пара и испарения влаги на жидких пленках [83].

Во втором периоде (рисунок 3.9 – 3.14), после максимальной скорости и до достижения конечной влажности Wк, в результате возрастающего несоответствия между расходом влаги, испаряющейся с поверхности частицы, и расходом влаги, поступающей из внутренних слоев, происходит углубление зоны испарения вглубь частицы [42-45, 82-86 и др.]. Температура частиц продукта увеличивается, приближаясь к температуре сушильного агента, наблюдается растрескивание и образование пор в объеме материала.

Таким образом, на основании рассмотренных закономерностей, при математическом моделировании тепломассообменных процессов распылительной сушки экстракта корня алтея в основном уравнении теплопереноса [83] коэффициент фазового превращения с достаточной точностью можно принять равным 1, что соответствует переносу влаги внутри частицы до границы испарения в виде пара. Механизм и характер тепломассообменных процессов при распылительной сушке экстракта корня алтея отличается от механизма обезвоживания кусковых и нативных продуктов растительного происхождения с сохраненной структурой растительной ткани. В отличие от обезвоживания твердых капиллярно-пористых клеточных структур при сушке распылением имеется ряд специфических особенностей ввиду того, что сушка жидких продуктов происходит интенсивно в каплях малых размеров.

Анализ влияния основных факторов на удельную производительность и удельную влагонапряженность при распылительной сушке экстракта корня алтея

На основе анализа результатов ряда авторов [14,168,205,208 и др.], принимая во внимание результаты собственных комплексных экспериментальных исследований процесса распылительной сушки водного экстракта корня алтея, совместно с сотрудниками кафедры «Технологические машины и оборудование» ФГБОУ ВПО «Астраханский государственный технический университет» предложена распылительная сушилка (Патент на полезную модель 150305 РФ. Распылительная сушилка).

Установка распылительной сушки (рисунок 6.2) разработана для повышения интенсивности процесса распылительной сушки путем усовершенствования конструкции устройства, позволяющего исключить контакт распыленных частиц продукта с внутренними стенками рабочей сушильной камеры, а, следовательно, исключить налипание/загрязнение внутренних стенок камеры при равномерной подаче продукта в зону сушки.

Распылительная сушилка (рисунок 6.2) имеет сушильную камеру 1, сформированную усеченными конусами 2 и 3, газоходы 4 для подвода сушильного агента, насос низкого давления 5, распылитель высокого давления 6, вентили 7, форсунки низкого давления 8, электродвигатель с приводом 9, циклон 10, конусообразный распределитель 11, вращающийся вокруг своей оси, насос высокого давления 12, полый цилиндр 13 с жидким продуктом, трубопровод 14, газоход 15 для отвода отработавшего сушильного агента, спиралеобразные желоба 16.

Увеличение интенсивности процесса достигается тем, что в устройстве (рисунок 6.2), содержащем сушильную камеру, газоход для подвода сушильного агента, распылитель, циклон, газоход для отвода отработавшего сушильного агента, в полости верхней конусообразной части сушильной камеры жестко закреплены гидравлические форсунки и вращающийся вокруг своей оси конусообразный распределитель жидкого продукта, соединенный с газоходом отработавшего сушильного агента через подшипниковый узел. путем диспергирования через распылитель высокого давления 6. Распыленные частицы продукта в ходе контакта с сушильным агентом высыхают и увлекаются/транспортируются потоком сушильного агента в циклон 10. При циркуляционном перемешивании продукт подается форсунками низкого давления 8 с помощью насоса низкого давления 5 на поверхность конусообразного вращающегося распределителя 11 и далее стекает на стенки сушильной камеры 1, обмывая их. В результате обмывания стенок камеры продуктом исключается контакт распыленных частиц продукта со стенками сушильной камеры и нарастающее загрязнение стенок в процессе сушки. Распределитель 11 соединен с газоходом 15 отработавшего сушильного агента и вращается вокруг своей оси посредством электродвигателя с приводом 9. Поверхность распределителя, по которой стекает, подаваемый форсунками 8 жидкий продукт имеет дополнительные спиралеобразные желоба 16, что в процессе вращения распределителя позволяет достичь более равномерного распределения продукта по его поверхности. Распределитель 11 в процессе работы нагревается сушильным агентом и является поверхностью теплообмена для дополнительного нагрева стекающего продукта. Равномерное обмывание стенок сушильной камеры позволяет исключить вероятность попадания части продукта, предназначенного для обмывания стенок в рабочую зону сушки.

Положительный эффект предлагаемого устройства обеспечивается за счет усовершенствования конструкции сушилки. Данное устройство позволяет увеличить интенсивность процесса сушки и повысить качество готового продукта. Сушилка может быть рекомендована для трудносохнущих высоковязких пищевых материалов. Кроме того, сформулированы принципы автоматизации для управления процессом сушки жидких пищевых материалов, в том числе экстракта корня алтея, на предложенной распылительной установке (рисунок 6.3). продуктом из аппарата 8 с механическим перемешивающим устройством по трубопроводу 10 через гидравлические форсунки низкого давления 13. В ходе заполнения цилиндра 7 открыты клапаны К3 и К1, а клапан К2 закрыт.

После заполнения цилиндра 7 по газоходам 3 производится подача сушильного агента в рабочий объем сушилки, который образован двумя конусами 1 и 4. Исходный жидкий продукт насосом высокого давления 6 форсунками 5 распыляется в рабочую камеру. При этом открыты клапаны К4, К7, а клапаны К5 и К6 закрыты. Центральный газоход 3 обеспечивает кроме прочего дополнительный подогрев жидкого продукта в емкости 7.

Распыленные частицы продукта в ходе контакта с сушильным агентом высыхают и увлекаются/транспортируются потоком сушильного агента через газоход 15 в циклон 16, где сухой продукт отделяется от отработавшего теплоносителя.

Для предварительного нагрева жидкого продукта, после заполнения емкости 7, клапан К1 закрывается и открывается К2. Насосом 12 происходит либо непрерывное, либо периодическое (регулировка клапанами К1, К2, К3) циркуляционное перемешивание жидкого продукта и его дополнительный подвод в сушильную камеру из аппарата 8 по трубопроводу 10.

С целью обеспечения равномерного стекания по стенкам сушильной камеры жидкого продукта при его подводе/циркуляционном перемешивании, в верхней конической части сушилки установлен конусообразный вращающийся дисковый распылитель 2. Поверхность диска иссечена спиралеобразными желобами, что позволяет достичь равномерного налива на вращающийся диск – распылитель жидкого продукта за счет зафиксированных в корпусе сушилки гидравлических форсунок 13. Омываемый жидким продуктом диск-распылитель является, в том числе и дополнительной поверхностью теплообмена. Диск, нагреваясь от сушильного агента в процессе работы установки, передает тепло стекающему по его поверхности продукту.

Для эффективной сушки в рабочей камере введены дополнительные боковые газоходы 3 подачи сушильного агента. Температура сушильного агента и скорость потоков могут варьироваться с помощью задвижек В1 и настройкой температурного режима калорифера 11.

Суспензии из растительного сырья (влажность 80..90%), являются вязкими, что требует строгого соблюдения режимов распыления и сушки для снижения риска загрязнения рабочей камеры и засорения форсунок 5.

С целью снижения нагрузки на форсунки 5 при обезвоживании вязких жидкостей, перед распыливанием продукт предлагается вернуть из контура «цилиндр 7 – насос высокого давления 6» в аппарат 8 с механическим перемешивающим устройством с помощью насоса 9. При этом закрыты клапаны К4, К7, открыты клапаны К5 и К6.