Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Обзор литературы 12
1.1 Анализ современного состояния и перспективных направлений развития копчения 12
Глава 2 Обзор существующих БКС и способов их получения 19
Аспекты применения УЗ для интенсификации гидродинамических и массообменных процессов 34
Обоснование выбора направления исследования 37
Организация эксперимента и методы исследования 41
Характеристика объектов исследования и условийэкс перимента 42
Экспериментальная абсорбционная установка 43
Дымогенераторы с инфракрасным энергоподводом 50
Методы исследования 54
Общие методы исследования 54
2.2.2 Метод микроскопического анализа применительно к аэрозольным измерениям 56
2.2.3 Метод люксометрии применительно к аэрозольным измерениям 56
2.3 Математическое моделирование процессов и оптимизация параметров 58
Глава 3 Экспериментальное исследование процесса получения коптильной жидкости «AS» с применением ультразвука 62
3.1 Исследование влияния параметров, характеризующих отвод тепла от аэродисперсной системы «дымовые газы и акустически генерируемый аэрозоль», на интенсивность протекания процессов абсорбции коптильных компонентов дымовой среды водой при получении коптильной жидкости «AS» 62
3.2 Исследование воздействия ультразвуковых колебаний на интенсивность протекания процессов абсорбции и коагуляции в аэродисперсной системе «дымовые газы и акустически генерируемый аэрозоль» при получении коптильной жидкости «AS» 77
3.2.1 Исследование воздействия ультразвуковых колебаний на интенсивность протекания абсорбционных процессов в аэродисперсной системе «дымовые газы и акустически генерируемый аэрозоль» при получении коптильной жидкости «AS» 77
3.2.2 Исследование воздействия ультразвуковых колебаний на интенсивность протекания коагуляционных процессов в аэродисперсной системе «дымовые газы и акустически генерируемый аэрозоль» при получении коптильной жидкости «AS» 84
3.3 Совокупный параметр качества коптильной жидкости «AS» 96
3.4 Математическая модель процессов абсорбции при получении коптильной жидкости «AS» 99
3.4.1 Математическое моделирование процесса абсорбции при получении коптильной жидкости «AS» при варьировании количества тепла, отводимого от аэродисперсной системы «дымовые газы и акустически генерируемый аэрозоль» 100 103
3.4.2 Математическое моделирование процесса абсорбции при получении коптильной жидкости «AS» при варьировании уровня звуковых колебаний, воздействующих на аэродисперсную систему «дымовые газы и акустически генерируемый аэрозоль» . 107
3.5 Математическое моделирование процесса коагуляции при получении коптильной жидкости «AS»
Глава 4 Разработка способа получения коптильной жидкости на основе дымовой среды, вырабатываемой ИК дымогенератором и акустически генерируемого аэрозоля с применением ультразвука
4.1 Обоснование способа получения коптильной жидкости на основе дымовой среды, вырабатываемой дымогенератором с инфракрасным энергоподводом, и акустически генерируемого аэрозоля с применением ультразвука
4.2 Разработка технологии получения коптильной жидкости на основе дымовой коптильной среды, вырабатываемой ИК-дымогенератором, и акустически генерируемого аэрозоля
Глава 5 Практическое использование результатов исследований, апробация технологического решения на пищевом сырье .
Заключение
Список сокращений
Список использованной литературы
- Характеристика объектов исследования и условийэкс перимента
- Исследование воздействия ультразвуковых колебаний на интенсивность протекания процессов абсорбции и коагуляции в аэродисперсной системе «дымовые газы и акустически генерируемый аэрозоль» при получении коптильной жидкости «AS»
- Математическая модель процессов абсорбции при получении коптильной жидкости «AS»
- Разработка технологии получения коптильной жидкости на основе дымовой коптильной среды, вырабатываемой ИК-дымогенератором, и акустически генерируемого аэрозоля
Введение к работе
Актуальность темы. Стратегической целью развития пищевой и
перерабатывающей промышленности РФ на период до 2020 года, сформулированной в Распоряжении Правительства РФ от 17.04.2012 г. № 559-р «О стратегии развития пищевой и перерабатывающей промышленности РФ на период до 2020 г.», является обеспечение гарантированного и устойчивого снабжения населения страны безопасным и качественным продовольствием. 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 настоящее время все чаще в качестве альтернативы традиционному копчению рассматривается копчение с использованием разнообразных бездымных коптильных агентов, представленных на мировом рынке в широком ассортименте. БКС используются для обработки рыбного и мясного сырья при горячем и холодном копчении, при производстве вяленой, солено-сушеной продукции, в сыродельной, а также в других отраслях пищевой промышленности. Современные бездымные агенты не только улучшают органолептические свойства готового продукта, но и позволяют продлить срок его хранения.
На российском рынке ощущается дефицит бездымных агентов, важна популяризация продукции, изготовленной с применением БКС. В свете этого особое значение приобретают исследования, направленные на разработку способов получения бездымных агентов, способных сообщать пищевому продукту аромат, вкус копчености, увеличивать срок его хранения, но при этом не содержащих веществ, которые вызывают гигиеническую тревогу, как то: полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), нитрозоамины (НА) и др.
В процессе получения большого класса БКС происходит абсорбция либо адсорбция коптильных компонентов древесного дыма раствором жидкости или твердым поглотителем. Перспективным научно-техническим направлением в настоящее время является применение физических способов воздействия на аэродисперсные системы (АС) с целью интенсификации массообменных и гидромеханических процессов. В рамках данной работы рассматривается аэродисперсная система «дымовые газы и акустически генерируемый аэрозоль» (АС «ДГ и АА»), получаемая в результате смешения потоков дыма и водного аэрозоля.
Исходя из вышесказанного, в реалиях сегодняшнего дня считаем актуальным совершенствование процесса получения коптильной жидкости (КЖ) с использованием ультразвука (УЗ).
Степень разработанности темы. Существенный вклад в теорию и практику бездымного копчения внесли исследователи В. И. Курко, Г. Н. Ким, И. Н. Ким, Э. Н. Ким, О. Я. Мезенова, А. М. Ершов, В. А. Гроховский, Ю. В. Шокина, Т. Н. Радакова, З. В. Слапогузова, Т. Г. Родина, L. Bratzler, S. Maurer.
Исследованиями применения УЗ для интенсификации коагуляционных и
абсорбционных процессов в аэрозольных системах занимались Н. А. Фукс,
Е. П. Медников, В. И. Тимошенко, Н. Л. Широкова, Б. Ф. Подошевников, Н. Н. Чернов, В. Н. Хмелев, Ю. И. Орлов, E. Andrade, О. Brandt и др.
Цель и задачи исследований. Целью диссертационной работы является интенсификация процесса изготовления коптильной жидкости на основе воздействия УЗ-колебаний на дымовые выбросы и акустически генерируемые водные аэрозоли.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
-
Произвести анализ современного состояния бездымного копчения пищевых продуктов, рассмотреть основные аспекты применения УЗ для интенсификации коагуляционных и абсорбционных процессов, протекающих при получении жидких коптильных сред;
-
Определить влияние отвода тепла от АС «ДГ и АА» и воздействия УЗ-колебаний на интенсивность протекания процессов абсорбции коптильных компонентов дымовой среды частицами мелкодисперсного аэрозоля при получении КЖ;
3. Определить влияние УЗ-колебаний на интенсивность коагуляции частиц
аэрозоля и капель, образующихся при пересыщении паров продуктов пиролиза
древесного сырья в процессах охлаждения;
-
Выявить рациональные режимы технологического процесса получения КЖ из дымовых выбросов, улавливаемых акустически генерируемым аэрозолем, с использованием ультразвука;
-
Разработать устройство для получения КЖ; разработать проект документов, входящих в комплекс технической документации на КЖ из дымовых выбросов, улавливаемых акустически генерируемым водным аэрозолем, с использованием УЗ.
6. Подтвердить эффективность разрабатываемого способа получения КЖ и
устройства для его осуществления на пищевом сырье.
Научная новизна работы. Проведены исследования, направленные на выявление степени влияния озвучивания АС «ДГ и АА» на интенсивность протекания абсорбционных и коагуляционных процессов.
Установлены рациональные режимы УЗ-воздействия на указанную систему в изучаемом диапазоне уровней звукового давления, реализация которых позволяет получать продукт высокого качества.
Предложена математическая модель, адекватно описывающая процессы
абсорбции и коагуляции в рассматриваемой системе в зависимости от основных влияющих факторов.
На основе результатов исследований процессов абсорбции и коагуляции в изучаемой АС разработан способ получения КЖ «AntonioSilver» («AS») с применением УЗ.
Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость работы состоит в анализе и обобщении результатов исследований, представлении их в виде математических зависимостей.
В диссертационной работе показана целесообразность использования
озвучивания АС «ДГ и АА» для интенсификации абсорбционных и коагуляционных процессов при получении КЖ.
Новизна технического решения устройства для получения КЖ подтверждена следующими патентами РФ на полезную модель: «Устройство получения коптильной жидкости» № 101617 от 27 января 2011 г., «Устройство для получения коптильной жидкости, обогащенной серебром» № 122250 от 27 ноября 2012 г., «Устройство для получения коптильного препарата с использованием ультразвука» № 142505 от 27 июня 2014 г. Практическая значимость работы подтверждается разработкой проекта «Технологической инструкции по изготовлению коптильной жидкости на основе дымовой среды ИК-дымогенератора и акустически генерируемого аэрозоля» и проекта технических условий «Коптильная жидкость «AntonioSilver».
Результаты научных исследований использованы в учебном процессе подготовки инженеров по специальностям 260601.65 «Машины и аппараты пищевых производств»
и 260602.65 «Пищевая инженерия малых предприятий» на кафедре «Tехнологического и холодильного оборудования» МГТУ, а также при выполнении хоздоговорной научно-исследовательской работы.
Методология и методы исследования. При выполнении работы использовался экспериментально-теоретический метод исследования, применялись современные методы физико-химических, органолептических и микробиологических исследований, математического моделирования.
Экспериментальная часть включала в себя обработку результатов опытов по получению образцов КЖ при разных условиях с использованием специально созданной с участием автора экспериментальной установки.
Положения, выносимые на защиту:
-
Результаты исследований абсорбционных и коагуляционных процессов, протекающих в АС «ДГ и АА»;
-
Математические модели процессов абсорбции и коагуляции, описываемые регрессионными уравнениями, для реализации рациональных режимов получения КЖ «AS»;
-
Способ получения КЖ «AS» на основе дымовой среды, получаемой с применением дымогенератора с инфракрасным энергоподводом, при улавливании коптильных компонентов дымовой среды акустически генерируемым аэрозолем;
-
Характеристики экспериментальной КЖ «AS».
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность результатов
проведенных исследований обусловлена достаточно глубокой проработкой
литературных источников по теме диссертации, постановкой большого числа экспериментов, использованием современных физико-химических, микробиологических методов анализа, высокой воспроизводимостью результатов экспериментов, их математической обработкой.
Основные положения и результаты были представлены на международных
научно-технических конференциях: «Наука и образование» (Мурманск, 2012–2015 гг.),
«Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и
образовании» (Одесса, 2010 г.), «Перспективные инновации в науке, образовании,
производстве и транспорте» (Одесса, 2012 г.), «Современные направления
теоретических и прикладных исследований» (Одесса, 2013 г.), «Инновационные и современные технологии пищевых производств» (Владивосток, 2013 г.). КЖ «AS» экспонировались на международных рыбопромышленных выставках «Море. Ресурсы. Технологии» (Мурманск, 2013–2015 гг.).
КЖ «AS» была удостоена диплома победителя дегустационного конкурса XV международной рыбопромышленной выставки «Море. Ресурсы. Технологии 2014», была апробирована как ароматизатор при производстве опытных партий пищевой продукции морские снеки «Моремикс+» из трески и кальмара, которые были представлены на XV международной рыбопромышленной выставке «Море. Ресурсы. Технологии 2014» и удостоены диплома победителя дегустационного конкурса.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 научных работ, в том числе 3–в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ, 3 патента РФ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 153 стр. печатного текста, содержит 8 таблиц, 60 рисунков, 9 приложений. Список литературы содержит 235 источников.
Характеристика объектов исследования и условийэкс перимента
Процессом копчения называют целую совокупность технологических приемов (посол, термическую обработку, подсушку), которые в комплексе позволяют придать продукту признаки копчености, то есть способствуют формированию специфического колера, аромата, вкуса, проявлению бактерицидного и антиокислительного эффекта, упрочнению поверхности продукта и в целом изменению его консистенции.
Приемы копчения были известны людям со времен открытия огня, и по истечении многих веков копчение мало изменило свою сущность. Техника процесса была значительно усовершенствована лишь в последнем столетии [89, 90, 96, 100, 101, 102, 119, 143, 178, 179].
В XIX веке копченая продукция стала весьма распространенной, копчение широко вошло в практику мясо- и рыбоперерабатывающих производств, в XX веке ассортимент копченой продукции значительно расширился. К этому времени также относят начало формирования теории и методологии копчения и переход копчения пищевых продуктов из прикладной во все более фундаментальную сферу человеческой деятельности.
В период с 1966 по 1970 г. в коптильном дыме был идентифицирован 21 вид соединений фенольной природы. Это обстоятельство дало толчок к серьезным исследованиям химического состава коптильного дыма [130, 131, 132, 146]. В 1974 г. Кимом и учеными США было обнаружено присутствие в конденсатах дыма 31 соединения фенольной природы [222]. Далее, в 1981 г. Витковским и Балтесом были обнаружены 119 соединений, 79 из которых были идентифицированы безупречно [235]. В 1970-1980-х гг. российский ученый В. П. Курко систематизировал данные о физико-химических явлениях в копчении и впервые выявил связь между типом фенольного соединения и его антиокислительным потенциалом [134]. В 1984 г. Л. Тот и сотрудники Кульмбахского института (Германия) проанализировали данные о химическом составе коптильного дыма и сделали вывод, что фенольная фракция дыма состоит приблизительно из 200 соединений [233].
Теория копчения в основном базируется на информации о химическом составе дыма, данных о закономерностях процесса дымообразования, анализе сорбции коптильных компонентов и других расшифрованных физико-химических аспектах копчения. Целостная теория копчения, которая бы соединяла воедино факторы коптильной среды, пищевого продукта и их взаимодействия, на сегодняшний день отсутствует.
Внедрение прогрессивных научных идей в производственную практику, динамичное развитие которой стимулирует активность исследовательской мысли, – основа развития всего коптильного комплекса.
На сегодняшний день актуальным является глубокая разделка сырья, применение широкого ряда вкусо-ароматических и биологически активных добавок, использование вновь разработанных способов упаковки. Широко применяется упаковка под вакуумом и в модифицированных газовых средах.
В последние десятилетия расширился спектр направляемого на копчение сырья. Используется не только рыбное и мясное сырья, но и сыры, овощи, большое значение уделяется развитию технологии комбинированных продуктов – рыбо-мясных, рыбо- и мясо-растительных. В XXI веке первостепенное значение приобрели разработки, направленные на экологизацию коптильного производства, что идет рука об руку с модернизацией аппаратурного оформления коптильных установок. Вследствие интенсивного развития теории бездымного копчения более широкое распространение получило использование БКС.
В настоящее время существенной является ориентация на повышение пищевых достоинств готовой продукции. Данная тенденция постепенно приводит к смене основных функций коптильных компонентов с консервирующих на облагораживающие. При этом больший акцент при производстве копченой продукции делается на ее безопасность и сохранение чувствительных к копчению биологически активных веществ [96, 108, 111, 118, 121, 145, 146]. В связи с этим фактом особенно перспективным представляется применение бездымных коптильных агентов. Современные технологии копчения отличаются целевым применением БКС в пищевых производствах различного профиля. Бездымные коптильные агенты используются в качестве вкусо-ароматических добавок как традиционно на рыбных и мясных производствах, закусочной продукции, так и в сыроделии, хлебобулочном производстве, при изготовлении растительных сборов, разнообразных соусов и т.д. [128, 174, 175, 178, 146, 179, 223]. Коптильные среды выполняют функцию красящих агентов, ингибиторов окислительной порчи, применяются в качестве консервирующих агентов. В аналоговой продукции БКС могут использоваться для маскирования природных недостатков, а также в качестве агента-структурообразователя.
Внедрение новейших технологий копчения в производство позволяет использовать новое исходное сырье, ранее, в разрезе традиционных технологий, не рассматривавшееся (например, несозревающие или слабосозревающие виды рыб).
Ресурсосберегающие технологии могут быть связаны как с шагами, направленными на модернизацию дымогенераторного и коптильного оборудования при условии неизменности традиционных качественных признаков копченой продукции и обеспечении его безопасности [185, 186, 208, 209, 226], так и со смягчением требований к копченому продукту с точки зрения выраженности таких эффектов копчения, как традиционный копченый колер, аромат, вкус при одновременном усилении требований к его безопасности [96, 115, 116, 146].
Исследование воздействия ультразвуковых колебаний на интенсивность протекания процессов абсорбции и коагуляции в аэродисперсной системе «дымовые газы и акустически генерируемый аэрозоль» при получении коптильной жидкости «AS»
Математическая модель процессов абсорбции и коагуляции при получении коптильной жидкости есть уравнение или система уравнений, связывающие зависимую величину Y - функцию отклика и независимые величины Хг -влияющие факторы.
В рамках данной исследовательской работы целью математического моделирования являлось математического описание процессов абсорбции и коагуляции при получении коптильной жидкости, т. е. определение характера изменения функции отклика при варьировании влияющих факторов. При исследовании процесса абсорбции за функцию отклика принимали совокупный параметр качества коптильной жидкости, выраженный через приведенную сумму коптильных компонентов. Часть экспериментов по получению коптильной жидкости была поставлена таким образом, что функция отклика зависела от изменения ряда влияющих факторов, среди которых наибольшее значение имели плотность дымового потока и температура ХН, циркулирующего в системе охлаждения установки. Плотность дымового потока учитывали через количество топлива, прогорающего в единицу времени при неизменных условиях смешения дыма и воздуха в абсорбере. В ходе проведения другой части исследований по изучению процесса абсорбции функция отклика зависела от таких влияющих факторов, как уровень звукового давления УЗ-колебаний, распространяемых во внутреннее пространство камеры смешения, и производительность генератора мелкодисперсного водного аэрозоля.
При исследовании процесса коагуляции за функцию отклика принимали производительность установки по коптильной жидкости, основными влияющими факторами в данном случае являлись уровень звукового давления УЗ-колебаний, распространяемых во внутреннее пространство камеры смешения, и производительность генератора мелкодисперсного водного аэрозоля.
Для нахождения зависимости Y = f(X1, X2) был выполнен ряд экспериментов, по итогам анализа результатов которых, поверхность отклика была аппроксимирована полиномом второй степени, согласно формуле Y = B0 + B1X1 +B2X2 + … + BnXn + B12 X1X2 + … + B(n-1)nX(n-1)X1+ + B11X12 + + B22X22 + … + BnnXn2 (2.2)
Коэффициенты полиномиального уравнения (2.2) В0…Bnn находили посредством постановки ряда экспериментов в рамках решетки плана по методу ортогонального центрального композиционного планирования (ОЦКП). Данный метод весьма удобен, т. к. позволяет сократить число опытов по сравнению со случаем использования полнофакторного эксперимента (ПФЭ) с варьированием факторов на трех уровнях, что является необходимым при аппроксимации поверхности отклика полиномом второй степени [84, 88, 103, 172, 184].
Поскольку область ОЦК планирования включает в себя зону полного факторного эксперимента с варьированием факторов на двух уровнях (ПФЭ 2n), начнем построение ортогональных планов с выбора точек ПФЭ. Необходимое число точек определяли по формуле - две «звездные» точки для каждого фактора, имеющих координаты (±, 0, 0,...0); (0, ±, 0,...0); (0, 0,... ±), где ± – плечо «звездных» точек, величина выбирается из условия ортогональности матрицы планирования; общее количество точек в плане ОЦКП составляет N2 = 2n +2n + n0 (2.4)
Расчет коэффициентов уравнения регрессии вели на персональном компьютере с применением программы научных и инженерных расчетов «Datafit Ver. 8.2». Полученное уравнение регрессии необходимо было проверить на адекватность. Проверка адекватности осуществлялась с помощью критерия Фишера. Уравнение регрессии считается адекватным, если выполняется условие, выраженное неравенством Fр F, (2.5) где Fр - расчетное значение критерия Фишера; F - табличное значение критерия Фишера. Критерий Фишера, его значение Fр можно рассчитать по формуле Fр = Sад2/S(у)2, (2.6) где Sад2 - дисперсия адекватности или остаточная дисперсия, связанная с неадекватностью модели; S(у)2 - дисперсия воспроизводимости, характеризующая ошибку опыта. Оценку дисперсии адекватности Sад2, можно произвести по формуле Sад2 = (1/(N1 – B)) , (2.7) где В - число коэффициентов регрессии уравнения регрессии, включая свободный член; yjэ, yjp - значение функции отклика в j-ом опыте экспериментальное и расчетное соответственно; N1 - число опытов полного факторного эксперимента. Дисперсию воспроизводимости S(у)2 рассчитываем по результатам опытов в центре плана по формуле S(у)2 = (1/(N0 – 1)) , (2.7) где y0j - значение критерия оптимизации в центре плана; y0 - среднее значение критерия оптимизации в центре плана; N0 - число опытов в центре плана. Поиск оптимальных области влияющих факторов на процесс абсорбции проводился следующим образом. Сначала определяли тип поверхности функции отклика. Оценку производили по полученному уравнению регрессии: одинаковые знаки при квадратах переменных в уравнении свидетельствуют о поверхности отклика типа “вершина”; разные знаки при квадратах переменных в уравнении регрессии свидетельствуют о поверхности отклика типа “седло”. В случае, когда поверхность отклика представляет собой “вершину”, поиск оптимума процесса ведется в точке максимума функции. Необходимо учитывать, что оптимизация процесса является ограниченной, поскольку влияющие факторы и функции отклика могут изменяться только в определенных пределах. Оптимум в точке экстремума находится путем определения частных производных функции с последующим приравниванием их к нулю и решением полученной системы уравнения [148]. В случае, когда поверхность отклика представляет собой “седло”, оптимум процесса определяется следующим образом: находится промежуточный оптимум по переменным без квадратов с учетом ограничений, накладываемых на исследуемый фактор, после чего оптимумы фиксируются путем подстановки в уравнение регрессии.
Математическая модель процессов абсорбции при получении коптильной жидкости «AS»
Результаты исследований, положенные в основу графических зависимостей, приведенных на рисунках 3.34 и 3.35, свидетельствуют о снижении содержания кислот и общего количества сухих веществ в образцах коптильной жидкости при озвучивании по сравнению с аналогичным параметром жидкости, полученной в отсутствие распространения ультразвуковых колебаний во внутреннее пространство камеры смешения.
В случае применения озвучивания исследуемой аэродисперсной системы «дымовые газы и акустически генерируемый аэрозоль» производительность экспериментальной установки по коптильной жидкости увеличивается по сравнению с ситуацией отсутствия озвучивания более чем в 20 раз (см. раздел 3.2.2, рисунок 3.40), в то время как содержание кислот и общее содержание сухих веществ в образцах коптильной жидкости падает при озвучивании примерно в 1,5 раза. Поэтому, несмотря на номинальное уменьшение концентрации кислот и общего содержания сухих веществ в образцах экспериментальной жидкости при озвучивании по сравнению с образцами, полученными в условиях отсутствия направленного распространения УЗ -колебаний во внутреннее пространство камеры смешения, формулируем выводы: - количество кислот, абсорбируемых мелкодисперсной водой из дымовых газов, при получении экспериментальной коптильной жидкости в случае применения озвучивания аэродисперсной системы увеличивается; - для данного рода соединений указанный инструмент интенсификации абсорбционного процесса эффективен, причем с увеличением уровня звукового давления колебаний эффективность его увеличивается.
Графическая зависимость, иллюстрирующая общее содержание сухих веществ в образцах коптильной жидкости имеет аналогичный содержанию кислот (см. рисунки 3.34, 3.35), отлична от восходящей линии, описывающей содержание фенольных и карбонильных соединений (см. рисунки 3.32, 3.33), что объясняется гораздо большей процентной долей кислот по сравнению с фенольными и карбонильными соединениями в общей массе сухих веществ коптильной жидкости.
Приведенные факты позволяют сделать следующий вывод: абсорбция карбонильных и фенольных соединений мелкодисперсной водой интенсифицируется посредством озвучивания аэродисперсной системы «дымовые газы и акустически генерируемый аэрозоль» в большей степени, чем кислот.
Исследование воздействия ультразвуковых колебаний на интенсивность протекания коагуляционных процессов в аэродисперсной системе «дымовые газы и акустически генерируемый аэрозоль» при получении коптильной жидкости «AS» При экспериментальном исследовании процесса получения коптильной жидкости «AS» производилась генерация специфической аэродисперсной системы за счет смешения в абсорбере дымовых газов, получаемых в дымогенераторе с инфракрасным энергоподводом, и акустически генерируемого водного аэрозоля [154, 155]. Для обеспечения эффективного взаимодействия аэрозольных частиц указанной системы, приводящего к бысторому их слиянию, во внутреннее пространство камеры смешения (абсорбера) производилось направленное распространение ультразвуковых колебаний различного уровня звукового давления. Также для интенсификации процессов каплеобразования при получении коптильной жидкости «AS» (в целях запуска процессов конденсации) применялся отвод тепла от аэродисперсной системы «дымовые газы и акустически генерируемый аэрозоль». На рисунках 3.36-3.39 представлены изображения i-d-диаграммы с нанесенными на них процессами смешения акустически генерируемого водного аэрозоля (т. А) и дымовой среды (т. D) при совместном или разрозненном воздействии указанных выше методов интенсификации каплеобразования в рассматриваемой аэродисперсной системе. Рисунок 3.36 - Процесс смешения акустически генерируемого водного аэрозоля (т. А) и дымовой среды (т. D) при отсутствии распространении ультразвуковых колебаний во внутреннее пространство камеры смешения, температура хладоносителя минус 26 оС (влагосодержание в т. С 25,5 г/кг) Рисунок 3.37 - Процесс смешения акустически генерируемого водного аэрозоля (т. А) и дымовой среды (т. D) при отсутствии распространения ультразвуковых колебаний во внутреннее пространство камеры смешения, температура хладоносителя плюс 4 оС (влагосодержание в т. С 28,5 г/кг) Рисунок 3.38 - Процесс смешения акустически генерируемого водного аэрозоля (т. А) и дымовой среды (т. D) при распространении ультразвуковых колебаний во внутреннее пространство камеры смешения, отвод тепла отсутствует (влагосодержание в т. С 20 г/кг) Рисунок 3.39 - Процессы смешения акустически генерируемого водного аэрозоля (т. А) и дымовой среды (т. D) при распространении ультразвуковых колебаний во внутреннее пространство камеры смешения, температура хладоносителя минус 26 оС (влагосодержание в т. С 16,5 г/кг)
Применение обоих предложенных методов воздействия на аэродисперсную систему целесообразно, т. к. дает импульс к началу процесса каплеобразования (см. рисунки 3.36-3.39). При понижении температуры ХН, циркулирующего в системе охлаждения установки, процесс каплеобразования начинается при меньшем влагосодержании аэродисперсной системы в камере смешения (см. рисунок 3.36 и 3.37). Распространение ультразвуковых колебаний во внутреннее пространство камеры смешения значительно уменьшает уровень влагосодержания аэродисперсной системы, при котором возможно каплеобразование (см. рисунки 3.36 и 3.39). По результатам анализа процессов, изображенных на рисунках 3.36-3.39, делаем вывод, что ультразвуковое воздействие на аэродисперсную систему «дымовые газы и акустически генерируемый аэрозоль» является более эффективным инструментом, чем отвод тепла от указанной системы. Степень интенсификации коагуляционных процессов при внешнем озвучивании изучаемой аэродисперсной системы иллюстрируется также зависимостью между производительностью экспериментальной установки по коптильной жидкости и уровнем звукового давления колебаний, распространяемых во внутреннее пространство камеры смешения, представленной на рисунке 3.40.
Разработка технологии получения коптильной жидкости на основе дымовой коптильной среды, вырабатываемой ИК-дымогенератором, и акустически генерируемого аэрозоля
Рациональная утилизация дымовой среды, вырабатываемой дымогенераторами с инфракрасным энергоподводом, - результата низкотемпературного пиролиза древесного сырья, обеспечивающего высокую канцерогенную безопасность получаемой коптильной жидкости, способствует решению задачи комплексного использования дымовой коптильной среды и минимизации загрязнения окружающей среды. Исследования, направленные на изучение процессов абсорбции коптильных компонентов дымовой среды акустически генерируемым водным аэрозолем и процессов коагуляции в образующейся при смешении указанных потоков аэродисперсной системе, показали, что: - использование мелкодисперсного акустически генерируемого аэрозоля [168] эффективно в связи с тем, что позволяет обеспечить увеличенную площадь контакта фаз дымовые газы и вода по сравнению с площадью контакта фаз, получаемой при механическом способе распыления жидкости [89]; - отвод тепла от аэродисперсной системы «дымовые газы и акустически генерируемый аэрозоль» способствует интенсификации коагуляционных и абсорбционных процессов, протекающих в системе; - распространение ультразвуковых колебаний во внутреннее пространство камеры смешения позволяет интенсифицировать процессы абсорбции и коагуляции в системе «дымовые газы и акустически генерируемый аэрозоль».
Способ получения коптильной жидкости на основе дымовой среды, вырабатываемой дымогенератором с инфракрасным энергоподводом, и акустически генерируемого аэрозоля с применением ультразвука, был реализован на экспериментальной установке (см. рисунки 2.2, 2.3), конструкция и принцип действия которой изложен в разделе 2.1.1. При разработке способа получения экспериментальной коптильной жидкости «AS» были определены рациональные с точки зрения достижения цели по получению жидкости, максимально способствующей формированию у обрабатываемого ею продукта всех основных эффектов копчености, технологические параметры. За результирующий параметр, способный охарактеризовать степень насыщенности проектируемой коптильной жидкости основными компонентами, а именно: фенольными, карбонильными соединениями и кислотами, - был принят совокупный параметр качества коптильной жидкости «AS» (см. раздел 3.3).
Для оценки адекватности параметров эксперимента (в технически доступных пределах) по условию обеспечения возможности получения максимально качественной коптильной жидкости определялся критерий оптимизации технологического процесса – функция отклика. В этом качестве использовался как совокупный параметр качества коптильной жидкости, так и производительность установки по коптильной жидкости. По результатам анализа наработанного массива экспериментальных данных был сделан вывод о целесообразности варьирования некоторых основных технологических параметров, воздействующих на производительность установки и качество коптильной жидкости, – влияющих факторов – в обоснованных исследованиями диапазонах. К данным параметрам относятся: - температура хладоносителя, циркулирующего по контуру охлаждения установки; - количество сжигаемого топлива в единицу времени; - уровень звукового давления колебаний, воздействующих на аэродисперсную систему «дымовые газы и акустически генерируемый аэрозоль»; - производительность генератора водного аэрозоля.
Остальные параметры процесса при получения коптильной жидкости «AS» по итогам анализа экспериментальных данных рекомендуется поддерживать на постоянном уровне: - площадь теплообменной поверхности охладителя - 2,00 м2; - удельная поверхность древесного сырья – от 7,0 до 10,0±0,5 м2/кг; - относительная влажность древесного сырья - 70,0±5,0 %; - количество добавленной воды в процессе дымогенерации - 120,0±5,0 % от массы топлива, загружаемого в дымогенератор; - количество дымовой коптильной среды, подаваемой в камеру смешения (абсорбер) - 43,2 м3/ч [89]. Результаты исследований представлены в таблице 4.1. Таблица 4.1 - Результаты исследований по определению влияния некоторых параметров на качество коптильной жидкости «AS» и производительность установки Параметры получения коптильной жидкости Совокупный параметр качествакоптильной жидкости Производительностьустановки покоптильнойжидкости, мл/ч количествотоплива,кг/ч температурахладоноситель, оС уровеньзвуковогодавления,дБ производительность генератора аэрозоля, г/ч от 3 до 5 от минус 11 до минус 26 от 140 до 155 от 2125 до 2550 до 0,2122 до 2000
В таблице 4.1 представлены данные по рациональным условиям проведения технологического процесса получения коптильной жидкости «AS» - результат анализа обширных экспериментальных данных по исследованию абсорбционных и коагуляционных процессов в аэродисперсной системе «дымовые газы и акустически генерируемый аэрозоль» и математического моделирования указанных процессов (см. пп. 3.1-3.5).
Разработка технологии получения коптильной жидкости на основе дымовой коптильной среды, вырабатываемой дымогенератором с инфракрасным энергоподводом, и акустически генерируемого аэрозоля
Способ получения коптильной жидкости «AS» включает стадию абсорбции коптильных компонентов дымовой среды жидкостью в виде аэрозоля, средний масс-медианный диаметр частиц которого составляет 4 мкм. Достижение большей поверхности контакта взаимодействующих сред аэродисперсной системы в случае генерации аэрозоля акустическим способом по сравнению с механическим (размер частиц жидкости в этом случае на порядок выше) при том же количестве диспергируемой жидкости приводит к повышению эффективности улавливания водой коптильных компонентов дымовых газов. Проект технологической инструкции и технических условий приведен в Приложении Г. Технологическая схема получения коптильной жидкости представлена на рисунке 4.1.
Технологический процесс производства коптильной жидкости начинали с подготовки к работе дымогенератора. В случае, если задействовано устройство ДГ ИК [89, 167], в ванны дымогенератора вручную загружались подготовленные древесное сырье известной массы с удельной поверхностью от 7,0 до 10,0±0,5 м2/кг относительной влажностью 70,0±5,0 %, равномерно распределялись по всему рабочему объему без сдавливания, в карманы носителей заливалось 120,0±5,0 % воды от массы древесного сырья. В случае применения для дымогенерации устройства ДИВО-1 [165] в кассету загружалось аналогично подготовленное древесное сырье, дополнительная вода в количестве 120,0±5,0 % от массы древесного сырья постепенно подавалась в течение всего процесса дымогенерации через ороситель. Исходным сырьем для получения коптильной жидкости «AS» являются древесное сырье лиственных пород, вода, соответствующая требованиям СанПиН 2.1.4.1074-2001 [183]. После загрузки дымогенераторов древесным сырьем и его увлажнения осуществляется подача электроэнергии на ТЭНы дымогенераторов. Через некоторое время (в среднем от 20 до 30 минут), определяемое как период нагрева, начинается процесс дымогенерации в рабочем режиме. Окончание периода дымогенерации контролировалось по визуально устанавливаемой степени озоления опилок.
Аэрозоль со средним размером частиц 4 мкм получали в ультразвуковом генераторе аэрозоля малой производительности [210], резервуар генератора через заливное отверстие наполнялся водой соответствующей СанПиН 2.1.4.1074-2001 [183] с температурой не более 40 оС. После установки резервуара на основание и включения генератора, вода, воспринимая ультразвуковые колебания, генерируемые двумя пьезоэлектрическими элементами, диспергируется в мелкодисперсный аэрозоль и подается по приваренному патрубку в верхнюю часть первой по ходу движения дымовых газов зоны абсорбера.
Дымовые газы подаются в абсорбер по дымоходу при открытой заслонке. Процесс насыщения воды коптильными компонентами дыма происходит в условиях перемешивания частиц дисперсной фазы дыма и капелек мелкодиспергированной жидкости. Для интенсификации абсорбционных и коагуляционных процессов в указанной аэродисперсной системе производится направленное распространение ультразвуковых колебаний при уровне звукового давления от 140 до 155 дБ с плавающей частотой от 20 до 70 кГц во внутреннее пространство абсорбера. При достижении температуры поверхности охладителей температуры точки росы происходит конденсация капелек аэрозоля, на поверхности которых абсорбировалась некоторая часть коптильных компонентов дыма, и стекание образовавшейся жидкости в нижнюю часть камеры. Затем конденсат отстаивают для осаждения крупных частиц, и фильтруют. После завершения указанных операций жидкость может быть насыщена ионами серебра [162, Приложение А.3].
Возможно применение для генерации аэрозоля промышленной установки, предназначенной для диспергирования не только чистой воды, но и агрессивных жидкостей [196, Приложение А.2]. В этом случае полученный на первом этапе конденсат после стадии фильтрования, при обнаружении недостаточной концентрации в нем коптильных компонентов снова подается для диспергирования в ультразвуковой генератор аэрозоля. Затем процессы сорбции каплями аэрозоля коптильных компонентов дыма и последующая его конденсация повторяются число раз, необходимое для достижения требуемой концентрации жидкости, после чего происходит удаление коптильной жидкости через нижний патрубок. Затем жидкость отстаивают и фильтруют, разливают в заранее подготовленную тару, маркируют, упаковывают и направляют на хранение.