Содержание к диссертации
Введение
1. Научные и инженерные проблемы сушки жидких и пастообразных материалов в вакууме. анализ и обобщение известных моделей тепло- и массообмена 17
2. Количественная оценка процесса сублимационной сушки диспереированных материалов 104
3. Модель и инженерный метод расчета процесса сублимационной сушки гранулированного материала в оребренном противне 150
4. Обезвоживание термолабильных материалов в вакууме при давлении, незначительно превышающем давление тройной точки 192
5. Экспериментальные исследования процессов гранулирования и вакуумной сушки 207
6. Создание оборудования для сушки термолабильных материалов в вакууме 274
7. Использование результатов работы в промышленном производстве 294
Общие выводы 304
Условные обозначения и символы 306
Литература 307
Приложения
- Научные и инженерные проблемы сушки жидких и пастообразных материалов в вакууме. анализ и обобщение известных моделей тепло- и массообмена
- Количественная оценка процесса сублимационной сушки диспереированных материалов
- Модель и инженерный метод расчета процесса сублимационной сушки гранулированного материала в оребренном противне
- Обезвоживание термолабильных материалов в вакууме при давлении, незначительно превышающем давление тройной точки
Введение к работе
Создание технологий и оборудования, обеспечивающих длительную сохранность нативных свойств биообъектов, было и остается одной из важнейших задач многих отраслей промышленности. Наиболее значимыми примерами являются вопросы сохранности сезонно собираемых продуктов растительного происхождения, обеспечение длительных сроков хранения мяса, молока и продуктов их переработки, обеспечение сохранности используемого в производстве медицинских препаратов эндокринно - ферментного сырья и так далее. Общим свойством всех объектов живой природы является содержание значительных, порядка 70 - 95 %, количеств воды, следствием чего является быстрое снижение их качества при положительных температурах. Наибольшее практическое использование в промышленных масштабах получили две технологии для достижения длительных сроков сохранности. Первая из них предусматривает замораживание, при котором определенная часть влаги переходит в лед, относительная доля которого увеличивается по мере понижения температуры холодильной обработки. Далее объект хранится в замороженном состоянии. Вторая технология предполагает удаление из продукта части влаги, например, прессованием, ультрафильтрацией, сушкой. Современный уровень развития науки и техники создал предпосылки для использования и новых видов обработки биообъектов в целях обеспечения их длительной сохранности - обработка гамма лучами, высокочастотными электромагнитными полями, высокотемпературной пастеризацией и стерилизацией. Перечень можно продолжить, но при этом именно удаление влаги высушиванием остается одной из самых распространенных и лидирующих технологий перерабатывающих отраслей. Уровень изменения качественных характеристик высушиваемого материала и последующие допустимые сроки хранения находятся в прямой зависимости от режимных параметров и аппаратурного оформления процессов сушки. Природа термолабильных объектов такова, что их качество в итоге сушки будет тем выше, чем ниже температурный уровень процесса обезвоживания и меньше его длительность. Также известно, что удаление влаги из предварительно заморо-
женных материалов сублимацией (возгонкой) льда обеспечивает наибольший уровень сохранности нативных свойств. Предметом наших исследований являются именно щадящие технологии удаления влаги испарением, либо сублимацией.
Рассматривая весь спектр технологий сублимационной сушки, особо следует выделить вопросы удаления влаги из замороженных материалов сублимацией при атмосферном давлении. С незапамятных времен используется сушка замороженных продуктов на открытых пространствах при атмосферном давлении на солнце и на морозе. Отличительной чертой протекания этого процесса в естественных природных условиях является очень малая интенсивность. Например, широко распространенный в Монголии и в настоящее время, способ сушки ломтиков мяса толщиной 8-10 мм на улице в холодное время года занимает примерно 6 месяцев [178]. Одной из задач нашей работы явилось создание технологии и аппаратурного оформления процесса атмосферной сублимационной сушки (АтСС), позволяющих интенсифицировать АтСС. Простые по своей конструкции сублимационные установки для АтСС могут быть созданы из серийно выпускаемых отечественной промышленностью элементов. В частности, существенная интенсификация процесса может быть достигнута путем проведения его в условиях вынужденной конвекции. Проведенные нами исследования режимов сушки и анализ качества высушенных методом АтСС согласно нашим рекомендациям пищевых продуктов показали, что эта технология в ряде случаев вполне приемлема для производства сухих продуктов массового повседневного спроса [81].
Развитие вакуумной и холодильной техники позволило создать принципиально новые технологии удаления влаги при давлениях, близких к давлению тройной точки воды. В одном из вариантов объекты сушки предварительно замораживаются при низких температурах, а последующее удаление влаги происходит в вакууме, при давлениях ниже тройной точки, фазовым переходом «лед - пар». Такая сушка называется сублимационной (реже лиофильной, молекулярной). Замораживание обеспечивает фиксацию важнейших нативных
свойств (форма, размер, вкус, цвет, витаминный и белковый состав и т.д.), а последующая сублимация льда создает пористую структуру. При этом мягкие режимы термообработки в вакууме позволяют получить конечную влажность на уровне нескольких процентов. В итоге качество сублимированных продуктов очень высокое. Они имеют длительные сроки хранения, легко регидратируются перед дальнейшим применением. В ряде случаев, например, при производстве сухих легкорастворимых антибиотиков, бактерийных и вирусных препаратов, заквасок и ферментов, высушенных кисломолочных продуктов и т.п., сублимационная сушка пока не имеет альтернативы. Недостатки вакуумной сублимационной сушки - это низкая интенсивность, высокие энергозатраты, сложное оборудование.
Второй современной технологией сушки, конкурирующей с сушкой сублимационной, является удаление влаги в вакууме испарением при давлениях, незначительно превышающих давление тройной точки воды - обычно при 1,9 ч- 3,9 КПа (15-30 мм. рт. ст.). Вакуумная сушка получила большое распространение в пищевой промышленности США и Европы при производстве быстрорастворимых фруктовых соков, различных соусов, кофе, чая, экстрактов растений. Качество высушенных в вакууме продуктов сопоставимо с качеством продуктов сублимированных, а удельные затраты на удаление влаги ниже, оборудование для реализации процесса более простое.
Исторически сложилось так, что именно вакуумная сублимационная сушка явилась объектом фундаментальных научных исследований отечественных специалистов, которые легли в основу теории процессов обезвоживания и создания промышленных сублимационных установок. Основоположниками данного направления исследований являются A.M. Бражников, Е.Е. Вишневский, А.С. Гинзбург, А.А. Грязнов, Э.И. Гуйго, А.А. Гухман, Н.К. Журавская, Э.И. Каухчешвили, А.В. Лыков, Б.М. Париж, И.А. Рогов, Г.Б. Чижов. Дальнейшее изучение процесса, развитие основ теории и практическое использование сублимационной сушки получили в работах И.Л. Аксельрода, Л.А. Бантыш, А.А. Буйнова, А.З. Волынца, В.А. Воскобойникова, В.В. Илюхина, Б.К. Камов-
никова, В.А. Катюхина, О.Г. Комякова, Куцаковой В.Е., Б.М. Ляховицкого, В.Г. Поповского, К.П. Шуйского, Э.Ф. Яушевой и других. Важный и весомый вклад в развитие научных основ и практических аспектов метода сублимационной сушки, разработку принципов конструирования и создание промышленного оборудования внесли зарубежные ученые X. Айленбер, Л.Ф. Бертен, А.Л. Гарпер, Р.И. Гривз, Р.Ф. Дайер, К.Х. Кеслер, Д.К. Конрой, Л. Рэй, Г.И. Сандерленд, О. Сэндалл, Е.Е. Флосдорф, Р. Харис и многие другие. Актуальность проблемы. На наш взгляд, предметом особого внимания должна являться технология вакуумной сушки биообъектов, имеющих жидкую или пастообразную консистенцию. В пищевой промышленности спектр этих продуктов очень широк - фруктовые и овощные соки, пюре, пасты, молочные продукты, экстракты кофе и чая. Аналогичными примерами являются и многие виды эндокринно - ферментного сырья животных, используемого в производстве медпрепаратов - желчь, кровь и ее компоненты, а также измельченные до пастообразного состояния железы внутренней секреции. По нашей оценке, доля материалов с жидкой или пастообразной консистенцией, подвергаемых вакуумной сушке в различных режимах, составляет порядка 70 %. Физические свойства таких объектов накладывают свои особенности на процессы их замораживания и последующего влагоудаления. Так, замораживание жидких и пастообразных материалов в условиях реального промышленного производства в противнях (лотках) слоем толщиной 10-12 мм сопровождается деформацией замороженного слоя, отклонением его толщины по площади, криоконцентраци-ей фракций с более низкими температурами замерзания в центре слоя. При последующей сушке практически всегда происходит нарушение контакта (образование зазора) высушиваемого материала с дном и стенами противня. Следствием является неизбежное возрастание реальной продолжительности сушки на 30 - 40 % в сопоставлении с длительностью сушки в условиях идеального теплового контакта. Наш многолетний опыт свидетельствует, что даже в этом, растянутом во времени варианте, в крупных сублимационных установках по окончанию цикла сушки в общей массе высушенного материала наблюдаются
влажные, а то и вовсе замороженные участки - линзы. Наблюдения показывают, что описанная ситуация усугубляется по мере роста концентрации высушиваемых жидких и пастообразных материалов. Существует множество запатентованных, либо просто описанных в литературе технологических и технических приемов, направленных на устранение характерных для сушки в слое отрицательных моментов. Например, удаление по ходу сушки верхних высыхающих частей, прижимание слоя к днищу противня, вмораживание в слой электропроводящих греющих сеток, подвод энергии к сохнущему слою не кондукциеи от дна и стенок противней, а СВЧ полем и т.д. Однако все эти варианты, несмотря на их кажущуюся эффективность, не получили широкого практического применения ни на зарубежных, ни на отечественных производствах.
Радикальным улучшением технологии сублимационного консервирования жидких и пастообразных материалов является замораживание и последующая сушка их в виде отдельных мелких частиц - гранул. Выполненные нами теоретические и экспериментальные исследования процесса предварительного замораживания жидких и пастообразных материалов, а также их последующей сушки, привели к решению о необходимости разработки конструкций специальных устройств для низкотемпературного гранулирования и созданию параметрического ряда сублимационных установок с различными техническими характеристиками. Выбор условий, режимов и аппаратурного оформления процессов замораживания в виде гранул, определение оптимальных для последующей сушки гранулометрических характеристик, оптимизация собственно процесса сублимационной сушки гранулированных материалов с использованием специальных оребренных противней является одной из задач нашей работы.
Продолжая анализ особенностей технологии обработки жидких и пастообразных материалов с использованием сублимационной сушки, рассмотрим еще один практически значимый аспект. Часто объектами сушки является сырье с высокой, порядка 30 - 50 %, концентрацией сухих веществ. Например, сгущенные соки, сгущенная желчь животных. Традиционная сублимационная
вакуумная сушка таких объектов в реальных промышленных отечественных и импортных сублимационных установках почти невозможна. Достигаемые значения вакуума в рабочей сушильной камере не обеспечивают вымораживания необходимых для сушки сублимацией 80 - 90 % содержащейся в продукте влаги. Если все - таки попытаться осуществить высушивание высококонцентрированных продуктов «сублимацией» при давлениях 13-26 Па (0,1 - 0,2 мм. рт. ст.) (параметры в хорошей установке), то процесс сушки реально растягивается до нескольких суток. Экспериментальные исследования, выполненные Г.Д. Ша-бетником по сушке вязких материалов, показали целесообразность высушивания их при давлениях, несколько превышающих давление тройной точки воды. Предложен и реализован в промышленном производстве режим сушки сгущенной желчи, позволивший получать сухой продукт высокого качества при достаточно высокой интенсивности процесса. Весь цикл высушивания сгущенной желчи и аналогичных по свойствам материалов при удельной загрузке 10 -12 кг сырья/м2 составляет 13-18 часов [117,210]. Аналогичные результаты достигнуты и запатентованы в США при сушке экстрактов кофе и чая [129,130]. Предлагается вспенивать слой поступающего на сублимационную сушку экстракта вдуванием в него газообразного азота или воздуха. Во всех этих случаях авторы рекомендуют основную часть влаги удалять в процессе «кипения» высушиваемых продуктов вакууме при давлениях 195-390 Па (15 - 30 мм. рт. ст.) На определенном этапе сушки на противне формируется слой пены фиксированной толщины. Далее процесс доведения высушиваемого материала до требуемой конечной влажности реализуется при понижении давления в сушильной камере до уровня нескольких мм. рт. ст. Близкую по смыслу технологию предлагают М.Н. Сидоров (г. Воронеж) и А.А. Буйнов (г. Астрахань). Дальнейшие исследования по сушке жидких и пастообразных материалов, выполненные Алексаняном И.Ю. (г. Астрахань), также свидетельствуют о целесообразности применения вакуума для сушки предварительно вспененных продуктов, что приводит к стабилизации пен за счет дегазации (расширение предварительно введенного газа) и интенсивного внутреннего самоиспарения в начальном пе-
риоде удаления влаги, когда пены являются особо неустойчивыми системами. Следует отметить, что в зарубежной практике сушка во вспененном состоянии термолабильных материалов (молока, яичного меланжа, фруктовых соков, кофе) начала активно применяться по меньшей мере уже сорок лет тому назад [120,121,126].
Нами продолжены исследования в этом перспективном направлении технологии сушки. Предложена физическая модель процесса удаления влаги из вязких материалов в вакууме в режиме регулирируемого «кипения», приводящего к формированию на определенном этапе сушки слоя с устойчивой вспененной структурой. Получена аналитическая зависимость, связывающая продолжительность сушки с физическими характеристиками объекта и параметрами процесса. Принципиально важным отличительным моментом предложенной технологии является формирование вспененных структур, только в процессе их кипения, без предварительного введения в продукт газообразного азота или воздуха. Данная технология постоянно и успешно применяется, например, при сушке сгущенной желчи на промышленной тановке УВС - 0.3 «ШиК», имеющей блок регулирования давления в рабочей камере в широких пределах [212].
Последние годы характеризуются ростом стоимости энергоносителей, воды, увеличением стоимости оборудования. Сложившаяся ситуация выдвинула в число важнейших направлений проведение в течение нескольких десятилетий исследований, направленных на поиски технологических решений и создание на этой основе оборудования, позволяющего снизить затраты на обработку различных материалов сушкой. Эти задачи решались преимущественно в рамках сотрудничества с предприятиями ВПК в Москве и области, г. Казани. Разработаны и изготовлены вакуумные сушильные установки, которые в принципе обеспечивают эксплуатационные требования всех отраслей промышленности, от производства и сушки медпрепаратов до пищевых производств.
Одновременно возникали и решались задачи по созданию новых промышленных производств различной направленности, использующих в качестве промежуточных, либо завершающих операций технологию вакуумной или суб-
лимационной сушки. Разрабатывалась нормативно-техническая документация на выпуск сублимированных материалов разнообразной природы - от пчелиного молочка и сока плодов папайи, эндокринно-ферментного сырья животных до продуктов питания широкого ассортимента. Предложенные нами технологии успешно реализованы не только в России, но и в рамках научно-технического сотрудничества в таких странах, как Китай, Эквадор, Монголия.
Решению вышеуказанных и некоторых других, связанных с ними проблем посвящена данная работа. Основной объем исследований выполнен в рамках Государственных научно-технических программ.
Общесоюзная НТП «Увеличить производство, повысить биологическую ценность и улучшить качество мясных и молочных продуктов на основе совершенствования действующих и освоения новых технологических процессов и высокопроизводительного оборудования, обеспечивающих рациональное и комплексное использование сырья животного происхождения и снижения его потерь». Постановление ГКНТ СССР от 30.10.1985 г. № 555 (1986-1990).
Программа ГКНТ СССР по решению важнейших научно-технических проблем. - 0.22.01 «Создать и освоить в производстве новые технически сложные товары народного потребления со сниженным энергопотреблением и уменьшенной материалоемкостью по сравнению с достигнутым уровнем в 11 пятилетке» (1985-1990).
Республиканская НТП «Научное обеспечение отраслей АПК» (1991-1992); ФЦНТП «Перспективные процессы производства продовольствия» -приказ Миннауки России от 13.12.92 № 1140(1993-1995).
МНТП «Ресурсосберегающие технологии и техника производства полноценных продуктов питания и методов их защиты» приказ Гособразования СССР от 21.11.90 г. № 703 (1991-1993 г.). Переименована в Межвузовскую НТП «Пища,Экология, Человек». Указание об изменении программы Госкомвуза Российской Федерации от 05.04.94 № 20-14 (1994-1997).
Международная НТП «Прикладная биотехнология», утверждена приказом Госкомвуза РФ от 22.06.94 № 613 (1994-1996).
6. Межвузовская НТП «Биологическая безопасность и лечебно-
профилактическое питание». Указание Министерства общего и профессио
нального образования РФ от 22.12.97 № 747-19, приказ Минобразования от
03.04.98 г. № 863 (1998-1999).
Межвузовская НТП Инновация - (1996-1997 г.).
НТП Минобразования России «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» (приказ Минобразования России от 16.06.2000 № 1788). Подпрограмма «Технологии живых систем» (2001-2002).
9. НТП Минобразования России «Научное, научно-методическое, мате
риально-техническое и информационное обеспечение системы образования»
(приказ Минобразования России от 28.10.1999 № 659). Подпрограмма 1.02
«Научное и методическое обеспечение индустрии образования» (2000-2001).
10. НТП Минобразования России «Научные исследования высшей школы
по приоритетным направлениям науки и техники» (Приказ Минобразования
России от 11.02.2003 г. № 475). Подпрограмма «Технологии живых систем»
(2003-2004).
В соответствии с изложенным, целью работы является выявление кинетических закономерностей и разработка физических моделей тепломассообмена во взаимосвязанных процессах гранулирования и низкотемпературного обезвоживания в вакууме термолабильных э/сидких и пастообразных материалов, разработка на этой основе методов расчета, а также инженерных решений по конструкциям эффективного технологического оборудования и компоновочным схемам промышленных производств.
Научные и инженерные проблемы сушки жидких и пастообразных материалов в вакууме. анализ и обобщение известных моделей тепло- и массообмена
Анализ современных направлений развития пищевой промышленности позволяет в качестве важнейшей выделить возрастающую востребованность тех технологий, которые обеспечивают максимальную сохранность полезных нативных свойств перерабатываемого сырья и создают возможность длительного хранения обработанного материала, полуфабрикатов, готовой продукции. На рынке пищевых продуктов как зарубежном, так и в России, возрастает спрос на высококачественные сухие растительные добавки к йогуртам, мюсли, кашам, напиткам быстрого приготовления. Быстрыми темпами (особенно в нашей стране) увеличивается потребление высококачественного растворимого кофе. Начиная с 2000 года вновь возродился активный спрос на современные сухие продукты из сырья растительного и животного происхождения с длительными сроками хранения со стороны армии, флота, МЧС, газо- и нефтеперерабатывающих отраслей. Еще одной положительной объективной реальностью экономики России современного этапа развития является рост числа фирм, воссоздающих производства лекарственных и пищевых добавок в различных регионах страны.
В технологиях получения вышеуказанной современной продукции исключительно важное место занимают процессы удаления жидких компонентов высушиванием в вакууме. Именно использование вакуума позволяет с одной стороны интенсифицировать процессы влагоудаления, а с другой - осуществлять их при низкотемпературном, щадящем тепловом воздействии. В рамках этой главы мы проведем анализ достаточно различных по своей технологической сути процессов консервирования жидких и пастообразных материалов в вакууме.
Производство в промышленных масштабах сублимированных продуктов питания и пищевого сырья, лекарственных препаратов, различных ферментов и заквасок, применение сублимационной сушки в криохимических технологиях (перечень может быть продолжен) предполагает в основном два достаточно различающихся варианта технической реализации процесса. В первом из них высушиваемый материал формируется в виде сплошного слоя, как правило, толщиной 10-20 мм, на лотках, противнях, либо материалом заполняются флаконы или ампулы. Далее этот материал в емкостях подвергается замораживанию, а затем помещается в рабочую камеру вакуумной установки для последующей сушки [31,46,49,54,57,238,239]. Данный общий принцип реализуется на практике в широком диапазоне конкретных технических решений, которые отражены в таблице 1.1, колонка № 2.
Второй вариант предусматривает замораживание и последующую сушку жидких и пастообразных материалов в виде гранул [29,35,72,78,205,220,247,259]. Основными принципиальными достоинствами технологии консервирования вакуумной сушкой в гранулах являются следующие. Возможность получения всей массы сырья с усредненными, близкими по числовым значениям теплофи-зическими характеристиками - это принципиально важно для реализации непрерывных процессов замораживания и сушки. Возможность при определенных условиях интенсифицировать процесс и увеличить удельную производительность сушильного оборудования. Удобство операций выгрузки и фасовки сухого продукта, хороший товарный вид - все частицы имеют примерно одинаковую форму и размер. Наиболее характерные направления реализации этой технологии представлены в колонке 1 таблицы 1.1.
Удаление части влаги испарением с последующей досушкой сублимацией в едином цикле, в одном аппарате ческого контакта слоя с греющей поверхностью. Причины и следствия этого яв ления будут подробно рассмотрены ниже. В результате возникло много инженерных решений, направленных на улучшение условий теплоподвода в зону сублимации. Например, прижим (сдавливание) слоя сетками по мере его высыхания к греющей поверхности, поэтапное удаление соскабливанием высыхающих частей слоя, подведение энергии непосредственно в замороженные зоны СВЧ полем [70]. Однако можно констатировать, что все эти улучшающие инженерные решения не нашли сколь-либо широкого применения в промышленном производстве по причине их сложности, возникновению проблем с загрузкой и выгрузкой сухого продукта, трудностью санитарной обработки всех этих приспособлений. Но и в настоящее время во всем мире технология сушки в сплошных замороженных слоях очень распространена по причине ее технической простоты и универсальности. При этом главный недостаток такого процесса устраняется путем неоправданного, но неизбежного увеличения (и весьма значительного, зачастую в полтора раза) длительности цикла сушки. Экономические и технологические отрицательные последствия такого решения очевидны [75,76].
Некоторые объекты сушки из числа пищевых продуктов (характерным примером является творог) допускают их испарительное самозамораживание в вакууме [2,9]. Под термином «допускают» мы понимаем незначительное изменение их показателей качества в ходе самозамораживания. Такая технология улучшает в целом технико-экономические показатели процесса сушки, но не устраняет основного, принципиального недостатка сушки жидких и пастообразных материалов в слое. В качестве самостоятельного и интересного решения следует отметить технологию замораживания и последующей сушки в тонких слоях. Толщина слоя, наносимого в этом случае на теплоподводящую поверхность, составляет 0,1-И мм [91,98,196,218,266]. Замораживание и собственно сушка занимают десятки минут, поскольку испарение (сублимация) носят объемный характер, а длительность периода сублимации, как известно, пропорциональна квадрату толщины слоя. Достоинства такой технологии могут быть раскрыты только в установках с непрерывным процессом нанесения-удаления слоя на вращающийся барабан, движущуюся ленту. Однако до настоящего времени ни у нас в стране, ни за рубежом не созданы промышленные установки, реализующие принцип сушки в очень тонких слоях материала. Причиной этого является несомненная сложность конструкции оборудования, сложность регулирования и контроля заданного режима и проблематичность обеспечения стабильного качества сухого продукта по причине его скоротечности. Наконец, далеко не все виды сырья по своим технологическим свойствам могут быть переработанными в столь тонких слоях.
Заключая этот краткий обзор технологий сушки жидких и пастообразных материалов в вакууме, отметим получившую распространение в последние 5-10 лет весьма интересную тенденцию в технологии сушки, связанную с формированием исходного сырья на противнях в виде слоя пены заданной толщины. Геометрические характеристики формируемого слоя пены - его высота и размер ячеек, являются сложной функцией теплофизических свойств самого вспениваемого материала и конкретного способа пенообразования. Технически перспективными просматриваются два основных направления формирования слоя пены. Первое из них предполагает образование пены каким-либо способом в отдельном устройстве (пеногенераторе) с ее последующим нанесением на сушильную поверхность - лоток, транспортерную ленту, вращающийся барабан и т.п. Согласно второму направлению, слой материала дозируется в противень, который затем помещается в рабочую камеру сушильного устройства. Вспенивание происходит по мере понижения давления в рабочей камере, при этом происходит испарение части влаги из материала [5,39,116,146,210,211,235].
Далее возможны два варианта продолжения цикла высушивания. В первом случае весь процесс обезвоживания происходит в результате испарения влаги из слоя пены, а давление в аппарате при обезвоживании термолабильных масс обычно поддерживают на уровне 20-60 мм. рт. ст. Второй вариант предполагает удаление испарением только части влаги, обычно не более 60 %, затем давление в аппарате понижают до значений, которые ниже давления тройной точки воды. На этом этапе влага замерзает и затем удаляется фазовым переходом «лед-пар». В итоге в одном аппарате и в рамках единого технологического цикла совмещаются два режима удаления влаги - испарением на начальном этапе и сублимацией на стадии завершения [48,211]. Технология сушки жидких и пастообразных материалов во вспененном состоянии в вакууме исключительно эффективна, поскольку обеспечивает качество сухого продукта, сопоставимое с качеством, достигаемым при вакуумной сублимационной сушке. При этом интенсивность обезвоживания существенно выше, проще и дешевле оборудование [186,250,267].
Количественная оценка процесса сублимационной сушки диспереированных материалов
Сублимационная сушка в вакууме по своей физической природе представляет собой сложный процесс нестационарного тепло- массообмена. Полное аналитическое описание процесса сушки должно быть основано на совместном решении системы нелинейных дифференциальных уравнений внутреннего и внешнего переноса теплоты и массы с соответствующими краевыми условиями. В классической постановке задача является сопряженной, поскольку должны быть сформулированы условия совмещения потенциалов на границе раздела. Математическое описание и анализ закономерностей процесса сублимационной сушки в общей постановке весьма сложны.
Общая система дифференциальных уравнений процесса сублимационной сушки, как отмечалось ранее, предложена А.В. Лыковым [100,101]. В состав этих уравнений входят коэффициенты переноса теплоты и массы, а также термодинамические характеристики, представляющие собой сложные функции температуры и влагосодержания материала в процессе сушки. На современном этапе развития теории сушки получить аналитическое решение для распределения потенциалов переноса удается только в некоторых частных случаях.
Построение физических моделей процесса сублимационной сушки неизбежно связано с использованием определенных допущений. Степень упрощения реального механизма сушки определяется требуемой точностью решения, а также полнотой физических представлений о данном явлении. Вместе с тем, разрабатываемая на основе неизбежных упрощений модель (схема) процесса должна отражать наиболее важные, определяющие закономерности объекта исследования.
Проанализируем наиболее существенные черты процесса сублимационной сушки дисперсных материалов. Одно из принципиальных допущений традиционных методов расчета процесса сублимации гранулированных материалов при кондуктивном энергоподводе, разработанных при непосредственном участии автора [78,154], заключается в пренебрежении гидравлическим сопротивлением переносу массы из области сублимации. Это допущение оказывается справедливым для значительной части ассортимента пищевых продуктов, обычно подвергаемых сублимационному обезвоживанию [57,144]. Важнейшей особенностью процесса сублимации в данных условиях является продвижение плоской границы фазового перехода «лед - пар» в направлении от греющей поверхности. В этом случае скорость процесса определяется теплопроводностью обезвоженного слоя, через который осуществляется подвод теплоты, затрачиваемой на фазовый переход. Теплопроводность большинства пищевых продуктов сублимационной сушки невелика и обычно не превышает 0,02ч-0,04 Вт/(мК) [65,140]. По этой причине сушка в рассматриваемых условиях характеризуется низкой интенсивностью. Также считается, что внутренняя энергия выделяющегося пара мала в сравнении с теплотой сублимации. Указанные обстоятельства позволяют рассматривать вопрос о распределении температуры в твердом теле без учета процессов в газовой фазе.
Таким образом, в рамках рассматриваемой модели определяющим процессом переноса является перенос теплоты через осушенный слой с некоторыми эффективными теплофизическими характеристиками [34,154]. В соответствии с этим, основным уравнением модели является уравнение теплопроводности.
Разработка физической модели и метода расчета процесса сублимации, основанного на допущении о «бесконечно большой» паропроницаемости замороженной части слоя явилась определенным шагом в понимании процессов, протекающих при сублимационном обезвоживании дисперсного сырья. Последовательное применение ранее предложенной нами модели, в частности, позволило: - составить качественно верное представление о механизме сушки и количественно охарактеризовать тепло- массообмен при сублимационном обезвоживании многих гранулированных пищевых продуктов; - показать, что незначительные локальные различия теплофизических свойств сырья и параметров процесса не приводят к неустойчивому продвижению границы фазового перехода, т.е. углубление фронта сублимации происходит, в основном, параллельно греющей поверхности; - определить наиболее рациональные условия организации процесса сушки дисперсного материала, неподвижного относительно греющей поверхности; - оценить влияние гранулометрических показателей сушимого сырья и геометрических характеристик слоя гранул на длительность сушки; - определить влияние гранулометрических и теплофизических параметров сушимого материала на производительность сублимационной установки.
Вместе с тем, прогресс в развитии техники и технологии сублимационного обезвоживания дисперсных продуктов, разработка нетрадиционных форм гранулирования, показали, что модель «бесконечно большой» паропроницае-мости замороженной зоны далеко не всегда адекватна опыту. В эксперименте довольно часто наблюдается явление уплотнения подвергаемого сушке слоя, сопровождающееся утратой относительной подвижности его индивидуальных структурных элементов (гранул). Характерно, что этот эффект реализуется не сразу (на начальных стадиях сушки гидравлическое сопротивление слоя остается незначительным), а с течением времени и проявляется тем сильнее, чем меньше характерный размер образующих слой частиц. В некоторых случаях, как показали визуальные наблюдения, первоначально дисперсный материал может оказаться преобразованным в монолит [36,43]. Такое, не соответствующее разработанным ранее модельным представлениям поведение материала в ходе сушки, приводит к заметным отклонениям параметров реального процесса от их расчетных значений, что снижает точность инженерных методов расчета оборудования.
Модель и инженерный метод расчета процесса сублимационной сушки гранулированного материала в оребренном противне
Явление самоуплотнения слоя гранулированного материала, рассмотренное в предыдущей главе, с одной стороны сокращает длительность сублимационной сушки, с другой - создает предпосылки для развития негативных эффектов, приводящих к снижению производительности оборудования. В частности, возможным становится неконтролируемое повышение давления пара у греющей поверхности, что может иметь следствием порчу части продукта вследствие его подтайки, а также отрыв слоя от поверхности, сопровождающийся резким ростом термического сопротивления контакта и дальнейшее снижение интенсивности процесса. Применение для интенсификации процесса группы способов, основанных на оказании активного силового воздействия на состоящий из смерзшихся частиц слой (вибрация, перемешивание, прижатие) оказывается неэффективным. В этих условиях практически единственным способом повышения интенсивности сублимационной сушки гранулированного материала следует признать применение оребренных противней. Положительный эффект в данном случае достигается, с одной стороны, благодаря увеличению площади теплоподводящеи поверхности, с другой - за счет реализации двухстороннего энергоподвода к слою материала.
Поток тепла в течение сушки передается к фронту сублимации (2) от ребер (4) и дна противня теплопроводностью через обезвоженную область (1). На поверхности фазового перехода образуется пар, которой удаляется под действием перепада давления по высоте Н слоя сырья в ячейке противня.
Физическая модель процесса строится на следующих основных допущениях [78]: 1) фронт сублимации углубляется плоскопараллельно и симметрично от ребер противня к центру его ячеек; 2) материал обладает высокой паропроницаемостью и не оказывает сопротивления потоку пара; температура замороженной зоны одинакова по высоте ячейки противня; 3) тепло, расходуемое на прогрев удаляемых паров, в любой момент времени много меньше тепла, идущего на фазовый переход; 4) перепадом температуры по высоте ребра противня можно пренебречь в сравнения с перепадом температуры в осушенной зоне; 5) высота ячейки противня Н значительно больше половины шага оребрения /.
Отличительными чертами процесса сушки дисперсного материала в оребренном противне от рассмотренного выше случая сублимации на плоской поверхности является, во-первых, движение потока пара через весь слой материала. При сушке гранулированного сырья на плоскости отвод пара осуществляется в направлении перпендикулярном поверхности фазового перехода. Пар проходит только через верхний слой замороженных гранул (см .рис.3.1).
Во-вторых, в оребренном противне имеет место подвод тепла не только от ребер противня, но и от дна его.
Оценка влияния движущегося в ячейках оребренного противня пара на процесс сублимации проведена ниже в рамках настоящей главы. Показано, что в условиях, характерных для сублимационной сушки гранулированных пищевых продуктов, движущийся через слой сырья пар на вносит принципиальных изменений в механизм процесса сублимационного обезвоживания (доля тепла, отбираемого на прогрев пара, не превышает 2% расхода тепла на фазовый переход лёд-пар; увеличение эффективной теплопроводности сушимого материала составляет 4-7%.
Тепло, подводимое от дна противня, составляет 1/5-1/7 общего количества тепла, поглощаемого гранулированным сырьем в процессе сушки в оребренном противне. В остальном задача аналогична рассмотренному выше процессу сублимационной сушки на плоской греющей поверхности, где роль толщины сдоя h играет половина шага оребрения противня / .
Вследствие этого будет иметь место самовыравнивание фронта фазового перехода. Нарушение плоскопараллельности продвижения фронта сублимации может быть обусловлено только различием между локальными и осредненными теплофизическими характеристиками сушимого материала. Изменение температуры замороженной области по высоте ячейки противня связано с повышением давления паров у дна ячейки в сравнении с давлением на выходе из нее. Подробный анализ этого явления был проведен в разделах 2.1. - 2.5, где было показано, что в условиях, характерных для пищевых производств, когда сублимационной сушке подвергаются частицы с определяющим размером, превышающим 1,5 мм, эффектом депрессии можно пренебречь. Оценка затрат тепла на прогрев пара. Схема эвакуации паров из ячейки противня и распределение температур в сухой и замороженной зоне показаны на рис.3.3. Образующиеся на фронте фазового перехода пары движутся без сопротивления через слой гранулированного материала. При этом количество пара, проходящего через замороженную или осушенную зону, определяется положением фронта сублимации в данный момент времени.
Обезвоживание термолабильных материалов в вакууме при давлении, незначительно превышающем давление тройной точки
Рассматриваемая задача изначально осложняется тем, что подавляющее большинство представляющих интерес для практики материалов являются неньютоновскими жидкостями, т.е. обладают специфическими реологическими свойствами. Существенным моментом в реологической классификации материалов является вопрос о том, имеет ли материал некоторую предпочтительную форму или не имеет [53,105]. Многие пищевые продукты коллоидной структуры, такие как желе, пасты, пюре в ненагруженном состоянии такой естественной предпочтительной формой обладают, являясь до некоторого порогового нагружения «твердообразными» материалами. Количественной мерой этой пороговой нагрузки, переводящей материал в текучее жидкообразное состояние, является предельное напряжение сдвига со , которое является, таким образом, важнейшей реологической характеристикой материала [105].
Интенсивный процесс сушки пастообразных пищевых продуктов, проводимый в достаточно толстых слоях при кондуктивном теплоподводе снизу, сопровождается перегревом массы влажного продукта относительно температуры насыщения и испарением влаги в образующиеся и растущие пузыри. Интенсификация процесса, в отличие от режима сушки испарением со свободной поверхности, достигается увеличением поверхности испарения и ее «приближением» к теплоподводящей поверхности. Однако эвакуация пузырей из толщи продукта оказывается в этом случае затрудненной в виду специфических реологических свойств среды, которую можно считать бинга-мовским мостиком [92]. Режимы роста, отрыва и движения пузырьков в такой среде имеют механизмы, существенно отличающиеся от наблюдающихся при кипении обычных ньютоновских жидкостей. Важнейшие характеристики бингамовской реологии рассматриваемой среды предопределяют рост пузырька в неподвижной среде и его быстрое удаление при достижении пузырьком размера, когда архимедова сила превысит удерживающую способность среды, связанную с существованием предельного напряжения сдвига.
Рассматриваемый циклический процесс может быть описан следующей идеализированной физической моделью. Объем обрабатываемого материала разбивается на одинаковые ячейки, занимающие всю толщину слоя h и всю площадь теплоподводящей поверхности (рис. 4.1) В пределах каждой из ячеек происходит циклический рост пузырька от его зарождения до его эвакуации.
Полученные соотношения позволяют выполнить некоторые количественные оценки и сделать на их основе несколько важных выводов. При характерных значениях параметров среды и процесса оценка величины сік с помощью соотношения (4.3) дает значения порядка нескольких миллиметров, что хорошо согласуется с визуальным наблюдением за процессом. Что касается времени цикла, то, в соответствии с (4.5), его значение по порядку величин оказывается порядка 10" сек, тогда как на практике это время составляет секунды. Тем не менее, можно констатировать следующее. Во-первых, время цикла (быстрое время) существенно меньше времени высушивания продукта (медленное или кинетическое время). Во-вторых, критический размер пузырька существенно меньше практически используемой толщины слоя обрабатываемого продукта так, что все три этапа взаимодействия пузырька со средой (рост, отрыв, эвакуация) действительно имеют место в реальном процессе [91,105]. Наконец, быстрая эвакуация пузырька приводит к эффективному перемешиванию среды в ячейке так, что использование в формулах (2.4) и (2.5) некой осредненнои температуры среды /не должно приводить к большим погрешностям.
Проводимое аналитическое рассмотрение обезвоживания, разумеется, не охватывает всех особенностей реального процесса. В частности, нами здесь не затрагиваются вопросы о механизме образования зародышей паровой фазы, о необходимой величине перегрева жидкости и ряд других [112,130]. Очевидно, ответ на указанные вопросы и адекватную оценку величины тк может дать только эксперимент. Поэтому целесообразно в первом приближении ввести в выражение для длительности цикла коэффициент К, определяемый опытным путем.
Скорость испарения жидкости с поверхности определяется потоком теплоты q, переносимой через слой пены. Для оценки скорости процесса сушки вспененного материала представим пенную структуру в виде параллельных теплоподводящей поверхности слоев, состоящих из ячеек одинаковой высоты d, и вертикальных столбцов жидкости, «пронизывающих» слой. При этом столбцы образуют регулярную систему с шагом d (рис. 4.2). Будем считать, что в столбцах содержится жидкость, которая в реальной пене находится в каналах и узлах (рис.4.3). Размер d примем равным диаметру эквивалентного пузырька1.
Общий поток теплоты, в рамках рассматриваемой модели, является суммой потоков теплоты по столбцам и через ячейки. Термическое сопротивление потока теплоты, проходящего через ячейки, складывается из сумм: термических сопротивлений перпендикулярных потоку теплоты пленок; фазовых сопротивлений на границе поверхностей раздела "пар-пленка"; термического и диффузионного сопротивлений слоя газа, находящегося в пузырьке. В то же время поток теплоты, протекающий по столбцам, будет зависеть от термического сопротивления столбцов.
