CC BY
31
УДК 665.937.6:66.084
В.И. Погонец, Дальрыбвтуз, Владивосток ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ СУШКИ РАСТВОРОВ АГАРА И АЛЬГИНАТОВ НА ИНЕРТНЫХ ТЕЛАХ ВО ВЗВЕШЕННО-ЗАКРУЧЕННЫХ ПОТОКАХ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ
Проведены исследования сушки растворов полисахаридов на инертных частицах во взвешенно-закрученных потоках на цеховом аппаратурном комплексе. Получены первые положительные результаты по кинетике и гидродинамике процессов. Они позволят уточнить конструкцию узлов создаваемой лабораторной установки, необходимой для выполнения полного объема исследований по сушке этих пищевых продуктов.
Объемы вырабатываемых предприятиями сухих полисахаридов (агара, альгината натрия и альгината кальция) из морского сырья очень ограничены, это связано в первую очередь с трудоемкостью технологий получения этих продуктов, а также с отсутствием современного эффективного оборудования для сушки исходных растворов. Отсутствие современных сушилок, необходимых для аппаратурного оформления этих процессов, не позволяет предприятиям получать из растворов сухие продукты с высоким качеством, им невозможно обеспечить снижение энергозатрат на их производство и удешевить себестоимость продукции.
Поэтому эти исследования нацелены на разработку новых установок с передовыми технологиями сушки растворов агара и альгинатов во взвешенно-закрученных потоках, а проведенные нами ранее предварительные опыты в этом направлении показали обнадеживающие результаты.
Экспериментальные работы были проведены на аппаратурном комплексе ЗАО «Конвекс» (рис. 1). Эта установка имеет два энергетических узла, которые могут работать одновременно на одну камеру, а также поочерёдно раздельно, причем один узел включает в себя теплогенератор марки ТГ-1а и работает на дизельном топливе, а другой узел обеспечивает нагрев теплоносителя электротэнами.
1.51)1)1)
Рис. 1. Схема аппаратурного комплекса для сушки растворов агара и альгинатов, разработанного в ЗАО «Конвекс»
Установка состоит из двух вентиляторов высокого давления ВВД-8 (поз. 2 и поз. 21), которые засасывают наружный воздух, и его под давлением подают в магистрали. Левая магистраль состоит из мягкой вставки 3, цилиндрического стабилизирующего участка 4, конического переходника 5 и теплогенератора 6. Правая магистраль состоит из цилиндрического стабилизирующего участка 20, электротепловой нагревательной секции с пультом управления 19 и рычажного устройства 18, предназначенного для регулирования шиберной заслонкой, которая установлена на всасывающем патрубке вентилятора высокого давления.
Пульт управления 7 левой магистрали скомпонован в отдельном корпусе. Воздуховоды 8 и 9 предназначены для выброса отработанных дымовых газов в атмосферу, а воздуховоды 10, 14, 15 предназначены для отвода теплоносителя после камеры сушки 12 и циклона 16. Пульты управления сушильной установки позволяют регулировать температуру сушильного агента в диапазоне 40-180 °С. Количество воздуха, прокачиваемого через магистрали, может изменяться в пределах от 4000 до 12000 м3/ч. Вентиляторы обеспечивают требуемое давление под газораспределительной решёткой, что в итоге предопределяет необходимую величину удельной нагрузки инертного материала с нанесенным раствором полисахаридов в сушильной камере. Схема узла подачи растворов в сушильную камеру приведена на рис. 2.
12 3 9
Рис. 2. Схема узла подачи растворов: 1 - камера сушильная; 2 - решетка газораспределительная; 3 - сетка; 4 - емкость с раствором агара;
5 - термостат; 6 - распылитель; 7 - баллон со сжатым воздухом;
8 - компрессор; 9 - носитель, изготовленный из фторопласта-4
Испытания сушилки проводили по двум вариантам. Первый вариант заключался в том, что раствор агара помещали в стальной цилиндр 4, снабженный герметичной крышкой. Цилиндр помещали в водяную баню 5 и в ней поддерживали постоянную температуру воды +90 °С. Полость цилиндра с раствором агара через гибкий шланг и систему запорной арматуры соединялась с воздушными баллонами 7. Запорная арматура трубопровода через редуктор позволяла устанавливать широкий диапазон избыточных давлений в камере на раствор агара, а это в свою очередь обеспечивало возможность при экспериментах варьировать расходом и в конечном итоге задавать требуемую производительность форсунки-распылителя. Таким образом, раствор агара или (альгината натрия) под давлением подавался в форсунку-распылитель 6, которая устанавливалась под газораспределительной решеткой. Форсунка-распылитель состоит из двух цилиндрических трубок состыкованных телескопически, между которыми имеется кольцевой зазор. Трубки закреплены в крестовине и крепятся к трубопроводу с жидким раствором. Форсунка-распылитель при эксплуатации показала удовлетворительную работу и хороший устойчивый факел распыла растворов агара и альгинатов на инертные тела. В этой конструкции сушилки были подвергнуты испытаниям также тангенциальные распылительные форсунки, с отверстиями диаметрами
0,5; 0,8; 1,0; 1,25; и 1,5 мм. Наилучших результатов распыливания растворов агара и альгината натрия в сушилке удалось достигнуть при
применении механической форсунки с центробежным распыливанием и с диаметром отверстий до 1,5 мм, которая была рекомендована для данной сушилки.
Второй вариант подачи растворов в сушильную камеру нами апробирован по той же схеме, но уже с использованием воздушного компрессора 8 вместо воздушных баллонов 7. Этот вариант наиболее прост и показал хорошие результаты при испытаниях.
На рис. 3 приведена схема компоновки форсунок в узле распыливания растворов агара и альгината натрия и показана желательная компоновка этого узла с шестью форсунками, общим распределительным коллектором и запорной арматурой. Здесь термостат 1, внутри которого помещена емкость с раствором агара (или альгинатом); регулировочные вентили 2 (шесть штук) установлены симметрично на коллекторе.
Для осуществления распыливания растворов пневматической форсункой необходимо использование воздушного компрессора, фильтров очистки подаваемого воздуха, как в компрессор, так и после него. При использовании механической форсунки наличие такого оборудования не требуется и поэтому значительно упрощает подготовку и подачу растворов через форсунку в камеру сушки. Для того чтобы обеспечить требуемое давление воздуха на раствор в момент его подачи к каждой форсунке, необходимо, во-первых, поддерживать более высокое давление воздуха в расходной емкости 1 (рис. 3), а затем уже регулировочными вентилями 2, последовательно для каждой форсунки, обеспечивать установку заданных параметров расхода раствора.
На рис. 4 представлены зависимости производительности механической форсунки от давления подаваемого раствора при различных диаметрах сопла форсунки и температуре растворов 80 °С с содержанием в них 4 % сухих веществ.
Рис. 3. Схема компоновки форсунок в узле распыливания растворов агара и альгината натрия
О 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220
Рис. 4. Зависимости производительности механической форсунки от давления подаваемых растворов при различных диаметрах сопла форсунки с содержанием 4 % сухих веществ. Диаметр форсунки для подачи растворов альгината натрия: 1 - 0,5 мм; 2 - 1,0 мм; 3 - 1,5 мм; 4 - 2,0 мм; диаметр форсунки для подачи растворов агара 5 - 1,0 мм; 6 - 1,5 мм
Замечено, что производительность форсунок уменьшается для более вязких растворов агара и альгинатов. По характеру распыливания наиболее тонкое получалось тогда, когда увеличивали давление на раствор, подаваемый в форсунку. По приведенным графическим кривым легко определить желаемую величину расхода подаваемого раствора в камеру на сушку, в зависимости от создаваемого давления и используемых форсунок.
По этим зависимостям можно также произвести расчет потребного количества форсунок, если известны их диаметр, давление и требуемый расход полисахаридов, которые необходимо в них поддерживать.
Высушенные частицы агара или альгината натрия предварительно в процессе сушки скалываются с частиц инертного материала и отфильтровываются через капроновую сетку (размер её ячеи составляет 1,0 х 1,0 мм), установленную в верхней части сушильной камеры. Инертные тела (они изготовлены в виде тонких эластичных пластинок из фторопласта-4), отделяемые таким образом от сухих частиц продукта, остаются в пространстве сушильной камеры и вновь участвуют в дальнейшем процессе кипения. Инертные тела просты по форме (их предложили авторы [1]), форма тел - это легко деформируемые пластинки, поэтому они обеспечивают эффективное скалывание сухих частиц агара и альгината натрия в процессе их деформации при витании и соударении. Такая форма тел не подвержена комкованию в сушильной камере и стабильно кипит с напыленными растворами.
Испытания сушилки проводили следующим образом. Вначале испытания процесса кипения частиц инертного материала были проведены без нанесения на них растворов, причём их размеры были разные от (20 х 0,2 х 2,5) мм до (70 х 0,8 х 4,0) мм, здесь соответственно длина, толщина и ширина, а также изменяли их удельную нагрузку на газораспределительную решётку от 45 до 120 кг/м2 для того, чтобы определиться в характере и стабильности процесса кипения. Замеры скорости теплоносителя под газораспределительной решёткой определяли по изменению перепада давления на нормальной диафрагме, установленной на подводящем трубопроводе. Сопротивление слоя инертного материала находили как разницу давлений над решеткой и в верхней части кипящего слоя.
В результате выявлено, что при удельных нагрузках от 45 кг/м2 до 60 кг/м2 характер кипения частиц неустойчив, наблюдали прорывы отдельных «пузырей» теплоносителя по образующей камеры, либо характер кипения представлял собой интенсивное вращение слоя с малым перемешивающим эффектом. Такие режимы работы сушилки были неприемлемыми для исследований, поэтому постепенно удельная нагрузка была доведена до 120 кг/м2, а затем до 153 кг/м2, и в итоге добились и наблюдали стабильный характер кипения частиц инертного материала.
При исследовании кинетики процесса сушки растворов агара и альгината натрия важным конечным фактором для нас являлось то, что требовалось выявить и установить такие режимы процесса, которые позволили бы получить сухие частицы готового продукта необходимой формы и соответствующей размерной фракции. Так при проведении опытов было замечено, что темп подачи раствора в сушильную камеру через форсунку предопределяет в конечном итоге выход частиц сухого продукта различных по форме (в виде хлопьев-снежинок, в виде пылевидных частиц или чешуек). По оценке специалистов и производственников, наиболее приемлемой формой являются сухие частички этих полисахаридов в виде снежинок, потому что такая форма обеспечивает, в производственных условиях, лучшую растворимость этих сухих частиц агара и альгинатов при подготовке исходных растворов.
При небольших количествах (в пределах 20-60 г/мин) подачи растворов на сушку (при стабильном процессе кипения инертного материала) и предельно возможных температурах теплоносителя (для агара) наблюдали выход сухого продукта в виде пылевидных частичек. Такие же результаты получали и при сушке растворов альгината натрия при температуре теплоносителя 100+120 °С.
Увеличение темпа подачи для растворов агара до 160 г/мин при температуре теплоносителя 90 °С форма сухих веществ напоминала хлопья-снежинки, и это по всей видимости объясняется тем, что распыленные частички раствора в меньшей степени оседают на поверхности инертного материала и сушка их обеспечивается во взвешенном состоянии.
Дальнейшее увеличение темпа подачи исходного раствора (более 160 г/мин) в сушильную камеру приводило к тому, что форма полученных сухих частичек продукта напоминала пластинки или чешуйки. Отдельные из них имели довольно большие размеры, и такие частицы, естественно, не могли проникнуть через фильтрующую сетку (размер ячеи 1,0 х 1,0 мм) при выходе из камеры, а это в итоге снижало производительность процесса. Объясняется это, по всей видимости, тем, что количество подаваемого раствора в единицу времени было большим, и поэтому раствор наносился толстым слоем на инертные частицы. Этот слой в процессе высушивания образовывал толстую пленку, которая в результате соударения частиц разрушалась, и скалывание уже происходило в виде чешуек.
Выявлено, что наиболее приемлемые удельные нагрузки инертного материала в камере составляют 80-120 кг/м2, поэтому последующие исследования проводили с учетом этого выбранного диапазона. Так, на рисунках 5 и 6 приведены результаты экспериментов по сушке растворов агара и альгината натрия при удельных нагрузках 120 кг/м2 и
80 кг/м2. Наблюдаем, что характер кривых почти идентичен, однако ввиду различных адгезионных их свойств процесс начала кипения этих растворов различен.
Так, начало кипения инертных частиц с нанесенным на них раствором агара наблюдали в диапазоне его сопротивлений 180-186 кг/м2, в то время как с нанесенным раствором альгината натрия кипение происходило уже при сопротивлении слоя в пределах 160-168 кг/м2. Объяснение этому, видимо, в том, что вязкость растворов агара значительно выше, чем растворов альгината натрия.
Рис. 5. Кривые сушки растворов агара и альгината натрия. Размеры частиц инертного материала (70 х 0,5 х 2,5) мм. Удельная нагрузка на решетку д = 120 кг/м2; 1 - агар с содержанием сухих веществ 4 %; 2 - альгинат натрия с содержанием сухих веществ 1,5 %
АР (кг/м2) у = 0,0361х3-2,3122х2 +36,03х-40,902
— 2
0 4 8 10,5 12 16 20 Ч(м1с)
Рис. 6. Кривые сушки растворов агара и альгината натрия. Удельная нагрузка на решетку q = 80 кг/м2; 1 - агар с содержанием сухих веществ 18 %; 2 - альгинат натрия с содержанием сухих веществ 4 %
Установлено [1, 3], что при подаче растворов в сушильную камеру с повышенным содержанием в них сухих веществ сопротивление слоя увеличивается и соответственно начало процесса кипения уже обеспечивается только с увеличением давления и скорости подачи теплоносителя под газораспределительную решётку.
Выявлено также [2], что разные конструкции форсунок, используемые для нанесения растворов на инертные частицы, также влияют на размеры получаемых сухих частиц. Так, применение механической форсунки для распыла растворов позволяло получать желаемую форму частичек в виде снежинок при темпе подачи исходного раствора агара с 60 г/мин до 160 г/мин, а при применении пневмофорсунок этот результат достигался уже в пределах темпа подачи, начиная с 140 г/мин, до 200 г/мин.
При сравнении результатов кинетики процесса сушки растворов альгината натрия и агара выявлено, что эти системы имеют общие закономерности по образованию гранул сухих частиц. В первую очередь это зависит от количества раствора, наносимого на кипящие инертные тела в сушильную камеру, а также от количества сухого вещества, содержащегося в этих подготовленных растворах.
При анализе полученных результатов и особенностей протекания процессов сушки растворов полисахаридов во взвешенно-закрученных потоках теплоносителя было установлено, что для них можно разработать одинаковые узлы при создании опытного промышленного образца сушилки. Однако чтобы окончательно ответить на этот вопрос, необходимо создать лабораторный вариант сушилки, на котором потребуется отработать все параметры процесса и провести полный объем исследований. Авторы, совместно с группой студентов, приступили к разработке чертежей и эскизов на детали и узлы этой конструкции.
Библиографический список
1. Погонец В.И. Сушка морепродуктов во взвешенно-закрученных потоках. Владивосток: Дальрыбвтуз, 2000. 193 с.
2. Погонец В.И. Новое оборудование для сушки морепродуктов и основы его расчёта. Владивосток: Дальрыбвтуз, 1996. 108 с.
3. Погонец В.И. Исследования кинетики процесса сушки
полисахаридов во взвешенно-закрученных потоках // Исследования Мирового океана: матер. Междунар. науч. конф. Владивосток:
Дальрыбвтуз, 2008. С. 396-398.
