CC BY
108
УДК 536.422.1
Повышение энергоэффективности комбинированной распылительной сушильной установки
Creating combined apparatus for drying liquid products
Доцент А.Б. Емельянов, студент A.A. Мягков, (Воронежский государственный университет инженерных технологий) кафедра машин и аппаратов химических производств, тел. 8-920-213-67-53 E-mail: okipr-mipii/ mail. ru
студент H.P. Кононов (Воронежский государственный университет инженерных технологий) кафедра машин и аппаратов пищевых производств
Associate Professor А.В. Emelyanov, Student A.A. Myagkov, (Voronezh state University of engineering technologies) chair of machines and apparatuses of chemical productions, tel. 8-920-213-67-53 E-mail: okipr-mip@mail.ru
Student N.R. Kononov (Voronezh state University of engineering technologies) chair of cars and devices of food productions
Реферат. Современное развитие сушильных установок направлено на поиски путей снижения энергозатрат. Это особенно важно при обезвоживании продуктов в распылительных п сублимационных сушилках, поскольку данные аппараты являются одними из самых энергозатратных, но при этом не заменимы в пищевой п химической промышленности. Необходимость использования этих способов сушки связана с большим количеством жидких и пастообразных пищевых продуктов, а также химических веществ, при обработке которых требуется не только сохранить их цвет, аромат, вкус, витамины и микроэлементы, содержащиеся в исходном сырье, но и получить требуемые свойства. При реализации данных процессов сушки важно учитывать не только эффективное энергоиспользование, но и качество готового обезвоженного продукта. Одним пз методов создания нового эффективного оборудования является комбинирование различных аппаратов с целью совмещения их технологических п эксплуатационных функций и тем самым получения более совершенного оборудования, объединяющего наиболее полезные элементы его прототипов. Подобное слияние возможно в случае распылительной и сублимационной сушки, технический результат которого -снижение энергозатрат и интенсификация процесса обезвоживания жидких и пастообразных продуктов. Предложена альтернативная конструкция комбинированной распылительной сублимационной сушилки. Преимуществом данной сушилки является то, что она комбинирует в себе элементы распылительной сушилки и сублимационной, на выходе из которой получается высококачественный продукт. Таким образом, предложенная альтернативная конструкция комбинированной распылительной сублимационной сушилки позволяет достичь баланса между конструкционной сложностью аппарата, расходом электроэнергии и качеством готового продукта.
Summary. Modern development of drying apparatus find ways to reduce their energy consumption. It is the most important when drying takes place in spray and sublimation dryers, because these devices one of the most energy-intensive, but not interchangeable in the food and chemical industries. The need of use this ways of drying methods explains large number of liquid and pasty food products and chemicals, for which you want to keep their color, aroma, taste, vitamins and minerals contained as in the feedstock. In the implementation of these drying processes important to consider efficient energy using and the quality of the finished dehydrated product. One of the methods of creation new efficient equipment is a combination various devices with the aim of combining their technological and operational features. Such merger is possible with spray dryer and sublimation dryer. The technical result is the reduction of energy consumption and the intensification process of dehydration liquid and paste products. In this work, we propose alternative design of the combined spray sublimation dryer. Advantages of this dryer is combines elements of the spray dryer and sublimation dryer. So, the proposed alternative design of the combined spray sublimation dryer allow achieve balance between structural complexity of the apparatus, power consumption and quality of the finished product.
© Емельянов А.Б., Мягков A.A., Кононов H.P., 2017
100
промышленности
Ключевые слова: сублимационная сушка, распылительная сушки, комбинирование, интенсификация.
Keywords: sublimation drying, spray drying, combining, intensification.
Современное развитие сушильных установок направленно на поиски путей снижения энергозатрат. Это особенно важно при обезвоживании продуктов в распылительных и сублимационных сушилках, поскольку данные аппараты являются одними из самых энергозатратных, но, при этом незаменимы в пищевой и химической промышленности. Необходимость использования этих способов сушки связана с большим количеством жидких и пастообразных продуктов, а также веществ, при обработке которых требуется не только сохранить их цвет, аромат, вкус, витамины и микроэлементы, содержащиеся в исходном сырье, но и получить требуемые свойства.
Нередко появляется необходимость сушить жидкие пищевые продукты, а также химические вещества, обладающие особыми ароматическими или вкусовыми свойствами, полезными микроэлементами, но при этом использование распылительной сушилки не позволит сохранить эти качества в состоянии, близком к исходному [5], поэтому сушку таких продуктов целесообразно производить методом сублимации. Такими продуктами могут являться различные соки, ягодные пюре, молоко и молочные продукты, различные красители и многое другое [1]. При реализации данных процессов сушки важно учитывать не только эффективное энергоиспользование, но и качество готового обезвоженного продукта. Создание надежного оборудования, которое удовлетворяло бы обоим требованиям, является ключевой задачей модернизации сушильных установок.
Одним из методов создания нового эффективного оборудования является комбинирование различных аппаратов с целью совмещения их технологических и эксплуатационных функций и тем самым получения более совершенного оборудования, объединяющего наиболее полезные элементы его прототипов [6]. Подобное слияние возможно в случае распылительной и сублимационной сушки, технический результат которого - снижение энергозатрат и интенсификация процесса обезвоживания жидких и пастообразных продуктов. Так, В.В. Касаткин предложил метод испарительного самозамораживания и сублимационной сушки жидких термолабильных продуктов [3]. Им была разработана лабораторная сублимационная установка для мелкодисперсных жидких частиц УСС - НД - КЭ - Ж - 01, которая была преобразована в установку с комбинированным энергоподводом для непрерывной сублимационной сушки термолабильных материалов для промышленного использования (рис. 1) [4]. В аппарате применен комбинированный метод энергоподвода: лучистое ИК-излучение, СВЧ и УЗИ, досушка продукта производится инертным газом в поле УЗИ.
Рис. 1. Установка с комбинированным энергоподводом для непрерывной сублимационной сушки термолабилъных материалов: 1 - форсунка; 2 - ИК-излучателъ; 3 - дисублимато-ры; 4 - источники ультразвука; 5 рассеивателъ; б - холодильная машина; 7 - датчик контроля давления в рабочей камере аппарата; 8 - разгрузочный шнек; 9 - электропривод; 10 - дозатор; 11 - насос; 12 - вакуумный насос; 13 - термостат; 14 - резервуар; 15 - вакуумный затвор; 16- источники СВЧ; 17 - устройство отбора проб
На рис. 1 показана принципиальная схема установки сублимационной сушки для обезвоживания термолабильных продуктов с комбинированным энергоподводом. Аппарат включает в себя сушильную камеру цилиндрической формы с источниками СВЧ 16 и ультразвука 4. В верхней части сушильной камеры расположен распылитель, над которым закреплен ИК-излучатель 2. В камере имеется десублиматор 3, а также через шиберный затвор к ней подключен вакуумный насос 12. В нижней части аппарата через вакуумный затвор 15 рабочая камера соединена с разгрузочным шнеком 8. Исходный продукт дозатором 10 подается из резервуара 14 и распыляется через ультразвуковую форсунку 1 в рабочую камеру аппарата. Капли исходного сырья в процессе полета охлаждаются и замерзают за счет интенсивного испарения влаги в вакууме. При этом частички подвергаются воздействию лучистой энергии ИК-излучателя 2. Далее капли с высушенным верхним слоем летят вниз в сушильную камеру. Сушильный агент на стадии удаления остаточной влаги подается в нижнюю часть сушильной камеры через термостат 13 насосом 11 в рассеиватель 5. В сушильной камере имеется устройство отбора проб 17, которое при наладке технологического процесса позволяет снимать пробы в зонах контроля температуры и глубины вакуума. После образования вакуума в распылительной камере начинают работу десублиматоры 3 и ИК-излучатели 2, и через форсунку 1 подается исходное сырье. Начинается криогранулирование капель продукта в поле ИК-излучения при температуре де-сублиматоров -35 °С, поддерживаемой холодильной машиной 6. Одновременно подают сушильный агент, нагретый до температуры + 20...+ 40 °С. Количество подаваемого агента регулируют так, чтобы давление в камере, контролируемое датчиком 7, на уровне т0 не поднималось выше 100 Па. При достижении продуктом в камере сушки уровня т0 включается УЗИ, на уровне т5 включается СВЧ, а при достижении уровня отметки тбОО вводится в действие шнек электроприводом 9, и начинается выгрузка сублимированного продукта. Процесс сушки идет непрерывно под воздействием ультразвука и СВЧ-энергии в принудительном потоке инертного газа. Уровень высушиваемого криогранулянта в камере сушки поддерживается системой управления на отметке тбОО [4].
В качестве недостатков данной конструкции можно отметить высокие энергозатраты из-за использования большого количества источников тепла. Помимо этого окончательная досушка материала производится не методом сублимации, а теплоносителем, что, несомненно, снижает качество готового продукта. ИК-излучатели, установленные в верхней части аппарата, производят первичный этап сушки частиц, после чего продукт подвергается воздействию СВЧ. Так как частицы уже потеряли некоторый процент своей влаги, то при неверной настройке источников СВЧ их воздействие может вызвать ожоги продукта, а значит и его порчу.
Еще одна конструкция, совмещающая сублимационную и распылительную сушилки, была предложена C.B. Шаховым (рис. 2) [2].
1
Сухой продукт
Рис. 2. Сублимационная распылительная сушилка для обезвоживания жидких продуктов: 1 -сублимационная камера; 2, 3 - патрубки; 4 - ИК-излучатели; 5 - шлюзовой затвор; б - гранулятор
Жидкий продукт посредством патрубка 2 поступает в испарительную камеру 7 гранулятора 6 (рис. 3), где интенсивно испаряется и с помощью фокусирующих насадок 11, препятствующих его разбрызгиванию, поступает в испарительную ванну 9 с нагревателями 10, где происходит частичная концентрация раствора за счет вакуум-выпаривания. Далее продукт с помощью насоса 12 и механической форсунки 13 распыляется через отверстие в перегородке 8 в сублимационную камеру 1. Блокировки механической форсунки 13 не происходит, так как она расположена внутри испарительной камеры 7, где поддерживается давление выше давления тройной точки воды путем создания гидравлического сопротивления выходу паров посредством перегородки 8. Далее распыленный продукт самозамораживается в сублимационной камере 1 и сушится под действием источников ИК-нагрева 4. Высушенный продукт выгружается из сушилки с помощью шлюзового затвора 5 [2].
^ I /
13
12
11
Жидкий продукт
9
10
5
7
Рис. 3. Гранулятор: 7 - испарительная камера; 8- перегородка; 9 - испарительная ванна; 10 - нагреватели; 11 - фиксирующие насадки; 12 - насос; 13 - механическая форсунка
Данная конструкция позволяет высушивать жидкие и пастообразные продукты методом сублимации. Несмотря на то, что размер распиливаемых частиц очень мал, им требуется незначительное время для самозаморозки и куда больше времени для качественной сушки. Время пребывания частиц во взвешенном состоянии, то есть с момента распыла и до их попадания в шлюзовой затвор, очень мало и может быть увеличено только за счет увеличения высоты рабочей камеры аппарат, что является неэффективным решением, поэтому есть риск на выходе получить недосушенный продукт, так как процесс сублимационной сушки происходит значительно дольше чем процесс распылительной сушки, и время витания частиц может оказаться недостаточным. Пока продукт находится в трубопроводе и в форсунке на него оказывается давление, его самозаморозка происходит только при его попадании в сублимационную камеру. Самозаморозка частицы осуществляется быстро, но не в момент отрыва, поэтому форсунка не блокируется, однако ее необходимо подогревать для повышения эксплуатационной надежности. Альтернативная конструкция комбинированной распылительной сублимационной сушилки представлена на рис. 4.
К дакуум-насосу и двсубпинатору
Подача сырья
Рис. 4. Комбинированная распылительная сублимационная сушилка: 1 - полки; 2 - тарелки; 3 - ИК-излучатели; 4 -разгрузочные устройства; 5 - трубопровод; 6 - форсунки
Аппарат работает следующим образом. Жидкий продукт движется по трубопроводу 5, как показано стрелками на рис. 4. Форсунки 6 распыляют продукт на 360°. Длина распыла настраивается так, чтобы дисперсные частицы, вылетевшие из форсунки, имели траекторию движения, показанную на рис. 4 пунктирными стрелками. Так как в сушильной камере создан вакуум, распыленные частиц подвергаются эффекту самозаморозки. К моменту их приземления на пристеночный край тарелки 2 они полностью замораживаются. Сушка частиц происходит сублимационным методом. Над тарелками установлены ИК-излучатели 3, которые сообщают энергию высушиваемому продукту. Так как частицы очень малы, процесс сушки происходит быстро. Тарелки прикреплены к внутренней стороне корпуса сушильной камеры и расположены под некоторым углом к горизонту. Это позволяет высушиваемым частицам скатываться по ним как по наклонному желобу. Однако чтобы скатывание происходило не слишком быстро и частицы успевали высушиться, в противодействие к силе тяжести добавляется центробежная сила, выбрасывающая частицы к периферии. Тарелки вращаются с такой скоростью, чтобы центробежная сила замедляла скатывание до определенной скорости, но не как не уравновешивала силу тяжести. ИК-излучатели крепятся к полке 1 с нижней стороны, а тарелки - с верхней. Продукт медленно скатывается по тарелке и одновременно подвергается воздействию ИК-излучения. К тому моменту, когда он достигает края тарелки, влажность в частице достигает нужной величины, после чего продукт спадает с тарелки и ссыпается вниз. На дне сушильной камеры расположены разгрузочные устройства 4, оснащенные клапанами и не пропускающие в камеру воздух из атмосферы. Сушилка может содержать любое необходимое количество полок с тарелками и ИК-излучателями, что позволяет создавать аппараты нужной производительности. Данный аппарат может найти важным преимуществом данной сушилки является то, что она комбинирует в себе элементы распылительной сушилки и сублимационной, на выходе из которой получается высококачественный продукт.
Таким образом, предложенная альтернативная конструкция комбинированной распылительной сублимационной сушилки позволяет достичь баланса между конструкционной сложностью аппарата, расходом электроэнергии и качеством готового продукта.
ЛИТЕРАТУРА
1. Шахов, C.B. Разработка вакуум-сублимационной сушилки для обезвоживания жидких продуктов [Текст]/ C.B. Шахов, Г.И. Мосолов, P.A. Барыкин // Вестник Международной академии холода.- 2014.- № 3.- С. 58-60.
2. Касаткин В.В. Научное обоснование энергосберегающих электротехнологий и оборз^дования сублимационной сушки жидких термолабильных продуктов пищевого назначения [Текст]: автореф. дис. д-р. техн. наук. / Касаткин В.В. -Пушкин, 2004.
3. Патент № 2278338 РФ Установка с комбинированным энергоподводом для непрерывной сублимационной сушки термолабильных материалов [Текст]/ Касаткин В.В., Фокин В.В., Карпов В.Н., Литвинюк Н.Ю., Главатских Н.Г., Касаткина В.В.; заявл. 05.01.2004; опубл. 10.06.2005, Бюл. № 16.
4. Гавриленков, А.М, Экологические аспекты интенсификации конвективной сушки [Текст]/ А.М. Гавриленков, А.Б. Емельянов, A.B. Шаров// Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. - 2012. - № 3.-С. 137- 139.
5. Шахов, С.В. Экспериментальные исследования процесса вакуум-сублимационной сушки термолабильных продуктов с использованием комбинированного энергоподвода [Текст]/ Шахов С.В, Вострикова А.Г., Кононов Н.Р., Тимур-бекова А.К.// Матер. Междунар. науч.-практ. конф. «Современное научное знание: теория, методология, практика». - 2016. - С. 84-85.
6. Кононов, Н.Р. Моделирование процесса вакуум-сублимационной сушки с использованием теплоты фазовых превращений [Текст]/ Н.Р. Кононов // Сб. науч. раб. III Междунар. молодеж. конкурса «Молодежь в науке: новые аргументы». В 4 ч., 2016. - С. 175-178.
REFERENCES
1. Shakhov S.V., Mosolov G.I., Baiykin R.A. Razrabotka vakuum-sublimatsionnoy sushilki dlya obezvozhivaniya zhidkikh produktov [Development of a vacuum-freeze dryer for dehydration of liquid products] Vestnik Mezhdunarodnoy akademii kholoda, 2014, No 3, pp. 58-60 (Russian).
2. Kasatkin V.V. Nauchnoe obosnovanie energosberegayushchikh el-ektrotekhnologiy i oborudovaniya sublimatsionnoy sushki zhidkikh termolabil'nykh produktov pishchevogo naznacheniya [Scientific substantiation of energy-saving technology and equipment for sublimation drying liquid thermolabile products and destination]: Avtoref. dis. dokt. tekhn. nauk, Pushkin, 2004 (Russian).
3. Kasatkin V.V., Fokin V.V., Karpov V.N., Litvinyuk N.Yu., Glavatskikh N.G., Kasatkina V.V. Ustanovka s kombinirovannym energopodvodom dlya nepreryv-noy sublimatsionnoy sushki termolabil'nykh materialov [Installation with a combined energy supply for continuous sublimation drying of thermolabile materials], Patent RF 2278338, 2005 (Russian).
4. Gavrilenkov A.M, Emel'yanov A.B., Sharov A.V. Ekologicheskie aspekty intensi-fikatsii konvektivnoy sushki [Environmental aspects of convective drying] Vestnik VGTA, 2012, No 3, pp. 137-139 (Russian).
5. Shakhov S.V., Vostrikova A.G., Kononov N.R., Timurbekova A.K. Eksperi-mental'nye issledovaniya protsessa vakuum-sublimatsionnoy sushki termolabil'nykh produktov s ispol'zovaniem kombinirovannogo energopodvoda [Experimental research of process of vacuum-sublimation drying of thermolabile products using combined energy supply] Mater. Mezhdunar. nauch.-prakt. konf. «Sovremennoe nauchnoe znanie: teoriya, metodologiya, praktika», 2016, pp. 84-85 (Russian).
6. Kononov N.R. Modelirovanie protsessa vakuum-sublimatsionnoy sushki s ispol'zovaniem teploty fazovykh prevrashcheniy [Modeling of the process of vacuum freeze-drying using the heat of phase transformations] Sb. Nauch. rabot III Mezhdunar. molodezh. konkursa «Molodezh' v nauke: novye argumenty», v 4 ch., 2016, pp. 175-178 (Russian).
