СПОСОБ ВАКУУМНОЙ СУБЛИМАЦИОННОЙ СУШКИ С КОНВЕКТИВНЫМ ПОДВОДОМ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ И УСТАНОВКА ВАКУУМНОЙ СУБЛИМАЦИОННОЙ СУШКИ
METHOD FOR VACUUM SUBLIMATION DRYING WITH CONVECTIVE INPUT OF THERMAL ENERGY AND VACUUM SUBLIMATION DRYING INSTALLATION

Изобретение относится к области пищевой, микробиологической и химической промышленности и может быть использовано для сублимационной сушки замороженных растворов или суспензий, сублимационной сушки замороженных пищевых продуктов.
Известен способ атмосферной сублимационной сушки, при котором через слой замороженного влагосодержащего продукта продувают нагретый воздух с низким парциальным давлением водяных паров. Проходя сквозь слой продукта, воздух отдает тепловую энергию замороженному продукту, которая затрачивается на сублимационное испарение влаги из продукта. Выходящий из слоя продукта охлажденный воздух с повышенным содержанием водяных паров подают к испарителю холодильной установки (в десублиматор), на поверхности которого происходит десублимация содержащейся в воздухе влаги. Охлажденный и осушенный воздух нагревают и вновь подают в слой замороженного продукта. Подачу воздуха осуществляют путем естественной циркуляции (свободная конвекция) или при помощи воздуходувного устройства (вынужденная конвекция).
Недостатком данного способа является значительная продолжительность сушки и снижение качества высушиваемого продукта вследствие долговременного контакта высушиваемого продукта с кислородом воздуха.
(См. Семенов Г.В., Касьянов Г.И. «Сушка сырья: мясо, рыба, овощи, фрукты, молоко». Учебно-практическое пособие. Серия «Технологии пищевых производств». Ростов н/Д: издательский центр «МарТ», 2002. с.82-87.)
Техническим результатом, достигаемым изобретением, является сокращение времени сушки и исключение контакта высушиваемого продукта с кислородом воздуха.
Поставленный технический результат достигается тем, что способ вакуумной сублимационной сушки с конвективным подводом тепловой энергии к высушиваемому продукту заключается в том, что в системе вакуумируемых камер (сосудов) в условиях разрежения:
a) осуществляют ректификационное разделение раствора воды в легкокипящем жидком гидрофильном агенте на паровую фракцию, обогащенную агентом, и на жидкую фракцию, обогащенную водой; жидкую фракцию выводят за пределы установки для удаления из нее воды путем вымораживания или ректификации, после чего агент возвращают в установку;
b) паровую фракцию нагревают и пропускают сквозь слой замороженного высушиваемого продукта, данный процесс осуществляют один или несколько раз;
с) осуществляют конденсацию паровой фракции, после чего сконденсированный раствор воды в жидком агенте направляют на ректификационное разделение в процессе «а».
В качестве легкокипящего жидкого гидрофильного агента предпочтительно применяют этиловый спирт.
Паровую фракцию нагревают при помощи калорифера. Нагрев паровой фракции осуществляют за счет низкопотенциального энергоносителя, например при помощи теплового насоса, и/или за счет высокопотенциального энергоносителя, например при помощи теплогенератора.
Испарение жидкости в процессе ректификационного разделения осуществляют за счет тепловой энергии конденсации паровой фракции, потенциал которой повышают посредством теплового насоса.
Поставленный технический результат достигается тем, что установка вакуумной сублимационной сушки с конвективным подводом теплоты к продукту содержит ректификационную колонну с кипятильником и дефлегматором, одну или несколько сушильных камер (сосудов), в которых находится замороженный высушиваемый продукт, один или несколько калориферов и конденсатор, образующие общую герметичную систему, а также вакуумный насос, поддерживающий в системе разрежение; в качестве рабочего тела установки применен легкокипящий гидрофильный агент, например этиловый спирт.
Конденсатор предпочтительно связан тепловым насосом с кипятильником ректификационной колонны, а дефлегматор охлаждается при помощи холодильной установки, например является испарителем холодильного агрегата.
Для проведения процесса сушки продукта в сублимационном режиме давление паровой смеси в системе вакуумируемых камер поддерживают на уровне, при котором парциальное давление паров воды в сушильных камерах не превышает давление «тройной точки», т.е. не превышает 610 Па.
Использование заявленного изобретения позволит исключить контакт высушиваемого продукта с кислородом воздуха. Обеспечит высокую скорость и равномерность подвода тепловой энергии к высушиваемому продукту за счет использования принудительной конвективной передачи тепловой энергии продукту с помощью парообразного рабочего тела (паровой фракции). Обеспечит высокую скорость отвода выделяющихся из продукта водяных паров за счет высокой объемной скорости потока разреженных паров рабочего тела. Высокая объемная скорость потока паров рабочего тела обеспечивается низкой плотностью и, соответственно, низкой вязкостью паров рабочего тела (при высоком разрежении в системе) и значительным перепадом давлений между зоной испарения и зоной конденсации рабочего тела. Значительный перепад давлений обеспечивается небольшим (20-30°C) температурным перепадом между зоной испарения (в кипятильнике ректификационной колонны) и зоной конденсации рабочего тела, что позволит возвращать теплоту конденсации паров рабочего тела в зону испарения при помощи теплового насоса. Высокая объемная скорость потока позволит повысить коэффициент теплопередачи от калорифера парам рабочего тела и коэффициент теплопередачи от паров рабочего тела к гранулам (частицам) высушиваемого продукта. Высокое разрежение в системе обеспечит низкое парциальное давление водяных паров в парах рабочего тела, не превышающее давление «тройной точки».
Сущность изобретения поясняется чертежом, где показан вариант устройства вакуумной сублимационной сушки с конвективным подводом теплоты к продукту.
Устройство содержит сушильные камеры 1 и 2 с замороженным высушиваемым продуктом, калориферы 3-5, конденсатор 6 и насадочную ректификационную колонну 7, в которой расположены кипятильник 8, дефлегматор 9, насадка 10 и распределители жидкости 11 и 12. Устройство также содержит насос 13, вакуумный насос 14, компрессор 15, дроссельный клапан 16. На трубопроводе, соединяющем конденсатор 6 и распределитель жидкости 11, расположен гидрозатвор 17. В качестве рабочего агента применен этиловый спирт.
Работа устройства осуществлена следующим образом.
Выходящую из ректификационной колонны 7 паровую фракцию, состоящую из паров спирта и водяных паров, в которой парциальное давление водяных паров не превышает давление «тройной точки», последовательно нагревают в калориферах 3 и 4 и подают в сушильную камеру 1 с замороженным высушиваемым продуктом. Проходя через слой продукта, паровая фракция охлаждается, передавая тепловую энергию продукту, из которого под действием полученного тепла происходит сублимация замороженной влаги. Проходящая через слой продукта паровая фракция насыщается водяными парами, однако из-за снижения общего давления парциальное давление водяных паров в смеси не повышается выше давления «тройной точки», вследствие чего сушка продукта во всем его слое происходит в сублимационном режиме.
Вышедшую из сушильной камеры 1 паровую фракцию нагревают в калорифере 5 и подают в сушильную камеру 2 с замороженным высушиваемым продуктом, в котором паровая фракция охлаждается, а из продукта осуществляется сублимация замороженной влаги. После сушильной камеры 2 паровая фракция с повышенным содержанием водяных паров (парциальное давление которых по-прежнему не превышает 610 Па) поступает в конденсатор 6, в котором паровая фракция конденсируется в водно-спиртовой раствор, который по трубопроводу самотеком через гидрозатвор 17 и распределитель жидкости 11 поступает на разделение в ректификационную колонну 7. Гидрозатвор 17 препятствует обратному перемещению паровой фракции из ректификационной колонны 7 непосредственно в конденсатор 6, минуя сушильные камеры 1 и 2. Рабочее разрежение в системе создают вакуумным насосом 14, а величину рабочего разрежения регулируют температурой конденсации паровой фракции в конденсаторе 6.
В ректификационной колонне 7 поступающий водно-спиртовой раствор разделяется на паровую фракцию с повышенным содержанием паров этилового спирта и пониженным содержанием водяных паров, а также на жидкую фракцию в виде водного раствора этилового спирта с повышенным содержанием воды и пониженным содержанием этилового спирта. Паровая фракция направляется через калориферы 3 и 4 в сушильную камеру 1, а жидкая фракция насосом 13 выводится за пределы установки для разделения на этиловый спирт, который возвращают в ректификационную колонну 7, и на воду, удаляемую из процесса. Часть жидкой фракции после насоса 13 через распределитель жидкости 12 возвращают в колонну 7 для непрерывного смачивания поверхности кипятильника 8.
Испарение части жидкой фракции в ректификационной колонне 7 осуществляют за счет теплоты конденсации паровой смеси в конденсаторе 6, потенциал которой повышают при помощи теплового насоса. Для этого пары хладагента, поступающие из змеевика конденсатора 6, сжимают компрессором 15 и подают в змеевик кипятильника 8, в котором при повышенном давлении и температуре пары хладагента конденсируются, передавая теплоту конденсации водному раствору этилового спирта, смачивающего внешнюю поверхность змеевика кипятильника 8, обеспечивая испарение раствора и образование паровой фракции. Сконденсированный в змеевике кипятильника 8 хладагент через дроссельный клапан 16 поступает в змеевик конденсатора 6, в котором при пониженном давлении и температуре испаряется, обеспечивая конденсацию паровой фракции в конденсаторе 6.
Для отвода избыточной тепловой энергии из установки, а также для образования необходимого количества флегмы, требующейся для работы ректификационной колонны 7, предназначен дефлегматор 9, охлаждение которого осуществляют при помощи внешнего холодильного агрегата. Сконденсировавшаяся на поверхностях дефлегматора 9 флегма стекает по насадке 10 в нижнюю часть ректификационной колонны 7, вступая в массообменные процессы с поднимающейся от кипятильника 8 паровой фракцией.
Так как паровая фракция, выходящая из верхней части ректификационной колонны 7, имеет низкую температуру, ее нагрев осуществляют в две ступени. На первой ступени нагрев паровой фракции осуществляют в калорифере 3, использующем для своей работы низкопотенциальный греющий агент, на второй ступени нагрев паровой фракции осуществляют в калорифере 4, использующем для своей работы высокопотенциальный греющий агент.