СПОСОБ ВЛАГОТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ ЗЕРНА ГРЕЧИХИ
METHOD FOR WET-AND-HEAT TREATMENT OF BUCKWHEAT GRAINS

Изобретение относится к зерноперерабатывающей промышленности и может быть использовано в линиях переработки зернопродуктов, преимущественно зерна гречихи.
Известен способ автоматического управления процессом производства варено-сушеных круп [Патент РФ №2181015; Опубл. 10.04.2002; Бюл. №10], предусматривающий мойку, варку и сушку круп в среде перегретого пара.
Недостатками известного способа является то, что в нем не предусмотрены такие важные технологические процессы как пропаривание, разрыхление и охлаждение зерна, что не позволяет обеспечить его заданных структурно-механических свойств, зерно не выдерживает последующего механического воздействия при интенсивном шелушении и разрушается.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ гидротермической обработки зерна гречихи [Егоров Г.А. Технология муки. Технология крупы. - 4-е изд., перераб. и доп. Учебник. - М.: Колос, 2005. - 296 с. (с.248)], согласно которому зерно, очищенное от сорных и зерновых примесей на зерновом сепараторе и триере и пропущенное для улавливания ферропримесей через магниты, подают в пропариватель и подвергают обработке паром при давлении 0,25…0,30 МПа в течение 3…5 минут, после пропаривания зерно в течение 30 минут выдерживают в закроме для усиления преобразования структурно-механических и технологических свойств зерна, затем его подсушивают, охлаждают и после просеивания направляют на шелушение. Влажность зерна при этом снижается до 12,5…14,5%.
Известный способ имеет следующие недостатки:
- невысокая эффективность сушки зерна гречихи, т.к. значительная часть теплоты выбрасывается в атмосферу с отработанным сушильным агентом;
- не реализованы основные принципы энергосбережения, к которым относятся, прежде всего, рекуперация и утилизация вторичных энергоресурсов, замкнутые рециклы;
- не предусмотрена предварительная подсушка зерна воздухом и его разрыхление в виброкипящем слое, обеспечивающая высокие сыпучие свойства зерновой массы при движении за счет сил гравитации, равномерность подсушивания при удалении поверхностной и осмотически связанной влаги;
Технической задачей изобретения является повышение энергетической эффективности сушки за счет использования в качестве теплоносителя перегретого пара, снижение удельных энергозатрат и создание экологически чистой, ресурсосберегающей технологии влаготепловой обработки за счет организации рециркуляционных схем по энергетическим потокам.
Поставленная техническая задача изобретения достигается тем, что в способе влаготепловой обработки зерна гречихи, включающем очистку от сорных и зерновых примесей, улавливание ферропримесей, пропаривание в течение 3…5 мин при давлении пара 0,25…0,30 МПа, термовлаговыравнивание в течение 30 минут, сушку и охлаждение зерна, новым является то, что после термовлаговыравнивания перед сушкой осуществляют предварительный подогрев зерна в камере нагрева с газораспределительной решеткой до температуры 40…42°С и разрыхление слоя зерна воздухом со скоростью 6…8 м/с в виброкипящем слое с частотой вибрации газораспределительной решетки 7…10 Гц и амплитудой колебания 3…7 мм при снижении влажности зерна с 21…23% до 15…17%, сушку зерна осуществляют до влажности 12…14% при температуре 95…100°C перегретым паром в кипящем слое с температурой 120…130°C и скоростью движения 0,6…0,8 м/с, причем отработанный воздух после предварительного подогрева зерна сначала направляют в циклон для очистки от содержащихся в нем взвешенных твердых частиц, а затем подвергают осушению до влагосодержания 0,005…0,007 кг/кг в двухсекционном испарителе теплонасосной установки, рабочая и резервная секции которого попеременно работают в режимах конденсации и регенерации, и далее осушенный воздух после рабочей секции испарителя подают на охлаждение высушенного зерна, после чего нагревают в конденсаторе теплонасосной установки до температуры 75…77°C и подают на предварительный подогрев зерна с образованием замкнутого цикла, используя при этом парогенератор с электронагревательными элементами и предохранительным клапаном для получения насыщенного пара, одну часть которого перегревают в пароперегревателе до температуры 120…130°C и подают на сушку зерна, а другую направляют на регенерацию поверхности охлаждающего элемента резервной секции испарителя, образовавшийся при этом конденсат отводят в сборник конденсата и затем в режиме замкнутого цикла вновь подают в парогенератор, а отработанный перегретый пар после сушки с температурой 105…110°C подают на пропаривание зерна.
На фиг. представлена схема, реализующая предлагаемый способ влаготепловой обработки зерна гречихи.
Схема содержит пропариватель 1; питатели 2, 3, бункеры для термовлаговыравнивания 4; норию 5; камеру предварительного подогрева и разрыхления слоя зерна 6 с виброприводом 7 и газораспределительной решетки 8; вентиляторы 9, 10, 11; сушилку 12; камеру охлаждения 13; парогенератор 14 с предохранительным клапаном 15; пароперегреватель 16; тепловые электронагревательные элементы 17, 18; сборник конденсата 19; циклон 20; компрессор 21; конденсатор 22; терморегулирующий вентиль 23; секции испарителя 24, 25; распределители потока 26, 27, 28, 29; насос 30; линии материальных и энергетических потоков: 0.2 - исходное зерно; 0.2.1 - пропаренное зерно; 0.2.2 - подсушенное зерно; 0.2.3 - высушенное зерно; 0.2.4 - взвешенные твердые частицы; 0.2.5 - охлажденное зерно; 2.1 - насыщенный пар; 2.2 - перегретый пар; 2.3 - отработанный перегретый пар; 1.8 - конденсат; 3.0 - отработанный воздух; 3.1 - кондиционированный воздух, 3.2 - воздух после охлаждения зерна; 3.3 - горячий воздух; 5.2 - хладагент.
Способ влаготепловой обработки зерна гречихи осуществляют следующим образом.
Зерно, очищенное от сорных и зерновых примесей на зерновом сепараторе и триере и пропущенное для улавливания ферропримесей через магниты, подают в пропариватель 1 с помощью питателя 2 и подвергают обработке паром при давлении 0,25…0,30 МПа в течение 3…5 минут, после пропаривателя зерно с влажностью 19…20% с помощью питателя 3 по линиям 0.2.1 направляют в бункеры для термовлаговыравнивания 4, где в течение 30 минут выдерживают для усиления преобразования структурно-механических и технологических свойств.
Выдержанное в бункерах 4 зерно посредством нории 5 подают в камеру предварительного нагрева 6, где осуществляют нагрев зерна до температуры 40…42°C и разрыхление слоя зерна воздухом, подаваемым вентилятором 9 со скоростью 6…8 м/с, в виброкипящем слое с частотой вибрации 7…10 Гц и амплитудой колебания 3…7 мм, создаваемой виброприводом 7 газораспределительной решетки 8. В ходе предварительного нагрева из зерна удаляется поверхностная и осмотически связанная влага, влажность зерна снижается с 21…23% до 15…17%, обеспечивается равномерность конвективного тепло-массообмена между воздухом и зерном, повышаются сыпучие свойства зерновой массы при гравитационном перемещении зерна за счет преодоления сил сцепления между отдельными зернами. Предварительный нагрев зерна создает условия для ускорения последующей сушки, которую осуществляют в камере сушки 12 перегретым паром в кипящем слое с температурой 120…130°С и скоростью движения 0,6…0,8 м/с до достижения влажности зерна 12…14% и температуры 95…100°C. Высушенное зерно охлаждают в камере охлаждения 13 и отводят на шелушение по линии 0.2.5.
Отработанный воздух после предварительного нагрева зерна направляют по линии 3.0 в циклон 19 для очистки от содержащихся в нем взвешенных твердых частиц, отводимых по линии 0.2.4 в отходы, а затем с помощью распределителя потока 26 подают в рабочую секцию испарителя 24 теплонасосной установки и подвергают осушению до влагосодержания 0,005…0,007 кг/кг, и далее осушенный воздух после рабочей секции испарителя подают по линии 3.1 на охлаждение высушенного зерна до температуры 20…25°C в камеру охлаждения 13, после чего по линии 3.2 направляют в конденсатор 22 теплонасосной установки, где нагревают до температуры 75…77°C и вновь подают по линии 3.3 на предварительный подогрев зерна с образованием замкнутого цикла.
Теплонасосная установка, включающая рабочую 24 и резервную 25 секции испарителя, компрессор 21, конденсатор 22, терморегулирующий вентиль 23, работает по следующему термодинамическому циклу.
Хладагент (рабочее тело) всасывается компрессором 21, сжимается до давления конденсации и направляется в конденсатор 22. Конденсируясь, он отдает теплоту воздуху, который, нагреваясь до температуры 75…77°C, подается в камеру предварительного нагрева зерна 6. Затем хладагент направляется в терморегулирующий вентиль 23, где дросселируется до заданного давления. С этим давлением хладагент посредством распределителя потока 29 поступает в рабочую секцию 24 испарителя и испаряется с выделением холода. Пары хладагента по замкнутому контуру 5.2 через распределитель потока 28 направляются в компрессор 21, сжимаются до давления конденсации и термодинамический цикл повторяется.
Для получения пара используют парогенератор 14 с электронагревательными элементами 17 и предохранительным клапаном 15. Полученный насыщенный пар по линии 2.1 распределяют на два потока: один перегревают в пароперегревателе 16 посредством электронагревательных элементов 18 до температуры 120…130°C и по линии 2.2 подают на сушку зерна в камеру сушки, а другой направляют с помощью распределителя потока 26 на регенерацию поверхности охлаждающего элемента резервной секции испарителя 25, образовавшийся при этом конденсат отводят по линии 1.8 в сборник конденсата 19 и затем в режиме замкнутого цикла насосом 30 вновь подают в парогенератор 14 для пополнения убыли воды. Предусмотрена подпитка системы свежей водой через сборник конденсата 19 по линии 1.8.
Отработанный перегретый пар после сушки с температурой 105…110°C по линии 2.3 подают на пропаривание зерна в пропариватель 1.
В случае технологических и аварийных сбоев в работе парогенератора, связанных с возможным увеличением давления насыщенного водяного пара в его рабочем объеме, предусмотрен предохранительный клапан 15.
Пример реализации способа
Способ влаготепловой обработки зерна гречихи реализован для поточной линии производительностью по готовому продукту 4,9…5,1 т/ч.
Для повышения энергетической эффективности технологической линии использовался компрессорно-конденсаторный агрегат, работающий в режиме теплового насоса, со следующими характеристиками:
Компрессор одноступенчатый двухцилиндровый
ФВ - 4/4,5;
Хладагент (фреон-12)
R12;
Холодопроизводительность, кВт
15…20;
Диапазон температур кипения, °C
-25…0;
Конденсатор воздушный, ребристый, м<sup>2</sup>
15;
Площадь охлаждающей поверхности
испарителя, м<sup>2</sup>
20;
Допустимые пределы изменения
коэффициента теплопередачи, Вт/м<sup>2</sup>·К
3,8…5,0;
Температура хладагента на входе в испаритель, К
263…273.
Воздух с влагосодержанием 0,005 кг/кг после испарителя теплонасосной установки подается в камеру охлаждения, после которой его влагосодержание повышается незначительно и составляет 0,007 кг/кг. С этим влагосодержанием воздух подается в камеру предварительного нагрева зерна.
Низкотемпературные режимы предварительного нагрева зерна гречихи воздухом с пониженным влагосодержанием приводят к интенсивному влагоудалению поверхностной и осмотически связанной влаги и ее уносу из рабочего объема камеры предварительного нагрева.
На выходе из камеры предварительного нагрева влагосодержание отработанного воздуха составляет 0,014 кг/кг.
3
В соответствии с кинетическими закономерностями влагоудаления расход воздуха с температурой 75…77°C на 1 т продукта составляет 2500 м. Следовательно, количество влаги, унесенной отработанным воздухом с поверхности зерен гречихи из камеры предварительного нагрева при производительности линии 5 т/ч, определяется следующим образом:
вых
вх
св
кк
U=(x-x)ρGν=(0,014-0,005)·1,0·5·2500=112,5 кг/ч,
кк
3
здесь G - производительность поточной линии, т/ч; ν - удельный расход воздуха, м/т.
2
Полученное количество влаги необходимо сконденсировать на поверхности охлаждающего элемента рабочей секции испарителя в виде снеговой шубы, предельно допустимая толщина которой не должна превышать 15 мм. В процессе конденсации влаги отработанный воздух охлаждается до температуры 7°C, что соответствует интервалу значений коэффициента теплопередачи от хладагента к воздуху через стенку охлаждающего элемента 3,8…5,0 Вт/м·К. При снижении коэффициента теплопередачи ниже заданного интервала значений переключают рабочую секцию испарителя с режима конденсации на режим регенерации, а резервную секцию с режима регенерации на режим конденсации.
Конденсат, образовавшийся при размораживании секции испарителя, работающей в режиме регенерации, используется для получения пара в парогенераторе.
3
Насыщенный пар на процесс сушки подается под давлением 0,2 МПа, что соответствует 120°C и удельному объему пара 0,892 м/кг. При норме массового расхода пара 260 кг на 1 тонну зерна, составляющей 12% от его расхода, объемный расход пара составит:
n
n
кк
3
Q=q·0,12G·V=260·0,12·16·0,892=445,3 м /ч,
n
где q - удельный массовый расход пара, кг/т.
3
3
Пусть на размораживание секции испарителя, работающей в режиме регенерации, необходимо установить расход пара 100 м/ч, тогда с учетом общего потребления пара на процессы сушки, пропаривания и на размораживание резервной секции испарителя производительность парогенератора должна поддерживаться на уровне 545,3 м/ч путем воздействия на мощность электронагревательных элементов парогенератора.
Таким образом, предлагаемый способ влаготепловой обработки зерна гречихи позволяет создать условия для реализации энергетически эффективной технологии в непрерывном режиме эксплуатации основного и вспомогательного оборудования.
Дополнительные технологические приемы позволяют реализовать предлагаемый способ как энергосберегающую и экологически безопасную технологию, в частности обеспечить охлаждение воздуха с применением теплонасосной установки в замкнутом контуре его рециркуляции и снизить при этом окисление продукта кислородом воздуха (чисто технологическая задача), устранить выброс пылевидной фракции с отработанным воздухом в атмосферу (экологическая задача), использовать рекуперацию теплоты конденсации хладагента в конденсаторе теплонасосной установки для нагрева воздуха (задача энергосбережения). В предлагаемом способе решается комплексная задача рационального энергоснабжения новых технологических операций, посредством которых осуществляется воздействие на зерно, что приобретает особую актуальность применения способа на предприятиях малой мощности, фермерских хозяйствах, миникрупоцехах и делает способ более привлекательным для специалистов зерноперерабатывающей промышленности.
В табл.1 представлены показатели качества зерна гречихи при гидротермической обработке известным и предлагаемым способами перед шелушением.
В табл.2 представлен выход крупы и отходов при гидротермической обработке зерна гречихи.
В табл.3 представлены результаты сравнения показателей качества гречневой крупы, выработанной из пропаренного зерна гречихи.
Таблица 1
Показатели
Способ
Известный
Предлагаемый
Влажность, %
14,5
14,0
Содержание ядра, %
71,0
72,0
Сорная примесь, %
2,0
2,0
Испорченные зерна, %
0,3
0,2
Зерновая примесь, %,
3,0
2,0
в том числе:
обрушенные зерна
2,0
1,5
Проросшие зерна
1,0
0,7
Зараженность вредителями
отсутствует
отсутствует
Таблица 2
Продукты переработки, выход, %
Способ
Известный
Предлагаемый
Крупа гречневая ядрица
62,0
63,0
Крупа гречневый продел
5,0
4,0
Мучка кормовая
3,5
3,0
Отходы I и II категории
6,5
6,5
Отходы III категории, механические потери
0,7
0,7
Лузга
20,8
21,3
Усушка
1,5
1,5
Всего
100
100
Таблица 3
Показатели качества
Способ
Известный
Предлагаемый
Цвет
Коричневый разных оттенков
Коричневый однотонный
Запах
Свойственный, без посторонних
Свойственный, без посторонних
Вкус
Свойственный, без посторонних привкусов
Свойственный, без посторонних
Влажность, %
14,0
14,0
Доброкачественное ядро, %,
97,5
98,2
в том числе колотые ядра
5,0
3,5
Нешелушеные зерна, %
0,5
0,4
Сорная примесь, %
0,55
0,4
Мучка, %
-
-
Испорченные ядра, %
0,2
0,1
Развариваемость, мин
25
22
Зараженность вредителями хлебных запасов
-
-
Металломагнитная примесь, мг/кг
3,0
3,0
Плесневые грибы, клеток в 1 г
отсутствуют
отсутствуют
Бактерии группы кишечной палочки, в 1 г
отсутствуют
отсутствуют
Как видно из табл.1-3, что в результате более глубокой влаготепловой обработки зерна по предлагаемому способу гречневая ядрица имеет однотонный цвет за счет более равномерного протекания меланоидиновой реакции, выход доброкачественного ядра на 0,7% выше, а содержание колотых ядер на 1,5% ниже, чем в крупе из гречихи, прошедшей традиционную гидротермическую обработку.
Выход гречневой крупы (ядрицы) из зерна гречихи, прошедшего гидротермическую обработку (ГТО) по предлагаемому способу на 1,0% выше, а гречневого продела ниже, что свидетельствует о преимуществе данного способа.
Отклонение температурных и гидродинамических режимов при предварительном нагреве зерна воздухом и последующей сушки перегретым паром от заданных значений приводит к неизбежным теплоэнергетическим потерям и ухудшению качества готового продукта.
Предлагаемый способ влаготепловой обработки зерна гречихи позволяет:
- повысить эффективность сушки;
- стабилизировать температурный режим влаготепловой обработки зерна гречихи в области заданных значений, что позволяет обеспечить необходимые структурно-механические показатели продукта перед шелушением;
- снизить энергозатраты на тонну высушенного и охлажденного зерна на 10…15%;
- обеспечить экологически чистую технологию влаготепловой обработки зерна гречихи, поскольку энергетические потоки осуществляются в замкнутых контурах рециркуляции.