Исследование кинетики процесса распылительной сушки меланжа

УДК 664.8.047:536.24

О. Е. Губа, Ю. А. Максименко

ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ ПРОЦЕССА РАСПЫЛИТЕЛЬНОЙ СУШКИ МЕЛАНЖА

Представлены результаты экспериментально-аналитического исследования кинетики процесса сушки меланжа на установке распылительной сушки Ohkawara КакоЬИ OL/OC-L8. Целью исследований являлось определение рационального режима обезвоживания. В качестве варьируемых параметров были приняты начальная температура меланжа, температура сушильного агента и массовый расход продукта. Установлена зависимость удельной производительности сушилки от параметров, определяющих интенсивность тепломассообменных процессов при распылительной конвективной сушке меланжа. Разработаны рациональные режимные параметры и рекомендации для организации процесса сушки меланжа. Рекомендованные режимные параметры позволяют использовать типовые конструкции распылительных сушильных установок. Такие установки отличаются незначительными габаритами, т. е. их можно применять на предприятиях средней и малой мощности, удобны в эксплуатации, обслуживании и, кроме того, позволяют контролировать режимные параметры и оперативно управлять процессом. Полученная зависимость удельной производительности позволяет производить пересчет производительности по готовой продукции установок. В случае использования более габаритной сушильной установки необходима корректировка режимных параметров с учетом удельного съема и объема камеры. Рекомендовано, с целью увеличения мощности предприятий по сухому меланжу, вместо сушильной камеры большого объема использовать несколько параллельно работающих малогабаритных сушильных установок, чтобы исключить потери в случае непроизводственных простоев оборудования ввиду ремонта и обслуживания.

Ключевые слова: тепломассообмен, распылительная сушка, меланж, кинетика процесса сушки, процессы и аппараты пищевых производств.

Введение

Значительное место в структуре питания занимают разнообразные яйцепродукты, которые используются при производстве всевозможных соусов, кетчупов, майонезов; мясных и колбасных изделий; хлебобулочных и кондитерских изделий и других продуктов питания массового потребления. Использование нативных яичных продуктов значительно усложняет технологию и организацию выпуска продукции, увеличивает микробиологическую опасность производств. Применение в качестве сырья сухих яичных продуктов, в том числе меланжа, технологически рационально, что особенно актуально в условиях пищевых предприятий малой и средней мощности.

В технологии сухого меланжа-порошка наиболее энергоемкой и в то же время определяющей качественные показатели конечного продукта стадией является конвективная распылительная сушка. Исследования с целью совершенствования тепломассообменных процессов при производстве меланжа актуальны, а их результаты представляют значительный практический интерес.

Планирование и методика экспериментальных исследований

Исследование кинетики процесса сушки позволяет осуществлять математическую постановку задач выбора оптимального/рационального способа и режима сушки. Исследования конвективной распылительной сушки меланжа проводились на установке распылительной сушки Ohkawara КакоЬЫ ОЬ/ОС-Ь8.

К факторам, влияющим на интенсивность и удельную производительность процесса распылительной сушки, традиционно относятся: расход и температура сушильного агента и продукта; параметры факела распыления; начальная влажность высушиваемого продукта и др. [1].

В качестве варьируемых параметров приняты: начальная температура меланжа Гпрод, К; температура сушильного агента Тс.а, К; массовый расход продукта 0прод, кг/ч (табл. 1). Остальные факторы установлены в результате серии предварительных постановочных экспериментов и аналитических расчетов и приняты постоянными.

Конечная влажность меланжа-порошка Wк = 0,085 кг/кг принята на основании требований к физико-химическим показателям продуктов, регламентированных ГОСТ 30363-96 «Продукты яичные. Общие технические условия».

Верхний предел варьирования температуры продукта Гпрод = 298 К соответствует температуре в производственных помещениях. Нижний предел Т = 278 К соответствует температуре хранения жидких яичных продуктов и принят на основании результатов анализа технологии сухих яичных продуктов.

Факторы и уровни варьирования факторов

^^^^^^^ Фактор Уровень бпрод, кг/ч Тпрод, К Тс.а, К

1 1,5 278 423

2 2 288 473

3 2,5 298 523

Производительность по сухому меланжу-порошку, кг/ч:

Q = Qпрод (1 - К )К1 - К).

В качестве целевой функции выбрана удельная производительность установки, соответствующая съему сухого продукта с единицы объема камеры в единицу времени П, кг/(м3-ч) [2]:

п=

суш.камеры

3

где Ксуш. камеры - рабочий объем сушильной камеры, м .

При непрерывном процессе распылительной сушки длина пробега высушиваемых частиц, а следовательно, и продолжительность процесса определяются объемом сушильной камеры, т. е. фактически рабочий объем камеры является функцией времени сушки.

Зависимость объема сушильной камеры для установки Ohkawara Как^Ы OL/OC-L8 от времени сушки при среднем характерном размере распыленных частиц 20-30 мкм была установлена экспериментально:

V = 0,1286 • т

суш.камеры 5 суш -

где тсуш - экспериментальное время сушки, с.

По экспериментальным данным, полученным при определении текущей влажности высушиваемых частиц продукта (по высоте установки), были построены кривые сушки меланжа, ряд из которых, в качестве примера, представлен на рис. 1.

IV. кг кг

0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 о

\ 2

т, с

Рис. 1. Кривые сушки меланжа при Тпрод = 278 К и Тс.а = 423 К: 1 - при бпрод = 1,5 кг/ч; 2 - при б^д = 2 кг/ч

Кривые сушки применяли для определения удельной производительности.

Зависимость удельной производительности сушильной установки от влияющих факторов

На основе обработки результатов экспериментальных исследований получены адекватные математические линейно-степенные зависимости удельной производительности сушилки от влияющих факторов:

- при Тс.а = 423 К:

П(Т , Q ) = (0,0009483 • Q 2 - 0,5515358 • Q + 79,9619852) Т 2 +

у прод' -^прод у у ' -^прод ' -^прод ' у прод

+ (-0,0038319 • Q 2 + 2,2212084• Q -321,0069156) Т +

прод прод прод

+ (0,00385665 • Q 2 -2,2200269• Q + 319,5120096);

прод прод

- при Тс.а = 473 К:

П(Трод, Qпрод) = (-0,0050695 • Qпр0д2 + 2,88938 • Qпр0д -411,907072) ^ + + (0,02166455 • Qпрод2 -12,3496553 • Qпрод +1760,3712612) Тщод + + (-0,0212245 • Qпpод2 +12,114601 • Qпрод -1727,58915);

- при Тс.а = 523 К:

П(Тпрод, Qпрод) = (-0,00515025 • Qпрод2 + 2,9435955 • Qпрод -421,071408) ^ + + (0,01856005 • Qпрод2 -10,6544693 • Qпрод +1530,4948012) Тщод + + (-0,0151592 • Q 2 + 8,8056532 • Qпр0п -1277,5353368).

прод прод

На рис. 2 в качестве примера представлено поле значений удельной производительности при Тс.а = 523 К.

Рис. 2. Поле значений удельной производительности при Тса = 523 К

Установленная зависимость удельной производительности позволяет определить рациональный режим и максимальный выход готовой продукции для организации процесса сушки меланжа.

Совершенствование тепломассообменных процессов

Рациональные значения варьируемых параметров (Тс.а = 523 К; Тпрод = 298 К; 0прод = 1,5 кг/ч) и максимум целевой функции П = 3,062 кг/(м3-ч) были определены с помощью зависимостей (1)—(3) и опции «maximize» в среде Mathcad Professional.

Увеличение удельной производительности при увеличении начальной температуры продукта (рис. 2) очевидно, т. к. сокращаются затраты на прогрев, а следовательно, и продолжительность процесса сушки, однако верхний предел начальной температуры ограничен на основе анализа результатов предварительных исследований (Гпрод = 298 К) для исключения перегрева продукта при обезвоживании.

При возрастании температуры сушильного агента производительность установки существенно увеличивается (рис. 2), однако при этом повышается температура продукта. Общеизвестно, что при обезвоживании, для исключения денатурации белков, температура яичной массы не должна превышать 328-338 К. Термовоздействие при температуре ^прод > 328 К резко снижает качество меланжа вследствие термического разложения ценных компонентов. Анализ качественных показателей меланжа-порошка, в ходе комплекса экспериментальных исследований, позволил рекомендовать верхний предел температуры сушильного агента Тс.а = 523 К.

Зависимость удельной производительности от массового расхода меланжа 0прод носит экстремальный характер (рис. 2), что объясняется неоднозначным влиянием на целевую функцию массового расхода. С одной стороны, увеличение расхода определяет увеличение выхода сухого продукта, с другой - приводит к росту продолжительности процесса, а соответственно, к увеличению рабочего объема сушильной камеры. Верхний предел QпрoД = 2,5 кг/ч ограничен и определен в результате предварительных экспериментальных исследований при условии обеспечения надежной работы механического дискового распылителя для достижения номинальных режимов процесса распыления и устойчивых параметров факела распыла.

Выводы

В ходе исследований было установлено, что максимальное значение удельной производительности по меланжу-порошку П = 3,06 кг/(м3-ч) достигается при следующем рациональном режиме: Тс.а = 523 К; Тпрод = 298 К; Qпрoд = 1,5 кг/ч. Рекомендованные режимные параметры позволяют использовать типовые конструкции распылительных сушильных установок, в частности РС-10Ф, РС-20 и т. д. Данные конструкции отличаются незначительными габаритами, что позволяет применять их на предприятиях средней и малой мощности, удобны в эксплуатации, обслуживании и, кроме того, позволяют контролировать режимные параметры и оперативно управлять процессом.

Полученная зависимость удельной производительности позволяет производить пересчет производительности по готовой продукции установок. В случае использования более габаритной сушильной установки необходима корректировка режимных параметров с учетом удельного съема и объема камеры.

С целью увеличения мощности предприятий по сухому меланжу, вместо сушильной камеры большого объема целесообразно использовать несколько параллельно работающих малогабаритных сушильных установок, что позволяет исключить потери в случае непроизводственных простоев оборудования ввиду ремонта и обслуживания.

Дальнейшие теоретические и экспериментальные исследования комплекса физико-химических характеристик объекта исследования, статики процесса сушки позволят разработать рекомендации по рациональному проектированию конструкции сушильного аппарата, а также физико-математические модели тепломассопереноса для оперативного управления процессом обезвоживания.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Губа О. Е. Разработка рациональных способа конвективной сушки для жидких продуктов в диспергированном состоянии и конструкции для его осуществления / О. Е. Губа, Ю. А. Максименко, С. А. Терешонков // Пищевая промышленность. 2010. № 10. С. 24-25.

2. Максименко Ю. А. Моделирование и совершенствование тепломассообменных процессов при конвективной сушке растительного сырья в диспергированном состоянии / Ю. А. Максименко // Вестн. Астра-хан. гос. техн. ун-та. Сер.: Управление, вычислительная техника и информатика. 2013. № 2. С. 19-24.

Статья поступила в редакцию 15.10.2014

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Губа Оксана Евгеньевна - Россия, 414056, Астрахань; Астраханский инженерно-строительный институт; старший преподаватель кафедры «Инженерные системы и экология»; OksanaGuba2308@mail.ru.

Максименко Юрий Александрович - Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; канд. техн. наук, доцент; доцент кафедры «Технологические машины и оборудование»; amxs1@yandex.ru.

O. E. Guba, Yu. À. Maksimenko

STUDY OF KINETICS OF THE PROCESS OF MELANGE SPRAY DRYING

Abstract. The results of experimental and analytical study of the kinetics of melange drying using the spray dryer Ohkawara Kakohki OL/OC-L8. The aim of the study is to establish a rational mode of dehydration. The initial temperature of melange, the temperature of drying agent and mass flow rate of the product are taken as the variable parameters. The dependence of the specific capacity of the dryer on the parameters that determine the intensity of the heat and mass transfer processes during spray convective drying of melange is fixed. The rational regime parameters and recommendations for the process of drying of melange are developed. The recommended operating parameters allow using the standard design of spray dryers. Such units differ in small size, i. e. they can be used at the enterprises of small or average power, they are easy to be operated, serviced and, besides, help control the mode parameters and operate the process successfully. The resulting dependence of the specific performance allows to make revaluation of the performance taking into account the finished goods of the units. In the case of using larger drying unit, it is necessary to adjust the regime parameters, taking into account the removal rate and the volume of the chamber. It is recommended, in order to increase the capacity of the dry mélange enterprises, instead of the drying chamber of larger size, to use multiple parallel working small dryers, eliminating losses in case of non-productive downtime due to repairs and maintenance.

Key words: heat and mass transfer, spray drying, melange, kinetics of drying process, processes and equipment for food production.

REFERENCES

1. Guba O. E., Maksimenko Iu. A., Tereshonkov S. A. Razrabotka ratsional'nykh sposoba konvektivnoi su-shki dlia zhidkikh produktov v dispergirovannom sostoianii i konstruktsii dlia ego osushchestvleniia [Development of rational means of convectional drying for liquid products in dispersed state and structures for its realization]. Pishchevaiapromyshlennost', 2010, no. 10, pp. 24-25.

2. Maksimenko Iu. A. Modelirovanie i sovershenstvovanie teplomassoobmennykh protsessov pri konvektiv-noi sushke rastitel'nogo syr'ia v dispergirovannom sostoianii [Modeling and mastering heat and mass transfer processes at convectional drying of the plant materials in dispersed state]. Vestnik Astrakhanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Seriia: Upravlenie, vychislitel'naia tekhnika i informatika, 2013, no. 2, pp. 19-24.

The article submitted to the editors 15.10.2014

INFORMATION ABOUT THE AUTHORS

Guba Oksana Evgenievna - Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan Engineering-Building Institute; Senior Lecturer of the Department "Engineering Systems and Ecology"; OksanaGuba2308@mail.ru.

Maksimenko Yuriy Aleksandrovich - Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor; Assistant Professor of the Department "Technological Machines and Machinery"; amxs1@yandex.ru.