Способ сублимационной сушки продукта и установка для его реализации
METHOD OF PRODUCT SUBLIMATION DRYING AND INSTALLATION FOR ITS IMPLEMENTATION

Предлагаемое изобретение относится к пищевой промышленности и предназначено для сублимационной сушки пищевых продуктов, овощей, фруктов, и может быть использовано также в медицине, микробиологической и химической промышленности, при удалении жидкого или замороженного агента из продукта.
Данное изобретение может быть использовано также при сублимационном концентрировании и сушке замороженных пищевых продуктов, растворов или суспензий.
Основной технической проблемой при сублимационной сушке продуктов является отвод водяных паров, образующихся при сублимации.
Так, 1 кг водяных паров при давлении 4,5 мм. рт. столба занимает объем 205.7 кубических метров.
Учитывая, что стандартная загрузка промышленного сублиматора, установки для сублимационной сушки продукта, 400 кг продукта (клубника), с влажностью 82%, а сушка производится до 2% содержания влаги в продукте, то в процессе сублимации необходимо удалить около 320 кг воды, или 65824 кубических метров водяного пара.
Очевидно, что использование вакуумных насосов для откачки такого объема водяных паров, за конечный промежуток времени, не целесообразно, как по капитальным затратам, так и по затратам электроэнергии, необходимой для работы вакуумных насосов. Поэтому метод удаления водяных паров, образующихся при сублимации, с помощью вакуумных насосов не используется в промышленности.
Известен способ вакуумной (сублимационной) сушки и устройство для его реализации (патент РФ №2335930, A23L 1/31, публ. 20.07.2007), в котором в вакуумируемую камеру подают жидкость, имеющую температуру начала замерзания, не выше температуры конденсатора, и представляющую собой раствор агента в летучем растворителе, либо чистый растворитель данного агента, после чего жидкость с дополнительно поглощенными парами агента выводят из вакуумированной камеры.
Устройство для реализации данного способа содержит сушильную камеру (сублиматор) с нагревающими элементами, конденсатор, жидкостно-кольцевой вакуумный насос.
Недостатком данного способа и устройства являются значительные энергозатраты на сублимацию, так как данный способ и устройство требуют использования холодильной машины.
Кроме того, использование в данном устройстве жидкостно-кольцевого вакуумного насоса требует значительных финансовых затрат на содержание и обслуживание данного вакуумного насоса, что значительно увеличивает себестоимость получаемого данным способом продукта.
Известен также способ вакуумной сублимационной сушки и установка для его реализации (патент РФ №2420215, A23L 3/44, публ. 10.06.2011), который наиболее близок к предлагаемому изобретению, и выбран в качестве прототипа.
Данный способ предусматривает испарение жидкого гидрофобного рабочего тела и пропускание паров данного рабочего тела через высушиваемый продукт, после чего образовавшуюся смесь паров воды и паров рабочего тела пропускают через один или несколько абсорберов, в которых осуществляют поглощение воды из данной смеси, а затем осуществляют конденсацию паров рабочего тела, и его возврат для проведения очередного цикла сублимации.
Установка вакуумной сублимации по данному способу содержит испаритель рабочего тела, один или несколько сублиматоров, один или несколько абсорберов, соединенных с сублиматорами трубопроводами, а также вакуумный насос и конденсатор паров рабочего тела.
Данный способ предусматривает использование жидкого гидрофобного рабочего тела, в качестве которого используют сжиженный газ, в частности бутан, пентан, гексан и их изомеры, что крайне опасно, т.к. смесь указанных жидкостей с воздухом может привести к взрыву.
Взрыв воздушно-бутановой смеси в замкнутом объеме сублиматора повлечет за собой значительные разрушения, и возможно даже гибель персонала.
Недостатком данного способа и установки сублимационной сушки является повышенная опасность ее использования.
Задачей предложенного изобретения является создание такого способа сублимационной сушки продукта и установки для его осуществления, которые обеспечивают значительное уменьшение энергозатрат на функционирование установки, при одновременном обеспечении стабильности и безопасности ее функционирования.
Техническим результатом данного изобретения является снижение энергозатрат при функционировании данной установки при одновременном обеспечении эффективности и безопасности ее функционирования.
Поставленный технический результат достигается за счет того, что в способе сублимационной сушки продукта, заключающимся в том, что размещают продукт в сублиматоре на подогреваемых полках, после чего закрывают дверцы сублиматора, и производят откачку воздуха из всех составляющих установки сублимационной сушки до давления, соответствующего 1 мм. рт. ст., затем включают циркуляцию теплоносителя, обогревающего полки сублиматора, и образующийся из продукта водяной пар поступает по трубопроводу, по меньшей мере, в один абсорбер, внутри которого распыляют абсорбирующий раствор, способный абсорбировать водяные пары, после чего данный абсорбирующий раствор с абсорбированными водяными парами через трубопровод направляют в регенератор, где его подогревают, и он отдает ранее поглощенную в виде водяного пара влагу, которую затем направляют в конденсатор, где она конденсируется и выводится в канализацию, осуществляют в абсорбере и регенераторе регулирование концентрации абсорбирующего раствора в пределах от 50% до 55%, в частности сначала включают контроллер управления установкой сублимационной сушки продукта, который включает насос рециркуляции крепкого абсорбирующего раствора в регенераторе с частотой 20% от максимальной частоты, после чего измеряют, при помощи датчика плотности раствора, установленного в нижней части абсорбера, плотность абсорбирующего раствора, находящегося в нижней части абсорбера, и если плотность данного абсорбирующего раствора менее 55%, то при помощи контроллера увеличивают частоту вращения насоса рециркуляции крепкого абсорбирующего раствора в регенераторе до тех пор, пока плотность абсорбирующего раствора в нижней части абсорбера не достигнет 55%, при этом охлаждают абсорбирующий 55% раствор, поступающий в абсорбер до +10°C, после чего его распыляют внутри абсорбера, и данный абсорбирующий раствор начинает интенсивно абсорбировать в себе водяные пары, поступающие из сублиматора, при этом абсорбирующий раствор становится менее насыщенным, и его концентрация начинает падать, и его начинают перекачивать посредством насоса перекачки раствора через теплообменник растворов в регенератор, где его распыляют, и он, попадая на поверхности трубчато-пластинчатых теплообменных аппаратов регенератора, в трубках которых циркулирует теплоноситель с температурой +95°C, нагревается и начинает отдавать ранее поглощенную влагу до восстановления его концентрации до 55%, после чего данный абсорбирующий раствор направляют, посредством насоса перекачки крепкого раствора, в теплообменник растворов, где он подогревает абсорбирующий раствор, поступающий из абсорбера, после чего данный 55% раствор направляют в тепрообменник-переохладитель, где его охлаждают до температуры +10°C, и вновь направляют в абсорбер для его распыления в абсорбере.
Предпочтительно, чтобы в способе, в качестве абсорбирующего раствора, использовали водный раствор любого абсорбирующего водяной пар вещества, в частности водные растворы солей, водный раствор бромистого лития, или водный раствор хлористого кальция.
Целесообразно, чтобы в способе охлажденный абсорбирующий 55% раствор распыляли в абсорбере при помощи форсунок.
Предпочтительно, чтобы в способе по п. 1, отличающийся тем, что в регенераторе распыляют абсорбирующий насыщенный 50% раствор при помощи форсунок распылителя.
Целесообразно, чтобы в способе определяли концентрацию абсорбирующего раствора в абсорбере при помощи датчика концентрации раствора, который связан с контроллером, содержащим преобразователь частоты, который регулирует производительность насоса рециркуляции крепкого раствора в регенераторе.
Желательно, чтобы в способе при плотности абсорбирующего раствора менее 55%, при помощи контроллера увеличивали частоту вращения насоса рециркуляции крепкого абсорбирующего раствора в регенераторе на 1% каждые три минуты времени работы установки до тех пор, пока плотность абсорбирующего раствора в нижней части абсорбера не достигнет 55%.
Желательно также, чтобы в способе при плотности абсорбирующего раствора более 55%, при помощи контроллера уменьшали частоту вращения насоса рециркуляции крепкого абсорбирующего раствора в регенераторе на 1% каждые три минуты времени работы установки до тех пор, пока плотность абсорбирующего раствора в нижней части абсорбера не достигнет 55%.
Поставленный технический результат достигается также за счет того, что установка для сублимационной сушки продукта, содержащая, по меньшей мере, один сублиматор с подогреваемыми полками для размещения продукта, а каждый из сублиматоров связан трубопроводом с, по меньшей мере, одним абсорбером, каждый из которых соединен трубопроводом с конденсатором, которые образуют общую герметичную систему, а также вакуумный насос, поддерживающий в установке разряжение, содержит, по меньшей мере, один регенератор, каждый из которых соединен трубопроводом через теплообменник растворов с каждым абсорбером, а также контроллер управления с преобразователем частоты, с подключенным к нему датчиком концентрации раствора, и насосом регенерации крепкого раствора, при этом между каждым абсорбером и теплообменником растворов установлен насос перекачки раствора, а между теплообменником растворов и регенератором установлен насос перекачки крепкого раствора, при этом датчик концентрации раствора установлен в нижней части каждого абсорбера, и выполнен с возможностью определения концентрации абсорбирующего раствора, образующегося в нижней части каждого абсорбера, а также передачи данных показаний в контроллер управления, который выполнен с возможностью управления насосом регенерации крепкого раствора при достижении концентрации абсорбирующего раствора в абсорбере менее 55%, а также с возможностью поддержания концентрации абсорбирующего раствора в абсорбере и в регенераторе в пределах от 50% до 55%, а регенератор выполнен с возможностью удаления из абсорбирующего раствора 50% концентрации поглощенных в абсорбере водяных паров и направления их по трубопроводу в конденсатор для конденсации и слива в канализацию, при этом теплообменник растворов выполнен с возможностью подогрева абсорбирующего раствора 50% концентрации, поступающего из абсорбера в регенератор за счет абсорбирующего раствора 55% концентрации, поступающего из регенератора в абсорбер.
В предпочтительном варианте выполнения установка содержит насос рециркуляции раствора абсорбера, выполненный с возможностью обеспечения постоянной перекачки абсорбирующего раствора из нижней части абсорбера в его верхнюю часть для распыления в абсорбере.
Целесообразно, чтобы в установке насос рециркуляции крепкого раствора регенератора, был выполнен с возможностью обеспечения постоянной перекачки абсорбирующего раствора из нижней части регенератора в его верхнюю часть для распыления в регенераторе.
Желательно, чтобы в установке абсорбирующий раствор распылялся в абсорбере, а также в регенераторе при помощи форсунок.
Целесообразно, чтобы установка содержала теплообменник-переохладитель, подключенный к теплообменнику растворов, выполненный с возможностью охлаждения абсорбирующего раствора, поступающего в абсорбер.
Желательно, чтобы установка содержала градирню, подключенную к конденсатору, и выполненную с возможностью охлаждения воды, поступающей в теплообменники конденсатора.
Предпочтительно, чтобы в установке в качестве абсорбирующего раствора использовали водный раствор любого абсорбирующего водяной пар вещества, в частности водные растворы солей, водный раствор бромистого лития, или водный раствор хлористого кальция.
Использование представленного способа для сублимационной сушки продукта и установки для его реализации позволяет значительно снизить энергозатраты при функционировании данной установки, так как в ней не используется холодильная машина большой мощности, а эффективный отвод водяных паров осуществляется за счет использования абсорбирующих растворов, в частности раствора бромистого лития определенной концентрации от 50% до 55%, который интенсивно сорбирует водяные пары.
При этом использование в способе и установке системы регулирования концентрации абсорбирующего раствора в пределах от 50% до 55% обеспечивает эффективность и безопасность ее функционирования, так как концентрация абсорбирующего раствора выше 55% может привести к кристаллизации данного раствора в теплообменных аппаратах установки, что приведет к неустранимой или тяжело устранимой поломке установки.
А концентрация абсорбирующего раствора ниже 50% приводит к повышению давления в камере сублиматора, что ухудшает качество получаемого продукта.
Кроме того, в данной установке не используются сжиженные газы, в частности бутан, пентан, гексан и их изомеры, как в прототипе, что также значительно повышает безопасность ее функционирования.
Для более подробного раскрытия данного изобретения далее приводится описание конкретных возможных вариантов его выполнения, которые поясняются соответствующим чертежом.
Фиг. 1 - схема установки для сублимационной сушки продукта.
Установка для сублимационной сушки продукта, в одном из предпочтительных вариантов ее реализации, содержит вакуумный насос 1, сублиматор 2, абсорбер 3, регенератор 4, конденсатор 5, градирню 6, теплообменник растворов 7, теплообменник-переохладитель 8, форсунки распылителя 9, насос перекачки раствора 10, насос перекачки крепкого раствора 11, трубопровод 12 паров от сублиматора к абсорберу, трубопровод 13 паров от регенератора к конденсатору, насос рециркуляции 14 раствора абсорбера, насос рециркуляции 15 раствора регенератора, датчик плотности раствора 16 и контроллер управления 17, который содержит преобразователь частоты, а также машину для охлаждения жидкости, в качестве которой используют чиллер 18.
Способ сублимационной сушки продукта, в одном из предпочтительных вариантов, предусматривает загрузку предварительно замороженного продукта на обогреваемые полки сублиматора 2. При этом продукт предварительно замораживают в камере шоковой заморозки. После чего закрывают дверцы сублиматора 2, и производят откачку воздуха насосом 1 из всех составляющих установки сублимационной сушки до давления, соответствующего 1 мм. рт. ст. Затем включают циркуляцию теплоносителя, обогревающего полки сублиматора 2, и образующийся из продукта водяной пар поступает по трубопроводу 12 в абсорбер 3, внутри которого распыляют через форсунки распылителя 9 абсорбирующий раствор, в частности 55% раствор бромистого лития, охлажденный предварительно до температуры +10°C на поверхности трубчато-пластинчатого теплообменника абсорбера 3, внутри которого течет охлаждаемая чиллером 18 вода. Данный охлажденный 55% раствор способен абсорбировать поступающие из сублиматора 2 водяные пары. При этом 55% раствор бромистого лития интенсивно абсорбирует в себе водяные пары таким образом, что давление водяных паров не может быть выше 1,25 мм рт. ст., и образующиеся в сублиматоре 2 водяные пары интенсивно по трубопроводу 12 движутся в абсорбер 3.
Для интенсификации процесса орошения в сублиматоре 2 паров раствором бромистого лития используют насос рециркуляции 14 раствора абсорбера. При этом раствор бромистого лития становится менее насыщенным, и его концентрация падает до 50%. После чего данный раствор посредством насос перекачки раствора 10 направляют, через теплообменник растворов 7, в регенератор 4, где его распыляют через форсунки распылителя 9 на подогреваемые до 95°C поверхности трубчато-пластинчатых теплообменных аппаратов, и он отдает ранее поглощенную в виде водяного пара влагу, которую затем направляют через трубопровод 13 паров от регенератора к конденсатору, в конденсатор 5, где она конденсируется и выводится в канализацию.
Для интенсификации процесса орошения трубчато-пластинчатых теплообменных аппаратов в регенераторе 4 раствором бромистого лития используют насос рециркуляции 15 раствора регенератора. При этом 50%раствор бромистого лития становится более насыщенным, и его концентрация увеличивается до 55%. После чего данный раствор посредством насос перекачки крепкого раствора 11 направляют, через теплообменник растворов 7, где он подогревает раствор, поступающий из абсорбера 3, в теплообменник - переохладитель 8, где его охлаждают до температуры +10°C, и направляют вновь в абсорбер для распыления через форсунки распылителя 9.
При этом регулируют концентрацию раствора бромистого лития следующим образом.
При старте сублиматора 2 контроллер управления 17 включает насос рециркуляции 15 крепкого раствора с частотой 20% от максимальной частоты, после чего контроллер управления 17 получает от датчика плотности раствора 16 информацию о плотности раствора в нижней части абсорбера 3. И если плотность раствора менее 55%, то контроллер управления 17 увеличивает частоту вращения насоса рециркуляции 15 крепкого раствора на один процент каждые три минуты времени работы установки до тех пор, пока плотность раствора в нижней части абсорбера 3 не станет 55%.
Если плотность раствора в нижней части абсорбера 3 станет более 55%, что произойдет в случае уменьшения притока водяных паров из продукта при заключительных этапах сублимации, контроллер управления 17 станет в обратном порядке уменьшать частоту вращения насоса рециркуляции 15 крепкого раствора до тех пор, пока плотность раствора в нижней части абсорбера 3 не станет снова 55%.
Также в установке, для увеличения ее производительности, могут использоваться несколько сублиматоров, абсорберов и регенераторов.
Также в качестве абсорбирующего раствора в способе и установке может быть использован водный раствор любого абсорбирующего водяной пар вещества, в частности водные растворы солей, водный раствор бромистого лития, или водный раствор хлористого кальция.
Таким образом, в способе сублимационной сушки продукта и установке для его осуществления за счет обеспечения управления плотностью абсорбирующего раствора, удалось значительно уменьшить энергозатраты при функционировании данной установки при одновременном обеспечении эффективности и безопасности ее функционирования.
Как очевидно специалистам в данной области техники, данное изобретение легко разработать в других конкретных формах, не выходя при этом за рамки сущности данного изобретения.
При этом настоящие варианты осуществления необходимо считать просто иллюстративными, а не ограничивающими, причем объем изобретения представлен его формулой, и предполагается, что в нее включены все возможные изменения и область эквивалентности пунктам формулы данного изобретения.