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 в условиях разрежения:
a) осуществляют испарение жидкого гидрофобного рабочего тела;
b) перемещающиеся под действием перепада давлений пары рабочего тела нагревают при помощи калорифера и пропускают сквозь слой замороженного высушиваемого продукта, данный процесс осуществляют один или несколько раз, пропуская нагретые пары рабочего тела соответственно через один или несколько слоев замороженного высушиваемого продукта;
c) образовавшуюся смесь паров воды и паров рабочего тела пропускают через один или несколько десублиматоров/абсорберов, в которых осуществляют десублимацию/поглощение паров воды из смеси;
d) осуществляют конденсацию обезвоженных паров рабочего тела;
e) осуществляют возврат жидкого рабочего тела для проведения процесса «а»; возврат рабочего тела в зону испарения осуществляют самотеком или при помощи насоса.
В качестве рабочего тела применяют низкокипящую жидкость или легкосжижающийся газ, нерастворимые или слаборастворимые в воде, например бутан, пентан, гексан и их изомеры.
Парциальное давление водяных паров во всех зонах системы вакуумируемых камер поддерживают на уровне, не превышающем равновесное парциальное давление водяных паров над замороженным высушиваемым продуктом.
Для нагрева паров рабочего тела в калориферах используют высокопотенциальный источник тепловой энергии либо применяют тепловой насос, использующий в качестве источника низкопотенциальной тепловой энергии теплоту десублимации/поглощения паров воды в десублиматорах/абсорберах.
Испарение рабочего тела предпочтительно осуществляют за счет энергии конденсации паров рабочего тела, тепловой потенциал которой повышают посредством теплового насоса.
Температуру десублиматоров/абсорберов, десублимирующих/поглощающих водяные пары из потока паров рабочего тела, поддерживают на уровне, при котором исключена конденсация паров рабочего тела на поверхностях десублиматора/абсорбера, то есть на уровне, более высоком, чем температура конденсации паров рабочего тела при рабочем давлении в десублиматоре/абсорбере.
Абсорбцию паров воды из паровой смеси осуществляют охлажденным низкозамерзающим раствором электролита, например раствором хлористого кальция, хлористого или бромистого лития.
Поставленный технический результат достигается тем, что установка вакуумной сублимационной сушки с конвективным подводом теплоты к продукту содержит испаритель рабочего тела, несколько калориферов для нагрева паров рабочего тела, несколько вакуумируемых сушильных камер (сосудов), в которых находится замороженный высушиваемый продукт, один или несколько десублиматоров/абсорберов для избирательной десублимации/абсорбции водяных паров из потока паров рабочего тела и конденсатор паров рабочего тела, образующие общую герметичную систему, а также вакуумный насос, поддерживающий в системе разрежение; в качестве рабочего тела установки применен легкокипящий гидрофобный агент, например бутан, пентан, гексан и их изомеры.
Сушильные камеры подключены последовательно друг к другу по ходу паров рабочего тела, перед каждой сушильной камерой находится не менее одного калорифера.
Конденсатор рабочего тела предпочтительно связан тепловым насосом с испарителем рабочего тела, который дополнительно охлаждается при помощи холодильного агрегата.
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. 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 паров рабочего тела и значительным перепадом давлений между зоной испарения и зоной конденсации рабочего тела. Высокий (двухтрехкратный) перепад давлений обеспечивается небольшим (10-15°С) температурным перепадом между зоной испарения 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.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором показан вариант установки вакуумной сублимационной сушки с конвективным подводом теплоты к продукту.
Установка содержит группу сушильных камер 1 с замороженным высушиваемым продуктом и калориферами 2, низкотемпературный калорифер 3, абсорберы 4 и 5 с охлаждаемыми змеевиками 6 и 7, конденсатор 8 с охлаждаемым змеевиком 9, испаритель 10 с греющим змеевиком 11 и охлаждающим змеевиком 12, насосы 13-15, компрессор 16, вакуумный насос 17, дроссельные вентили 18 и 19, регулирующие вентили 20 и 21, гидрозатвор 22, холодильные агрегаты 23 и 24. В качестве рабочего тела применен пентан. В абсорберы 4 и 5 подаются низкозамерзающие водные растворы 25 и 27, которые в виде разбавленных растворов 26 и 28 выводятся за пределы установки.
Работа установки осуществлена следующим образом.
Жидкий пентан отбирается из нижней части испарителя 10 и насосом 15 через распределительное устройство возвращается внутрь испарителя 10, смачивая поверхность греющего змеевика 11 испарителя. На поверхности змеевика 11 испарителя происходит кипение пентана, образовавшийся парообразный пентан проходит через охлаждающий змеевик 12 испарителя, на котором часть паров пентана конденсируется и стекает в нижнюю зону испарителя 10. Прошедшие через змеевик 12 пары пентана нагреваются в низкотемпературном калорифере 3, после чего нагреваются в высокотемпературном калорифере 2 и проходят сквозь слой замороженного высушиваемого продукта, находящегося в сушильной камере 1. В камере 1 нагретые пары пентана частично охлаждаются, передавая теплоту замороженной влаге, находящейся в продукте. Под действием полученной теплоты часть замороженной влаги сублимируется. Образовавшаяся смесь паров пентана и водяных паров вновь нагревается в следующем по ходу калорифере и вновь проходит через камеру с замороженным высушиваемым продуктом. Данный процесс повторяется N раз, после чего смесь паров пентана и водяных паров поступает в абсорбер 4, охлаждаемый змеевик 6 которого непрерывно смачивается слабым низкозамерзающим водным раствором хлористого лития (широко применяемого в системах кондиционирования воздуха) или хлористого кальция. Непрерывно охлаждаемый раствор поглощает основную часть водяных паров из протекающей сквозь змеевик 6 паровой смеси. Циркуляция раствора обеспечивается насосом 13, который также обеспечивает непрерывный отвод части циркулирующего раствора 26 на регенерацию - удаление из него поглощенной влаги. Регенерированный раствор 25 возвращается в абсорбер 4.
Вышедшая из абсорбера 4 паровая смесь с пониженным содержанием водяных паров поступает в группу совмещенных аппаратов - абсорбер 5 и конденсатор 8, в которых осуществляется полная раздельная абсорбция водяных паров и конденсация паров пентана. Неконденсирующиеся газы, попавшие в паровую смесь из высушиваемого продукта и через неплотности вакуумной системы установки, удаляются вместе с незначительным количеством водяных паров и паров пентана вакуумным насосом 17 в атмосферу (через систему очистки).
Абсорбция водяных паров осуществляется крепким низкозамерзающим водным раствором хлористого лития (или бромистого лития), смачивающим поверхность охлаждающего змеевика 7 абсорбера 5. Непрерывно охлаждаемый раствор поглощает водяные пары, обеспечивая их остаточное давление в группе аппаратов 5 и 8 на уровне, при котором не происходит десублимация водяных паров на поверхности охлаждаемого змеевика 9 конденсатора 8. Циркуляция раствора обеспечивается насосом 14, который также обеспечивает непрерывный отвод части циркулирующего раствора 28 на регенерацию - удаление из него поглощенной влаги. Регенерированный раствор 27 возвращается в абсорбер 5.
Пары пентана из поступающей в группу совмещенных аппаратов 5 и 8 паровой смеси конденсируются на поверхности охлаждаемого змеевика 9 конденсатора 8. Температура охлаждаемого змеевика 9 поддерживается на более низком уровне, чем температура охлаждаемого змеевика 7, чтобы не допустить конденсации паров пентана на поверхности охлаждаемого змеевика 7, но разница температур не должна быть существенной, чтобы не допустить десублимации водяных паров на поверхности охлаждаемого змеевика 9.
Сконденсированные пары пентана самотеком через гидрозатвор 22 возвращаются из конденсатора 8 в испаритель 10.
Охлаждение змеевиков 7 и 9 осуществляется посредством теплового насоса, конденсатором которого является змеевик 11 испарителя 10. Работа теплового насоса осуществляется следующим образом. Пары хладагента, являющегося рабочим телом теплового насоса, сжимаются компрессором 16 и подаются внутрь змеевика 11, в котором конденсируются, передавая теплоту конденсации жидкому пентану, смачивающему внешнюю поверхность змеевика. Сконденсированный хладагент по трубопроводу через дроссельные клапаны 18 и 19 поступает в змеевики 7 и 9, в которых при пониженном давлении и температуре испаряется (кипит), отбирая теплоту от абсорбирующихся паров воды и конденсирующихся паров пентана соответственно. Образовавшиеся пары хладагента отсасываются компрессором 16, замыкая цикл.
Отвод избыточного тепла от испарителя 10 осуществляется холодильным агрегатом 24, охлаждение змеевика 6 абсорбера 4 осуществляется холодильным агрегатом 23. Часть тепловой энергии, отводимой агрегатами 23 или 24, передается в низкотемпературный калорифер 3 для нагрева холодных паров пентана, выходящих из испарителя 10.