Исследование кинетики распылительной сушки пектинового экстракта

УДК 664.144

О. А. Петровичев, И. Ю. Алексанян Астраханский государственный технический университет

ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ РАСПЫЛИТЕЛЬНОЙ СУШКИ ПЕКТИНОВОГО ЭКСТРАКТА

Пектиновые вещества обладают высокими протекторными свойствами по отношению к радионуклидам и тяжелым металлам и могут быть востребованы для лечебно-профилактического питания населения, проживающего в зонах экологического неблагополучия. Анализ тенденций развития технологий пектина показал важность разработки технологических процессов, обеспечивающих экологическую чистоту, энергосбережение и безопасность при высоком качестве конечного продукта.

Сушка пектиновых экстрактов является сложным технологическим процессом, т. к. она связана с кинетикой внутренних и внешних тепло- и массообменных процессов, зависящих от гигроскопических и термодинамических характеристик как продукта, подвергаемого сушке, так и сушильного агента. Сушка пектиновых экстрактов осложнена еще и тем, что температурное воздействие на пектины, являющиеся высокомолекулярными соединениями, приводит к частичной деструкции пектиновых макромолекул. Это обусловливает снижение основных качественных показателей товарного пектина - его студнеобразующей способности и лечебно-профилактических возможностей. Одним из рациональных способов обезвоживания пектиновых экстрактов и концентратов является сушка в распыленном состоянии, которая, однако, сложна как для изучения и регулирования, так и для контроля выходных параметров готовой продукции. Анализ позволил с учетом достоинств и недостатков существующих способов распылительной сушки спланировать эксперимент как с точки зрения его конструктивного оформления, так и с точки зрения методики, и в результате исследований рекомендовать пути усовершенствования традиционного способа распылительной сушки и модернизации конструкции сушилки для осуществления рационального варианта процесса обезвоживания.

Проведено экспериментально-аналитическое изучение кинетики сушки пектинового экстракта. Определена зависимость удельной производительности сушилки от факторов, влияющих на интенсивность тепломассообменных процессов при распылительной сушке пектинового экстракта.

При использовании непрерывно действующих сушилок учитывается весь сложный комплекс явлений - тепло- и массообмен, гидродинамика, кинетические закономерности при нестационарном процессе. Ввиду большого количества факторов, влияющих на процесс сушки, получить аналитическое решение из исходных уравнений тепло- и массообмена невозможно, т. к. время пребывания продукта в агрегате непосредственно связано с заполнением рабочего объема сушильной камеры продуктом, которое зависит от всех режимных параметров. К основным факторам,

влияющим на интенсивность процесса распылительнои сушки, относятся: расходы теплоносителя и продукта; температура сушильного агента; начальная влажность пектинового экстракта, давление распыливающего агента. При этом рациональные значения расходов продукта и теплоносителя и давление распыливающего агента определены на основе теоретического расчета процесса сушки и экспериментальных данных, поэтому для расчета целевой функции в эксперименте на опытно-промышленной установке варьировались начальная влажность пектинового экстракта и температура сушильного агента Т.

Исследования конвективной распылительной сушки пектинового экстракта проводили на промышленной распылительной сушильной установке УРС-150 (рис. 1), которая была специально адаптирована для экспериментального изучения кинетики сушки. Согласно технологии, пектиновый экстракт, упаренный до концентрации сухих веществ 5-15 %, распылялся в сушильную камеру 2 4-мя акустическими форсунками 1.

Рис. 1. Схема опытно-промышленной установки:

1 - акустический распылитель; 2 - цилиндрическая часть сушильной камеры;

3 - штуцер пробоотборника; 4 - коническая часть сушильной камеры;

5 - сборник сухого пектиносодержащего порошка; 6 - шибер; 7 - циклон;

8 - калорифер; 9 - штуцер термопары; I - подача пектинового экстракта в сушильную камеру; II - поток отработавшего сушильного агента;

III - поток сушильного агента; IV - выход сухого пектиносодержащего порошка

Нагрев сушильного агента до 110-150 °С производили в паровом калорифере 8. Температуру теплоносителя на входе в сушильную камеру отслеживали по показаниям мультиметра, для этого в сушильной камере устанавливали термопару 9. Для отбора витающих частиц продукта, с целью определить степень их обезвоживания, применяли специально разработанную конструкцию пробоотборников 3, устанавливаемых по высоте сушильной камеры и в циклоне 7 для определения влажности продукта в процессе сушки.

Массовый расход

Мп.э =Рп.э • 2и.э ,

где рпэ - плотность пектинового экстракта, кг/м3’ Qпэ - объемный расход, м3/ч, экстракта, поступающего на сушку, кг/ч.

Производительность по сухому пектину

Мс п = Мп.э • (1 - Жн )/(1-Жк), кг/ч, где конечная влажность = 0,1 кг/кг.

Исследования проводили по полному многоуровневому многофакторному плану с помощью вероятностно-статистических методов. В качестве целевой функции была выбрана удельная производительность сушилки, соответствующая съему сухого продукта с единицы объема камеры в единицу времени:

I = М V , кг/(м3-ч),

с.п суш. камеры ’ А'-А'\1УА V?

где Vсуш камеры - рабочий объем сушильной камеры, м3.

Так как эксперименты проводили на опытно-промышленной установке в реальных производственных условиях, для определения удельного съема сухого продукта вместо продолжительности влагоудаления принимается условная длина пробега частицы, определяемая временем нахождения частицы в сушильной камере. При непрерывном процессе длина пробега частицы и продолжительность сушки определяются объемом сушильной камеры и продуктопроводов, т. е. фактически объем камеры и продуктопроводов является функцией времени сушки. Эмпирическая усредненная зависимость объема сушильной камеры и продуктопроводов от времени сушки ^уш. камеры = 1,25 т, где т - экспериментальное время сушки, с.

Полученные кривые сушки (некоторые из низ приведены на рис. 2) использовали для определения удельной производительности сушилки и анализа механизма внутреннего тепломассопереноса [1, 2]. Относительная погрешность среднего результата определения не превышала е = 13 %.

Рис. 2. Кривые сушки пектинового экстракта при Т = 383 К (слева) и Т = 423 К:

1 - при Шн = 0,85 кг/кг; 2 - при Шн = 0,9 кг/кг; 3 - при Шн = 0,95 кг/кг

Получена адекватная математическая зависимость удельной производительности от влияющих факторов (1). Оценка достоверности аппроксимации Я2 для всех зависимостей не менее 0,9. На рис. 3 представлены результаты расчета удельного съема пектина.

I(Шн,Т) = [(0,0945 • Т2 - 75,547 • Т +15113,5905) • Шн2] +

+ Г(-0,175825 • Т2 + 140,44395 • Т - 28077,399425) • Шн] +

+ [0,0817275 • Т2 - 65,218965 • Т +13028,2793475].

Рис. 3. Поле значений удельного съема продукта с единицы объема

Рациональные значения варьируемых параметров (T = 423 К, WH = 0,85 кг/кг) и максимум целевой функции I = 1,432 кг/(м3-ч) определены с помощью опции «maximize» в среде Mathcad. Сравнительный анализ показателей качества пектина, высушенного при рациональном режиме, показал соответствие экспериментального образца требованиям стандарта качества лекарственного средства «Пектин» и Фармакопейной статьи ЗАО «Астраханский пектин».

Анализ полученных результатов позволил сделать следующие выводы:

1. Увеличение удельной производительности при уменьшении начальной влажности пектинового экстракта очевидно, т. к. сокращается количество удаляемой влаги и продолжительность сушки, однако нижний предел начальной влажности ограничен (WK = 0,85 кг/кг) ввиду роста энергозатрат на диспергирование продукта при сушке.

2. С увеличением температуры сушильного агента производительность увеличивается, но при этом увеличивается и температура продукта, что нежелательно, особенно при низкой влажности - термовоздействие, вследствие разложения ценных компонентов пектинового экстракта, резко снижает качество термолабильного пектиносодержащего порошка, в частности его растворимость, желирующие и лечебно-профилактические свойства, которые определяют потребительский спрос на подобную продукцию.

3. Анализ качественных показателей сухого пектинового порошка позволил рекомендовать верхний предел температуры сушильного агента - 423 К.

СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ

1. Алексанян И. Ю. Развитие научных основ процессов высокоинтенсивной сушки продуктов животного и растительного происхождения: Автореф. дис. ... д-ра техн. наук. - М.: МГУПБ, 2001. - 52 с.

2. Алексанян И. Ю., Максименко Ю. А. Интенсификация тепломассообмена при сушке продуктов микробиологического синтеза на базе изучения статики, кинетики и гидродинамики обезвоживания кормовых дрожжей в распыленном и псевдоожиженном состоянии // Материалы IV Междунар. конф.: Повышение эффективности теплообменных процессов и систем: Вологда: ВолГТУ, 2004. -С. 109-113.

Получено 4.10.2006

RESEARCH OF KINETICS OF A SPRAY DRIER OF A PECTIN EXTRACT

О. А. Petrovichev, I. Yu. Aleksanyan

The results of experimentally-analytical study of kinetics of a drier of a pectin extract, dependence of specific productivity of a drier on factors influencing the intensity of heat-mass processes in a spray drier, rational values of varied parameters, and maximum of criterion function are submitted in the paper. The analysis of quality indicators of a dry pectin powder has allowed recommending the highest level of temperature of a drying agent, initial humidity of a pectin extract, and rational distribution of a heat-transfer medium in a drying section.