Физические параметры коптильного дыма

По своей физической сущности коптильный дым является типичным аэрозолем конденсационного типа и представляет собой неоднородную систему, состоящую из двух фаз (сред): дисперсионной (внешней, сплошной) и дисперсной (внутренней, мелкораздробленной).

Дисперсионная среда коптильного дыма состоит из неконденсирующихся газов (водорода, кислорода, азота, углекислого газа, окиси углерода и некоторых других), паров воды и органических соединений. Дисперсная фаза коптильного дыма состоит из мельчайших капелек воды, частиц сажи и золы, в которых растворены или адсорбированы органические соединения.

Образование коптильного дыма при пиролизе древесины является сложным процессом, детальный анализ которого практически невозможен из-за высокой скорости его протекания и большого числа участвующих в нем компонентов. В самых общих чертах механизм образования дыма аналогичен получению аэрозолей путем конденсации.

Продукты пиролиза древесины в высокотемпературной зоне тления находятся в состоянии паров, поскольку температура среды составляет 400—1200 °С и значительно превышает температуры кипения всех соединений дыма. Попадая в окружающий воздух, смесь коптильных веществ охлаждается, при этом парциальное давление многих соединений становится больше насыщенного давления. При пересыщении паров начинается образование мельчайших капель дисперсной фазы на активных центрах, которыми могут быть частицы сажи, пыли и крупные скопления молекул веществ, находящиеся в парообразном состоянии.

Каплеобразование в коптильном дыме начинается с соединений, имеющих высокую температуру кипения и низкую упругость насыщенных паров (например, ПАУ, фенолы, некоторые высшие кислоты), но по мере снижения температуры конденсируются и более низкокипящие компоненты (карбонильные соединения, кислоты, вода и др.). Соединения с невысокой температурой кипения типа метилового спирта, формальдегида, муравьиной кислоты сосредоточены преимущественно в дисперсионной среде.

При изучении массообменных аспектов копчения, а также проблемы очистки дымовоздушной смеси ее важно характеризовать не только по химическому составу, но и по показателям аэрозольной системы. Одним из важнейших физических показателей коптильного дыма является дисперсный состав, поскольку частицы отдельных размеров подвергаются действию различных физических сил. В частности, при копчении пищевых изделий для частиц со средним диаметром 0,25 мкм и менее определяющим является действие диффузионных сил, а для частиц размером более 1,0 мкм — силы тяжести.

Дисперсный состав дыма, вырабатываемого из различных дымогенераторов с различными принципами пиролиза древесины, подчиняется логарифмически нормальному закону распределения и представляет собой аэрозольную систему средней дисперсности, в которой относительная доля частиц диаметром менее 1,5 мкм независимо от способа получения дыма составляет более 85%.

Дисперсный состав коптильного дыма зависит от многах факторов, например от породы и влажности древесины. С целью определения влияния данных факторов на дисперсный состав коптильного дыма были использованы опилки березы и бука относительной влажностью 10, 20, 30 и 40% (таблица 1).

Массовая концентрация дисперсной фазы дыма, полученного из опилок березы различной влажности, колеблется в пределах от 1,715 до 3,422 г/м³, а из опилок бука той же влажности — в пределах 5,847—8,254 г/м³. Иными словами, масса дисперсной фазы дыма, получаемого из опилок березы, почти в 3 раза меньше массы дисперсной фазы дыма, полученного из опилок бука. Массовая концентрация дисперсной фазы коптильного дыма при температуре порядка 50 °C уменьшается с увеличением относительной влажности опилок.

Около 93% массы дисперсной фазы дыма, полученного из опилок березы, приходится на долю частиц диаметром менее 1,5 мкм, а в дыме, генерируемом из опилок бука, на эти частицы приходится 89% массы аэрозольных частиц коптильного дыма.

Распределение массовой концентрации дисперсной фазы коптильного дыма по размерам частиц почти не зависит от влажности опилок. Количество частиц дыма диаметрами 2,5,.

1,5 и 0,75 мкм уменьшается с увеличением влажности опилок, а для частиц других размеров оно остается почти постоянным.

Помимо дисперсного состава при расчете процесса копчения, а также очистке и утилизации дымовых выбросов коптильных камер необходимо учитывать физические свойства коптильного дыма, основными из которых являются плотность, динамический коэффициент вязкости, кинематический коэффициент вязкости. Данные свойства коптильного дыма меняются в зависимости от режима дымогенерации, влажности используемой древесины, коэффициента избытка воздуха при пиролизе опилок и некоторых других факторов.

Для расчета плотности коптильного дыма при нормальных условиях необходимо знать плотности основных составляющих газов (углекислого газа, азота, кислорода и паров воды) и их объемные доли в коптильном дыме, которые меняются в зависимости от влажности опилок и коэффициента избытка воздуха при пиролизе древесины.

Таблица 1

Дисперсный состав дыма, генерируемого из опилок

мг/м³

различной влажности, ———

С повышением влажности опилок объемные доли углекислого газа, азота и кислорода в коптильном дыме уменьшаются, а объемная доля паров воды увеличивается. С увеличением коэффициента избытка воздуха при пиролизе древесины объемные доли углекислого газа и паров воды в коптильном дыме уменьшаются, а объемные доли азота и кислорода увеличиваются.

Плотность коптильного дыма уменьшается с повышением влажности используемой древесины. Коэффициент избытка воздуха при пиролизе опилок играет двоякую роль при формировании значения плотности коптильного дыма. При значениях влажности древесины менее 25% с увеличением коэффициента избытка воздуха плотность коптильного дыма уменьшается, а при значениях влажности опилок более 25% с увеличением коэффициента избытка воздуха плотность коптильного дыма увеличивается. Видимо, здесь имеет значение тот факт, что с повышением влажности древесины в коптильном дыме увеличивается объемная доля водяного пара, имеющего по сравнению с другими компонентами коптильного дыма и воздуха пониженную плотность.

При влажности древесины 15—35%, коэффициенте избытка воздуха при пиролизе опилок 1—2, соотношении смешиваемых объемов воздуха и коптильного дыма 1:1 — 6 и при температуре 273—313 К плотность коптильного дыма имеет значения в пределах 1,097—1,296 кг/м³.

Для расчета значения коэффициента динамической вязкости коптильного дыма при различных температурах необходимо определить значения динамических коэффициентов вязкости углекислого газа, азота, кислорода и паров воды при этих же температурах.

Коэффициент динамической вязкости коптильного дыма увеличивается с увеличением коэффициента избытка воздуха и повышением температуры коптильного дыма и уменьшается с повышением влажности используемой древесины.

Коэффициент кинематический вязкости коптильного дыма зависит от влажности, коэффициента избытка воздуха при пиролизе древесины и температуры. Данный показатель дыма увеличивается с повышением температуры и увеличением коэффициента избытка воздуха при пиролизе опилок.

При генерации дыма из древесины влажностью 15—25%, коэффициенте избытка воздуха при термическом разложении опилок 1—2, соотношении смешиваемых объемов воздуха и коптильного дыма 1:1—6 и температуре 273—313 К величины динамического и кинематического коэффициентов вязкости находятся соответственно в пределах (14,35—18,01) х х 10-⁶ нс/м² и (11,40—16,05) хЮ-б м²/с.