Распылительная сушка пищевых продуктов в переменном потоке как способ интенсификации массообменного процесса при производстве пищевых порошков

РАСПЫЛИТЕЛЬНАЯ СУШКА ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ В ПЕРЕМЕННОМ ПОТОКЕ КАК СПОСОБ ИНТЕНСИФИКАЦИИ МАССООБМЕННОГО ПРОЦЕССА ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ПИЩЕВЫХ ПОРОШКОВ

Процессы сушки широко используются во всех отраслях промышленности и сельского хозяйства. Почти в каждом производстве сушка является одной из важнейших стадий технологического процесса, от правильной организации которого зависит не только сохранность материалов, но и улучшение качества получаемой продукции.

Основные положения кинетики процесса сушки были впервые сформулированы русскими учеными П. С. Коссовичем и А. В. Лыковым применительно к испарению влаги из почвы. В дальнейшем вопросами сушки занимались Ю. Л. Кавказов — экспериментально доказал, что в процессе сорбции при нормальном барометрическом давлении влагой заполняются только микрокапилляры, Г. К. Филоненко рассматривал вопросы кинетики сушки в потоке воздуха, пронизывающем материал, И. М. Федоров — процессы нагревания и сушки материалов в среде перегретого пара и др.

Развитие теории распылительной сушки в большой степени связано с исследованиями: Г. Н. Абрамовича — разработал теорию турбулентных струй, М. С. Белопольского — занимался вопросами распылительной сушки керамических изделий, Ю. В. Космодемьянского, М. В. Лыкова, В. Д. Харитонова, А. П. Фокина — работы посвящены исследованию технологических процессов пищевых производств, в частности процессов сушки молока и молочных продуктов, Р. М. Малышева, В. Г. Никитина, Ю. И. Дытнерского, А. Н. Плановского рассматривали теории распылительной сушки в химичекой промышленности, основные отличия и аппаратурное оформление, а так же Пажи Д. Г. — механизм распыления и процессы происходящие с каплей в момент отрыва, У. Гаувина, Ф. Глукера, У. Маршалла, Э. Шлюдера — за рубежом.

Анализ научно-технической литературы по вопросу распылительной сушки высоковлажных продуктов с сохранением их биологической ценности показывает, что выбор режимов сушки материалов различной природы основывается на изучении физико-химических и биофизических свойствах объектов сушки, а так же на понимании механизма воздействия температуры на качественные показатели системы.

Основное внимание при интенсификации конвективной сушки уделяется совершенствованию способа перемещения и перемешивания продукта с сушильным агентом, выбору оптимальных значений температуры газа и его скорости, размера частиц и удельной нагрузки на газораспределительную решетку. Интенсифицировать процесс распылительной сушки возможно путем изменения характера движения — скорости капли и траектории ее движения, т. е. создание в сушильной башне возвратно-поступательный — пульсирующий поток воздушно-капельной сред. Соответственно изменится процесс массоотдачи и его скорость.

Математическая модель процессов масообмена базируется на совместном рассмотрении уравнений Фика и гидравлики капиллярной системы продуктов. Сушка рассматривается как суперпозиция трех процессов: конвективной диффузии, диффузии в стесненных условиях капилляров и десорбции влаги. /2/ Совместное влияние соответствующих движущих сил определяет развитие гидродинамических, тепловых и массообменных процессов.

Интенсивность массоотдачи сферической частицы радиусом r через прилегающую к ней парогазовую пленку толщиной д в окружающую среду с концентрацией пара около частицы C’п, а на границе пленки Cп, причем C’п > Cп описывается в соответствии с законом Фика. От всей поверхности шара через паровоздушную пленку в радиальных направлениях установится поток массы пара, определяющийся выражением:

где W — масса пара, кг;

ф — время, с;

D — коэффициент диффузии, м2/с;

r — радиус частицы, м;

F — площадь поверхности, м2.

Откуда.

Для шаровой поверхности, в соответствии с основным законом массоотдачи, это же количество влаги равно /3/:

где в — коэффициент массоотдачи, м/с.

Приняв соотношения 4 и 5 получим:

Из уравнения (6) видно, что чем меньше радиус с пограничным слоем или r'> 0, тем больше в.

В тоже время.

где Dкоэффициент диффузии пара в воздухе, м2/с;

Nu — коэффициент Нусельта.

На основе исследований по массообмену между частицей и газом большинством авторов предложены зависимости коэффициента Нусельта от чисел Re и Pr: сушка диффузия капиллярный продукт.

При обработке данных различных авторов с помощью ЭВМ были получены следующие уравнения /3/:

— для участка неустановившегося движения капель.

— для участка установившегося движения капель.

Критерии Рейнольдса и Прандаля зависят от изменений радиуса, скорости обтекания частицы, вязкости и коэффициента диффузии:

Возникновение колебательного потока, изменения скорости частицы и характера ее движения повлияют на коэффициент Рейнольдса. Физический смысл критерия Рейнольдса есть отношение сил инерции, действующих в потоке, к силам вязкости, и зависит от смены режимов течения потока жидкости или газа. Берглес А. Е. доказал, что этот коэффициент при активных гидродинамических режимах зависит не только от основного потока, но и от характера обтекания частицы. Колебательный поток вызывает вторичный поток теплообмена — термоакустический эффект /4/. При добавлении распылительной сушилки прямоточного типа пульсатором в ее башне создается возвратно-поступателный поток, колебательный по своей сути. С учетом вышесказанного для определения критериев Re и Prm воспользуемся следующими формулами:

где d — диаметр капли, м;

u — относительная скорость капли, м/c;

щ — круговая частота, зависящая от количества оборотов дроссель-клапана пульсатора, с-1;

гкинематическая вязкость, м2/с.

Рассмотрим поэтапно данное уравнение. Одним из определяющих параметров является коэффициент диффузии. Этот коэффициент представляет собой перемещение пара из зоны с большей концентрацией в зону меньшей. Рассматривая задачу диффузии в капле в процессе сушки, в которой происходит движение влаги к поверхности тела, определяющееся градиентом концентраций по оси x и значением коэффициента диффузии (D).

Коэффициент диффузии находится в прямопропорциональной зависимости от температуры тела и коэффициента диффузии, в данном случае пара, при нормальных условиях. При протекании процесса сушки с использованием переменного потока агента температура поверхности частицы остается постоянной.

Коэффициент диффузии определяется по формуле:

где D0 — коэффициент диффузии при нормальных условиях и составляет 2,2*10−5.

Tтемпература, равная средней арифметической между температурой поверхности жидкости и температурой сушильного агента, К;

К — коэффициент;

В этом уравнении коэффициент К характеризует влияние дополнительного поперечного возвратно-поступательного потока сушильного агента на характер обезвоживания частицы. Колебание — интенсивное «встряхивание» — перемещает влагу из центра капли к переферии не только под действием градиента влагосодержания, но и механического воздействия. Этот коэффициент показывает интенсивность «встряхивания» частицы.

Движущая сила процесса массопереноса выраженная через объемные концентрации пара на поверхности тела и в окружающей среде. Согласно уравнению идеальных газов, концентрация пара пропорциональна его парциальному давлению. Поэтому разность концентраций можно представить в виде:

Где рр — парциальное давление пара, равновесное содержанию влаги на поверхности частиц.

р — парциальное давление пара в окружающей среде.

Удаляемая влага создает паровоздушную пленку, называемую пограничным слоем. В связи с использованием переменного потока на частицу оказывается, помимо теплового воздействия, интенсивное механическое встряхивание — результат колебаний потока паровоздушной смеси, в результате происходит «отрыв» пограничного слоя, затрудняющего процесс массопереноса.

В соответствии с этим пар с поверхности частицы удаляется непосредственно в ядро потока.

Запишем:

где Rп — газовая постоянная,.

Т — температура сушильного агента, К;

рн.м. — давление насыщенного пара на поверхности частицы,.

— относительная влажность материала,.

— относительная влажность воздуха,.

рн.п. — давление насыщенного пара в воздухе при указанной относительной влажности.

Выявление специфических особенностей теплои массообмена при сушке распылением представляет теоретический и практический интерес. Приведенная модель дает представление о процессах влагоотдачи при распылительной сушке в активном динамическом режиме высоковлажного сырья, в частности, единичной сферической частицы, это позволяет определять влажность частицы и время, за которое она ее достигла.

На кафедре пищевой биотехнологии ГОУ ОГУ разработана полная математическая модель, описывающая гидродинамики и кинетику сушки в активных режимах, а так же экспериментальный стенд для ее апробации. На сегодняшний день успешно проведены эксперименты, позволяющие на практике применять приведенную модель и, с ее помощью интенсифицировать процесс сушки.

• 1 Гинзбург, А. С. Технология сушки пищевых продуктов [Текст] : учебное пособие для вузов / А. С. Гинзбург . — М. : Пищевая промышленность, 1976. — 124 с.
• 2 Бурдо, О. Г. Наномасштабные эффекты в пищевых технологиях // Инженерно-физический журнал. Минск.- Т. 78. № 2. С. 88 — 93.
• 3 Плановский, А. Н. Сушка дисперсных материалов в химической промышленности / А. Н. Плановский, В. И. Муштаев, В. М. Ульянов. — М.: Химия, 1979. — 288 с.
• 4 Гебхарт, Б. Свободноконвективные течения, теплои массообмен. В 2-х книгах, кн. 1. Пер. с англ. / Б. Гебхард, Й. Джалурия, Р. Махаджан, Б. Саммакия — М.: Мир, 1991. - 678 с.