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

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оренбургский государственный университет

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

Михалева Т.В., Зинюхин Г.Б., Зинюхина А.Г.

г. Оренбург

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 D- коэффициент 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;

г- кинематическая 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

T- температура, 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 тепло- и 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.

Список литературы

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, тепло- и массообмен. В 2-х книгах, кн. 1. Пер. с англ. / Б. Гебхард, Й. Джалурия, Р. Махаджан, Б. Саммакия - М.: Мир, 1991. - 678 с.

Размещено на Allbest.ru