STUDY OF KINETICS OF THE PROCESS OF MELANGE SPRAY DRYING
Rubrics: TECHNOLOGY OF FOOD STAFF PRODUCTION
Authors:
1.
Astrakhan Engineering-Building Institute
2.
Astrakhan State Technical University
(Head of the Department of Technological Machines and Equipment)
Russian Federation
Russian Federation
Type:
Article
Pages:
from 92
to 96
Status:
Published
Received:
10.10.2014
Accepted:
15.10.2014
Published:
15.10.2014
Subject area:
UDK 664.8.047:536.24
GRNTI 20.01 Общие вопросы информатики
GRNTI 26.03 Общественно-политическая мысль
GRNTI 43.01 Общие вопросы естественных и точных наук
GRNTI 44.01 Общие вопросы энергетики
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
GRNTI 62.01 Общие вопросы биотехнологии
GRNTI 69.01 Общие вопросы рыбного хозяйства
GRNTI 70.01 Общие вопросы водного хозяйства
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 20.01 Общие вопросы информатики
GRNTI 26.03 Общественно-политическая мысль
GRNTI 43.01 Общие вопросы естественных и точных наук
GRNTI 44.01 Общие вопросы энергетики
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
GRNTI 62.01 Общие вопросы биотехнологии
GRNTI 69.01 Общие вопросы рыбного хозяйства
GRNTI 70.01 Общие вопросы водного хозяйства
GRNTI 73.34 Водный транспорт
Language:
Russian
Keywords:
heat and mass transfer, spray drying, melange, kinetics of drying process, processes and equipment for food production
Abstract (English):
The results of experimental and analytical study of the kinetics of melange drying using the spray dryer Ohkawara Kakohki OL/OC-L8. The aim of the study is to establish a rational mode of dehydration. The initial temperature of melange, the temperature of drying agent and mass flow rate of the product are taken as the variable parameters. The dependence of the specific capacity of the dryer on the parameters that determine the intensity of the heat and mass transfer processes during spray convective drying of melange is fixed. The rational regime parameters and recommendations for the process of drying of melange are developed. The recommended operating parameters allow using the standard design of spray dryers. Such units differ in small size, i. e. they can be used at the enterprises of small or average power, they are easy to be operated, serviced and, besides, help control the mode parameters and operate the process successfully. The resulting dependence of the specific performance allows to make revaluation of the performance taking into account the finished goods of the units. In the case of using larger drying unit, it is necessary to adjust the regime parameters, taking into account the removal rate and the volume of the chamber. It is recommended, in order to increase the capacity of the dry mélange enterprises, instead of the drying chamber of larger size, to use multiple parallel working small dryers, eliminating losses in case of non-productive downtime due to repairs and maintenance.
The results of experimental and analytical study of the kinetics of melange drying using the spray dryer Ohkawara Kakohki OL/OC-L8. The aim of the study is to establish a rational mode of dehydration. The initial temperature of melange, the temperature of drying agent and mass flow rate of the product are taken as the variable parameters. The dependence of the specific capacity of the dryer on the parameters that determine the intensity of the heat and mass transfer processes during spray convective drying of melange is fixed. The rational regime parameters and recommendations for the process of drying of melange are developed. The recommended operating parameters allow using the standard design of spray dryers. Such units differ in small size, i. e. they can be used at the enterprises of small or average power, they are easy to be operated, serviced and, besides, help control the mode parameters and operate the process successfully. The resulting dependence of the specific performance allows to make revaluation of the performance taking into account the finished goods of the units. In the case of using larger drying unit, it is necessary to adjust the regime parameters, taking into account the removal rate and the volume of the chamber. It is recommended, in order to increase the capacity of the dry mélange enterprises, instead of the drying chamber of larger size, to use multiple parallel working small dryers, eliminating losses in case of non-productive downtime due to repairs and maintenance.
Keywords:
heat and mass transfer, spray drying, melange, kinetics of drying process, processes and equipment for food production
heat and mass transfer, spray drying, melange, kinetics of drying process, processes and equipment for food production
Введение Значительное место в структуре питания занимают разнообразные яйцепродукты, которые используются при производстве всевозможных соусов, кетчупов, майонезов; мясных и колбасных изделий; хлебобулочных и кондитерских изделий и других продуктов питания массового потребления. Использование нативных яичных продуктов значительно усложняет технологию и организацию выпуска продукции, увеличивает микробиологическую опасность производств. Применение в качестве сырья сухих яичных продуктов, в том числе меланжа, технологически рационально, что особенно актуально в условиях пищевых предприятий малой и средней мощности. В технологии сухого меланжа-порошка наиболее энергоемкой и в то же время определяющей качественные показатели конечного продукта стадией является конвективная распылительная сушка. Исследования с целью совершенствования тепломассообменных процессов при производстве меланжа актуальны, а их результаты представляют значительный практический интерес. Планирование и методика экспериментальных исследований Исследование кинетики процесса сушки позволяет осуществлять математическую постановку задач выбора оптимального/рационального способа и режима сушки. Исследования конвективной распылительной сушки меланжа проводились на установке распылительной сушки Ohkawara Kakohki OL/OC-L8. К факторам, влияющим на интенсивность и удельную производительность процесса распылительной сушки, традиционно относятся: расход и температура сушильного агента и продукта; параметры факела распыления; начальная влажность высушиваемого продукта и др. [1]. В качестве варьируемых параметров приняты: начальная температура меланжа Тпрод, К; температура сушильного агента Тс.а, К; массовый расход продукта Qпрод, кг/ч (табл. 1). Остальные факторы установлены в результате серии предварительных постановочных экспериментов и аналитических расчетов и приняты постоянными. Конечная влажность меланжа-порошка Wк = 0,085 кг/кг принята на основании требований к физико-химическим показателям продуктов, регламентированных ГОСТ 30363-96 «Продукты яичные. Общие технические условия». Верхний предел варьирования температуры продукта Тпрод = 298 К соответствует температуре в производственных помещениях. Нижний предел Т = 278 К соответствует температуре хранения жидких яичных продуктов и принят на основании результатов анализа технологии сухих яичных продуктов. Факторы и уровни варьирования факторов Фактор Уровень Qпрод, кг/ч Тпрод, К Тс.а, К 1 1,5 278 423 2 2 288 473 3 2,5 298 523 Производительность по сухому меланжу-порошку, кг/ч: (1) В качестве целевой функции выбрана удельная производительность установки, соответствующая съему сухого продукта с единицы объема камеры в единицу времени П, кг/(м3·ч) [2]: , (2) где Vсуш. камеры - рабочий объем сушильной камеры, м3. При непрерывном процессе распылительной сушки длина пробега высушиваемых частиц, а следовательно, и продолжительность процесса определяются объемом сушильной камеры, т. е. фактически рабочий объем камеры является функцией времени сушки. Зависимость объема сушильной камеры для установки Ohkawara Kakohki OL/OC-L8 от времени сушки при среднем характерном размере распыленных частиц 20-30 мкм была установлена экспериментально: , (3) где τсуш - экспериментальное время сушки, с. По экспериментальным данным, полученным при определении текущей влажности высушиваемых частиц продукта (по высоте установки), были построены кривые сушки меланжа, ряд из которых, в качестве примера, представлен на рис. 1. Рис. 1. Кривые сушки меланжа при Тпрод = 278 К и Тс.а = 423 К: 1 - при Qпрод = 1,5 кг/ч; 2 - при Qпрод = 2 кг/ч Кривые сушки применяли для определения удельной производительности. Зависимость удельной производительности сушильной установки от влияющих факторов На основе обработки результатов экспериментальных исследований получены адекватные математические линейно-степенные зависимости удельной производительности сушилки от влияющих факторов: - при Тс.а = 423 К: - при Тс.а = 473 К: - при Тс.а = 523 К: На рис. 2 в качестве примера представлено поле значений удельной производительности при Тс.а = 523 К. Рис. 2. Поле значений удельной производительности при Тс.а = 523 К Установленная зависимость удельной производительности позволяет определить рациональный режим и максимальный выход готовой продукции для организации процесса сушки меланжа. Совершенствование тепломассообменных процессов Рациональные значения варьируемых параметров (Тс.а = 523 К; Тпрод = 298 К; Qпрод = 1,5 кг/ч) и максимум целевой функции П = 3,062 кг/(м3·ч) были определены с помощью зависимостей (1)-(3) и опции «maximize» в среде Mathcad Professional. Увеличение удельной производительности при увеличении начальной температуры продукта (рис. 2) очевидно, т. к. сокращаются затраты на прогрев, а следовательно, и продолжительность процесса сушки, однако верхний предел начальной температуры ограничен на основе анализа результатов предварительных исследований (Тпрод = 298 К) для исключения перегрева продукта при обезвоживании. При возрастании температуры сушильного агента производительность установки существенно увеличивается (рис. 2), однако при этом повышается температура продукта. Общеизвестно, что при обезвоживании, для исключения денатурации белков, температура яичной массы не должна превышать 328-338 К. Термовоздействие при температуре Тпрод ≥ 328 К резко снижает качество меланжа вследствие термического разложения ценных компонентов. Анализ качественных показателей меланжа-порошка, в ходе комплекса экспериментальных исследований, позволил рекомендовать верхний предел температуры сушильного агента Тс.а = 523 К. Зависимость удельной производительности от массового расхода меланжа Qпрод носит экстремальный характер (рис. 2), что объясняется неоднозначным влиянием на целевую функцию массового расхода. С одной стороны, увеличение расхода определяет увеличение выхода сухого продукта, с другой - приводит к росту продолжительности процесса, а соответственно, к увеличению рабочего объема сушильной камеры. Верхний предел Qпрод = 2,5 кг/ч ограничен и определен в результате предварительных экспериментальных исследований при условии обеспечения надежной работы механического дискового распылителя для достижения номинальных режимов процесса распыления и устойчивых параметров факела распыла. Выводы В ходе исследований было установлено, что максимальное значение удельной производительности по меланжу-порошку П = 3,06 кг/(м3·ч) достигается при следующем рациональном режиме: Тс.а = 523 К; Тпрод = 298 К; Qпрод = 1,5 кг/ч. Рекомендованные режимные параметры позволяют использовать типовые конструкции распылительных сушильных установок, в частности РС-10Ф, РС-20 и т. д. Данные конструкции отличаются незначительными габаритами, что позволяет применять их на предприятиях средней и малой мощности, удобны в эксплуатации, обслуживании и, кроме того, позволяют контролировать режимные параметры и оперативно управлять процессом. Полученная зависимость удельной производительности позволяет производить пересчет производительности по готовой продукции установок. В случае использования более габаритной сушильной установки необходима корректировка режимных параметров с учетом удельного съема и объема камеры. С целью увеличения мощности предприятий по сухому меланжу, вместо сушильной камеры большого объема целесообразно использовать несколько параллельно работающих малогабаритных сушильных установок, что позволяет исключить потери в случае непроизводственных простоев оборудования ввиду ремонта и обслуживания. Дальнейшие теоретические и экспериментальные исследования комплекса физико-химических характеристик объекта исследования, статики процесса сушки позволят разработать рекомендации по рациональному проектированию конструкции сушильного аппарата, а также физико-математические модели тепломассопереноса для оперативного управления процессом обезвоживания.
1. Guba O. E. Razrabotka racional'nyh sposoba konvektivnoy sushki dlya zhidkih produktov v dispergirovannom sostoyanii i konstrukcii dlya ego osuschestvleniya / O. E. Guba, Yu. A. Maksimenko, S. A. Tereshonkov // Pischevaya promyshlennost'. 2010. № 10. S. 24-25.
2. Maksimenko Yu. A. Modelirovanie i sovershenstvovanie teplomassoobmennyh processov pri konvektivnoy sushke rastitel'nogo syr'ya v dispergirovannom sostoyanii / Yu. A. Maksimenko // Vestn. Astrahan. gos. tehn. un-ta. Ser.: Upravlenie, vychislitel'naya tehnika i informatika. 2013. № 2. S. 19-24
