Теория и усовершенствование конвективной сушки мелкодисперсных пищевых продуктов на основе законов химической кинетики тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.18.12, доктор технических наук Арапов, Владимир Михайлович

• Арапов, Владимир Михайлович
• доктор технических наук
• 2003

Оглавление диссертации доктор технических наук Арапов, Владимир Михайлович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ И ПРОБЛЕМЫ ТЕОРИИ И ТЕХНИКИ КОНВЕКТИВНОЙИ СУШКИ МЕЛКОДИСПЕРСНЫХ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ

1.1. Характеристика явлений при высушивании влажных пищевых продуктов

1.1.1. Поверхностные явления на границе системы твердое тело — жидкость

1.1.2. Явления массопереноса в капиллярно-пористых коллоидных телах

1.1.3. Характеристика явлений теплообмена в процессах конвективной сушки '

1.1.4. Характеристика явлений массообмена

1.2. Особенности и стратегия проектирования конвективных сушилок для пищевых продуктов

1.2.1. Особенность технологии сушки пищевых продуктов

1.2.2. Стратегия проектирования технологии сушки пищевых продуктов

1.3. Основные теоретические подходы к математическому описанию процесса конвективной сушки

1.3.1. Основные признаки классификаций математических моделей сушки

1.3.2. Моделирование кинетики конвективной сушки на основе классической теории диффузии.

1.3.3. Моделирование сушки на основе законов термодинамики

1.3.4. Экспериментальные модели кинетики сушки

1.4. Тенденции развития конвективной сушки мелкодисперсных пищевых продуктов

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Теория и усовершенствование конвективной сушки мелкодисперсных пищевых продуктов на основе законов химической кинетики»

Важнейшей стратегической задачей предприятий агропромышленного комплекса России является бесперебойное и равномерное удовлетворение потребностей населения высококачественными продуктами питания в течение всего года. Сезонность и ограниченные сроки хранения сельскохозяйственного сырья и продуктов питания обязывают научно-технических работников совершенствовать существующие и создавать новые способы сушки и конструкции сушильного оборудования.

К сожалению, сложившаяся к 2000 году в период проведения реформ производственно-экономическая ситуация во многих отраслях агропромышленного комплекса характеризовалась устойчивым спадом производства и кризисным состоянием большинства предприятий [126, 150, 151, 169, 170]. В результате объемы производства продукции снизились по сравнению с 1990-1991 годами на 50 и более процентов.

В немалой степени этому способствовала устаревшая техника на многих пищевых предприятиях, которая не позволяет реализовать современную технологию и обеспечить конкурентоспособность отечественной продукции.

Если в 1980. 1990 годах предприятиями агропромышленного комплекса приобреталось 45 тысяч единиц оборудования в год, то уже в 1993.1994 годах - соответственно только 15 тысяч единиц. Поэтому вместо технической модернизации шло опережающее выбытие мощностей и ускоренное старение производственных фондов. Проблема обновления парка технологического оборудования приобретает особую остроту и потому, что «за границей» России оказалось производство многих видов технологического оборудования, цены на которые очень высоки. Не исключением стала и сушильная техника, не смотря на то, что ей отводится важнейшая роль в решении проблемы увеличения сроков хранения сырья и готовых продуктов питания. Поэтому необходимо как можно скорее наладить выпуск современных высокопроизводительных сушильных установок на предприятиях Российской Федерации.

В настоящее время остро стоит вопрос обеспечения мелких товаропроизводителей современной и дешевой сушильной техникой. Анализ выпускаемой в стране сушильной техники [11, 12, 60, 61, 67, 133 и др.] показывает, что в России фактически не налажен выпуск сушилок для переработки растительного сырья в условиях личных садоводческих и фермерских хозяйств.

Одним из основных направлений в решении продовольственной проблемы, остро стоящей перед Российской Федерацией, является рациональное и экономное расходование пищевого сырья, улучшение использования вторичных продуктов и отходов производства на основе создания безотходных технологий в пищевой промышленности. Актуальность проблеме придает тот факт, что при имеющемся дефиците продовольственного сырья на многих пищевых предприятиях его потери в виде отходов и вторичных продуктов в целом по стране составляют сотни тысяч тонн. Например, потери за год в хлебопекарной промышленности от производственного брака и нереализованной продукции составляют в расчете на муку десятки тысяч тонн. А такой ценнейший продукт, как пивные дрожжи, потребности в котором неудовлетворенны даже в лекарственных целях, на мелких и средних предприятиях часто сливаются в канализацию.

Известно, что подобные пищевые отходы могут служить основой для создания высокорентабельных, пользующихся большим спросом у населения новых продуктов питания. Например, та же хлебная крошка может быть использована для производства вафель, конфет, халвы, прессованных сухарных изделий, спрос на которые высок не только в стране, но и за рубежом.

Для успешного сбора подобного сырья, особенно с небольших предприятий, встает проблема его первичной переработки, которая заключается обычно в высушивании продукта. Однако оборудование мелких и средних предприятий современными сушильными установками большой мощности является нерентабельным.

Ключом к решению данной проблемы является создание механизированных и автоматизированных эффективных сушильных установок небольшой производительности, не требующих высоких затрат на монтаж, эксплуатацию и занимающих небольшую производственную площадь.

Повышение эффективности сушильного оборудования представляет собой комплексную задачу, включающую обеспечение высокого качества продукции, снижение расходов материалов, тепловой и электрической энергии, уменьшение капитальных и текущих затрат, обеспечение безопасности жизнедеятельности персонала и охрану окружающей среды.

В этой связи проблема сушки пищевых продуктов решается по следующим направлениям [61,99]: развитие аналитических методов исследования и расчета процессов сушки; исследование и уточнение механизма внешнего и внутреннего переноса энергии и массы при различных методах сушки; развитие технологии сушки; создание современного сушильного оборудования.

Аналитические методы исследования призваны дать полное математическое описание сложных взаимосвязанных явлений тепломассопереноса с целью точного прогнозирования кинетики процесса сушки.

Дальнейшее уточнение механизма внутреннего и внешнего тепломассообмена в процессе сушки должно базироваться на современных физико-химических методах анализа в условиях, приближающихся к точному физическому эксперименту. В связи с этим встает проблема разработки методик применения методов физико-химического анализа (ядерный магнитный резонанс, дериватографический анализ, рентгено-структурный анализ) к исследованию процессов сушки.

Важнейшим вопросом технологии сушки является обоснование температурного режима процесса. Оптимизация температурного режима сушки должна увязываться с качеством материала и с тепловым воздействием на продукт.

Современное развитие сушильного оборудования характеризуется переходом от обработки продукта в слое к созданию сушилок с активным гидродинамическим режимом, характеризующихся высокой интенсификацией процессов тепло- и массообмена.

Однако, создание новых эффективных методов обезвоживания и малогабаритных сушильных аппаратов невозможно без дальнейшего развития теоретических основ кинетики процессов сушки. Используемые в настоящее время методы расчета и проектирования сушильного оборудования не позволяют с достаточной степенью точности прогнозировать реальный ход сушильного процесса. Поэтому созданию конкретного типа сушилки предшествует длительный период экспериментального исследования с последующими этапами разработки, испытания и доработки опытного образца. Современная теория сушки определяет создание новой техники в несколько этапов: изучение свойств продукта как объекта сушки; обоснование способа сушки; проведение экспериментального исследования закономерностей кинетики процесса; конструирование сушильного аппарата, его изготовление, испытание и доработка. Все это обуславливает высокую стоимость и длительность создания новой сушильной техники, а применительно к мелким товаропроизводителям - снижение рентабельности производства.

Остро назрела необходимость в развитии инженерных методов расчета современных сушильных процессов (например, сушка в кипящих и фонтанирующих слоях) в связи с недостаточной надежностью существующих [17].

В качестве теоретической основы математического моделирования процессов сушки многими современными учеными приняты законы диффузии или термодинамики необратимых процессов. По мнению автора, развитие теории сушки может быть связанно и с другими подходами. При этом недостатки известных подходов можно компенсировать достоинствами новых. В частности, сушка может рассматриваться как гетерогенный физико-химический процесс термического разделения влажного вещества и, следовательно, к расчету скорости данного процесса могут быть применены законы химической кинетики.

По мнению автора, рассмотрение с общих позиций физико-химии сложных взаимосвязанных явлений тепломассопереноса открывает возможность решать задачи прогнозирования кинетических характеристик процесса сушки с высокой точностью. Это позволит довести аналитические решения до надежных инженерных методов расчета сушильного оборудования, что значительно сократит сроки и средства на создание новой сушильной техники.

В связи с изложенным общей целью данной работы является исследование возможностей и научное обоснование применения законов химической кинетики для математического описания конвективной сушки мелкодисперсных пищевых продуктов, установления закономерностей теплового воздействия на их качество и решение на этой основе проблемы сокращения объема экспериментальных исследований и выбора температурного режима при создании новой сушильной техники.

Заключение диссертации по теме «Процессы и аппараты пищевых производств», Арапов, Владимир Михайлович

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Научно обоснованы и созданы на основе законов химической кинетики теоретические положения конвективной сушки дисперсных пищевых продуктов, применение которых позволяет сократить объем экспериментальных исследований, затраты и сроки на разработку новой технологии и техники сушки, а также решать задачи выбора температурного режима.

1. Современное математическое описание кинетики сушки, базирующееся на законах диффузии, неравновесной термодинамики или на обобщении результатов экспериментальных исследований с использованием теории подобия и математической статистики, требует больших временных и материальных затрат в связи с необходимостью проведения значительного количества дорогостоящих опытов и определения значений многочисленных коэффициентов и характеристик продукта, входящих в дифференциальные уравнения и граничные условия.

2. Научно обосновано применение законов химической кинетики в качестве теоретической основы математического моделирования конвективной сушки мелкодисперсных материалов. Получены оригинальные математические модели основных характеристик конвективной сушки дисперсных пищевых продуктов: скорости сушки, относительной скорости сушки, температуры материала, продолжительности процесса, количества расходуемой на сушку теплоты и требуемой тепловой мощности в зависимости от его влагосодержания. При этом для периода убывающей скорости сушки, если определены скорость первого периода и уравнение кривой десорбции материала, количество экспериментально определяемых коэффициентов по сравнению с дифференциальными уравнениями тепломассообмена А.В. Лыкова уменьшается в общем случае до двух.

Экспериментально изучено изменение коэффициентов математической модели кинетики сушки от параметров процесса. Установлено, что коэффициент т для конкретного продукта - величина постоянная.

3. Взаимосвязь между тепло- и массообменом в периоде убывающей скорости конвективной сушки мелкодисперсных материалов определяется функцией степени сушки от степени нагрева (доли поглощения теплоты). Теоретически показано и экспериментально подтверждено, что степень сушки во втором периоде однозначно определяется степенью нагрева материала и не зависит от режима сушки и масштаба аппарата.

4. Предложено определять продолжительность сушки на основе расчета эквивалентного влагосодержания. Для одних и тех же значений начального и конечного влагосодержания продукта в определенном интервале изменений температурного режима эквивалентное влагосодержание — величина постоянная и не зависит от режима сушки.

5. Качественная оценка влаги в материале, характеризующая ее летучесть в процессе конвективной сушки, определяется новыми характеристиками влажного материала: общим относительным эквивалентным влагосодержанием об = wo6~Uk)) и относительным эквивалентным влагосодержанием периода убывающей скорости [(02=^г2/{^кр Величину а>2 можно рассматривать в качестве среднеинтегральной характеристики связи влаги с материалом в диапазоне влагосодержаний от UKp до UK. Чем больше а>2>тем прочнее связь влаги с материалом и тем медленнее протекает процесс сушки в периоде убывающей скорости.

6. При установлении допустимых температурных режимов конвективной сушки предложено кинетику сушки рассматривать совместно с кинетикой физико-химических превращений в термолабильных компонентах.

Температура нагрева материала или температура сушильного агента, а также температура сушильного агента на входе и выходе из аппарата являются недостаточными характеристиками для оценки теплового воздействия на продукт; максимальные значения этих параметров режима сушки, применяемые в качестве критериев допустимого теплового воздействия, четко не определены, их значения колеблются в широких пределах в зависимости от способа конвективной сушки и конструкции аппарата.

7. В качестве критериев теплового воздействия на пищевые продукты в процессе сушки рекомендовано применять максимальный тепловой импульс сушильного агента или максимально допустимое время обработки продукта сушильным агентом с абсолютной температурой Тс, которые определяются из условия обеспечения требуемого стандартом качества продукта.

Область допустимых температурных режимов конвективной сушки определяется в виде линейной зависимости логарифма максимального теплового импульса сушильного агента или логарифма максимально допустимого времени обработки продукта сушильным агентом от обратного значения абсолютной температуры сушильного агента.

8. Логарифм максимальной скорости сушки является линейной функцией от обратного значения абсолютной температуры сушильного агента по «мокрому» термометру.

Теоретически показано и экспериментально подтверждено, что зависимость безразмерной температуры (Т-ТМ)/(ТС-ТМ) от влагосодержания является обобщенной температурной кривой сушки. Так же подтверждено, что относительный температурный коэффициент сушки зависит только от влагосодержания продукта.

9. Целесообразно для получения объективной информации о свойствах продукта как объекта сушки, значения которых необходимы для обоснования способа сушки и реализации математических моделей, полученных на основе законов химической кинетики, применять современные методы инженерной физико-химической механики (ИФХМ) и физико-химического анализа.

При разработке нового способа сушки казеина методами ИФХМ определены значения влажности (50.54 %), температуры (300.305 °К), эквивалентного диаметра (2.3 мм) и способа измельчения продукта (гранулирование), при которых казеин-сырец имеет наибольшую подвижность частиц и наименьшую способность к адгезии и когезии.

Зависимость ПНС казеина от температуры и влажности выражается в виде влажностно-инвариантной характеристики. Течение казеина в каналах измельчающих машин определяется реологическим уравнением Гершеля-Балкли. Методом ЯМР определено количество полимолекулярно-адсорбционной влаги (20.25 %) и мономолекулярно-адсорбционной (3,6 %).

Разработанная методика применения дериватографического анализа к исследованию конвективной сушки позволяет сравнительно быстро определять критическое влагосодержание, кинетический коэффициент сушки т, количество наиболее прочно связанной влаги, изменение энергии связи влаги в продукте в процессе сушки, а также вид кривой взаимосвязи тепломассообмена.

10. Эффективность новых теоретических положений конвективной сушки дисперсных продуктов показана при разработке способа сушки казеина (А.С. № 1082373), линии сушки хлебной крошки и усовершенствовании сушки 4,4'-бисмалеимидди-фенилметана, внедрение которых позволило сократить удельные энергозатраты и продолжительность процесса при одновременном повышении качества продукции.

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Арапов, Владимир Михайлович, 2003 год

1. А.с. 1082373. СССР. Способ сушки кислотного казеина / В.М.Арапов, В.А.Арет, В.А.Бутник, В.Н.Лыков (СССР); Опубл. 30.03.84, Бюл. №12.

2. А.с. 1456830. СССР. Способ определения напряжений сдвига пастообразных и сыпучих материалов / В.М. Арапов, В.А. Арет, К.И. Савинова, Т.А. Асякина (СССР); Опубл. 07.02.89, Бюл. № 5.

3. А.с. № 896343 СССР. Способ сушки термочувствительных сыпучих материалов и растворов и установка для его осуществления / В.Е. Ку-цакова, В.В. Падохин, В.Ю. Купанов.и др. (СССР); Опубл. 1982, Бюл. № 1.

4. Агеев М.Б. Конформационные изменения белков зерна пшеницы при сушке с предварительным нагреванием / М.Б. Агеев, Е.Д. Казаков, И.А. Сахарова // Прикладная биохимия и микробиология. 1973. - Т. IX.-Вып. 1.-С. 13-18.

5. Агрегат ВС-150-КИП: Техническое описание и инструкция по эксплуатации. Киев, 1977. - 72с.

6. Адлер Ю.П Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий / Ю.П. Адлер, Е.В. Маркова, Ю.В. Грановский. М.: Наука, 1976.-280с.

7. Азаров Б.М Инженерная реология / Б.М. Азаров, В.А. Арет . М. МТИПП. -1979. -112с.

8. Азаров Б.М Реология пищевых масс / Б.М. Азаров, Н.И. Назаров. -М.: МТИПП, 1970-90с.

9. Алтухов А.В. Методология совершенствования и расчета барабанных сушильных агрегатов: Дисс. докт.техн.наук/ Казахстан, Шымкент, 1999.-50с.

10. Альтшулер Ю.З. Исследование сушки ферментативного казеина в фонтанирующем слое/Ю.З. Альтшулер, В.А. Бутник, Г.В. Никольская // Известия вузов СССР. Сер. пищ. технол. -1979. № 3. - С. 100-103.

11. Антипов С.Т. Разработка высокоэффективных непрерывно действующих сушилок барабанного типа для пищевой промышленности (теория и техника): Дисс. док. техн. наук: 05.18.12. / Воронеж. Технол. ин-т.-Воронеж, 1993.-419 с.

12. Арапов В.М. Анализ развития технологии и техники сушки казеина / В.М. Арапов, К.К. Полянский // Молочная пром-сть. 1996. - № 4. -С. 14-16.

13. Арапов В.М. Вязкостные свойства ферментативного казеина / В.М. Арапов, В.А. Арет, В.А. Бутник // Известия вузов СССР. Сер. пищ. технол. 1978. - № 4. - С. 165-166.

14. Арапов В.М. Исследование форм связи влаги в казеине методом ЯМР // Молочная пром-сть. 1999. - № 2. - С. 23-24.

15. Арапов В.М. Критерии допустимых температурных режимов конвективной сушки пищевых продуктов // Хранение и переработка сельхоз-сырья. -№ 11.- 2002. С. 23 - 26

16. Арапов В.М. Моделирование конвективной сушки мелкодисперсных продуктов на основе законов химической кинетики. Воронеж: Воронеж. гос. технол. акад., 2002. - 200 с.

17. Арапов В.М. О предельном напряжении сдвига казеина / В.М. Арапов, В.А. Арет, В.А. Бутник // Известия вузов СССР. Сер. пищ. технол., 1984.-№3.-С. 124.

18. Арапов В.М. Определение температурного режима сушки казеина // Молочная пром-сть. 2002. - № 7. - С. 51-52.

19. Арапов В.М. Применение методов дериватографии и ЯМР к анализу процессов сушки // Проблемы процессов и оборудования пищевой технологии: Межвуз. сб. науч. тр. СПб: СПб. гос. ун-т низкотемпера-турн. и пищ. технол., 2000. - С. 137—143.

20. Арапов В.М. Расчет конвективной сушки дисперсных продуктов на основе законов химической кинетики // Хранение и переработка сель-хозсырья. № 10. - 2002. - С. 12 - 16.

21. Арапов В.М. Расчет процессов термического разделения влажных веществ на основе законов химической кинетики // Известия вузов. Сер. пищ. технол. -2001. -№ 4. С. 72-76.

22. Арапов В.М. Характеристики связи влаги в материале // Проблемы процессов и оборудования пищевой технологии: Межвуз. сб. науч. тр. — СПб: СПб. гос. ун-т низкотемпературн. и пищ. технол., 2000. С. 16-24.

23. Бабенко Ю.И. Теплообмен. Метод расчета тепловых и диффузионных потоков. Л.: Химия, 1986. - 144 с.

24. Баженов Г.П. Гигротермическое равновесное состояние хлеба-сухарей // Хлебопекарная и кондитерская промышленность. -1979. -№8. -С.22-23.

25. Баженов Г.П. Интенсификация сушки сухарей / Г.П. Баженов, А.П. Макаров //Хлебопекарная и кондитерская промышленность. —1981. -№6. -С.28-30.

26. Барабанщиков Н.В. Качество молока и молочных продуктов. М.: Колос,-1980, 255 с.

27. Батунер Л.М. Математические методы в химической технике / Л.М. Батунер, М.Е. Позин Л.: Химия, 1971. - 824 с.

28. Безденежных А.А. Инженерные методы составления уравнений скоростей реакций и расчета кинетических констант. -Л.: Химия, 1973. — 256 с.

29. Беляев Н.М. Методы теории теплопроводности / Н.М. Беляев, А.А. Рядно. М.: Высшая школа, 1982. - 327 с.

30. Бердышев Б.В. Сдвиговые течения расплавов полимерных материалов / Б.В. Бердышев, М.В. Дергачев, В.К. Скуратов // Химическое и нефтегазовое машиностроение. -№3.-1999.-С.9-12.

31. Березин И.В. Практический курс химической и ферментативной кинетики / И.В. Березин, А.А. Клесов. -М.: Изд-во Моск. ун-та, 1976. -320 с.

32. Болдырев А.В. Устройство переработки хлеба в сухарную крошку / А.В. Болдырев, Б.Д. Даудрих, Д.Д. Даудрих, С.В. Каралаш и др.// -А.С. №1194355. -Б.И.№44. -1985.

33. Бредихин С.А. Закономерности диффузионно-фильтрационного массо-переноса в процессах переработки сырья биологического происхождения // Хранение и переработка сельхозсырья. — 2002. № 3. — С. 24-25.

34. Бредихин С.А. Кинетика релаксации избыточного давления при переработке сырья биологического происхождения // Хранение и переработка сельхозсырья. -2002. — № 7. С. 15-17.

35. Буйнов А.А. Научные основы процессов сушки жидких пищевых продуктов во вспененном состоянии: Автореф. дисс. докт. техн. наук: 05.18.12/МГУПББ.-М., 1998.-50 с.

36. Бучаева Е.А. Эффективный метод сушки хлебной крошки в промышленных условиях / Е.А. Бучаева, Б.А. Рабинович, А.Г. Гинзбург, А.А. Ванцов //Хлебопекарная и кондитерская промышленность. —1983. -№5. -С.23-24.

37. Вальковская Т.М. Подвижность молекул воды в растворах диаминов / Т.М. Вальковская, М.Н. Родникова, Ф.М. Самигулин, Г.В. Спивак // ЖФХ.-1998.- Т.72.-№4.-С.616-621.

38. Вартапетян Р.Ш. О бимодальном распределении микропор активного угля по размерам / Р.Ш. Вартапетян, A.M. Волощук, Н.А. Лимонов, Ю.А. Романов. // Изв. Акад. Наук. Сер. хим. 1993. - № 3. - С. 473-475.

39. Васильев В.П. Теоретические основы физико-химических методов анализа. -М.: Высшая школа, 1979. 184 с.

40. Виноградов Г.В., Малкин А.Я. Реология полимеров. / Г.В. Виноградов, А.Я. Малкин. -М.: Химия, 1977 440 с.

41. Вода в пищевых продуктах / под ред. Р.Б.Дакуорта, пер. с англ. М.: Пищевая промышленность, 1980. - 376 с.

42. Вода в полимерах / Под ред. С.Роуленда, пер. с англ. М.: Мир, 1984. -555 с.

43. Вотяков Е.В. Влияние химических и структурных неоднородностей стенок пор на изотермы сорбции / Е.В. Вотяков, Ю.К. Товбин // Журн. физ. химии. 1994. - Т. 68. - № 2. - С. 287.

44. Выродов И.П. Обобщение теоремы Онсагера и построение неравновесной энтропии в нелинейной феноменологической термодинамике необратимых процессов. // ЖФХ.-1998.-Т.72.-№2.-С.225-228.

45. Гавриленков A.M. Развитие научных основ, создание' и реализация методов и средств повышения эффективности сушки солода (в высоком51