Теория и усовершенствование конвективной сушки мелкодисперсных пищевых продуктов на основе законов химической кинетики Арапов Владимир Михайлович
Арапов Владимир Михайлович. Теория и усовершенствование конвективной сушки мелкодисперсных пищевых продуктов на основе законов химической кинетики : Дис. . д-ра техн. наук : 05.18.12 : Воронеж, 2003 352 c. РГБ ОД, 71:04-5/262
Содержание к диссертации
ГЛАВА 1. Состояние и проблемы теории и техники конвективнойи сушки мелкодисперсных пищевых продуктов 13
1.1. Характеристика явлений при высушивании влажных пищевых продуктов 13
1.1.1. Поверхностные явления на границе системы твердое тело — жидкость ' 14
1.1.2. Явления массопереноса в капиллярно-пористых коллоидных телах 17
1.1.3. Характеристика явлений теплообмена в процессах конвективной сушки 20
1.1.4. Характеристика явлений массообмена 26
1.2. Особенности и стратегия проектирования конвективных сушилок для пищевых продуктов 30
1.2.1. Особенность технологии сушки пищевых продуктов 30
1.2.2. Стратегия проектирования технологии сушки пищевых продуктов 33
1.3. Основные теоретические подходы к математическому описанию процесса конвективной сушки 40
1.3.1. Основные признаки классификаций математических моделей сушки 40
1.3.2. Моделирование кинетики конвективной сушки на основе классической теории диффузии. 45
1.3.3. Моделирование сушки на основе законов термодинамики 47
1.3.4. Экспериментальные модели кинетики сушки 53
1.4. Тенденции развития конвективной сушки мелкодисперсных пищевых продуктов 58
1.5. Общие выводы к 1-ой главе 69
1.6. Формулирование основной научной гипотезы и постановка задач исследования 71
ГЛАВА 2 Математическое моделирование конвективной сушки мелкодисперсных пищевых продуктов как гетерогенного физико-химического процесса термического разделения 74
2.1. Теоретические и экспериментальные предпосылки применения законов кинетики химических реакций к моделированию процессов сушки 74
2.2. Основные положения теории кинетики химических реакций 77
2.3. Разработка общего вида математической модели конвективной сушки мелкодисперсных пищевых продуктов на основе законов кинетики химических реакций 81
2.4. Математические модели периода убывающей скорости сушки 85
2.4.1. Математическая модель периода убывающей скорости сушки для капиллярно-пористых тел 85
2.4.2. Математическая модель периода убывающей скорости сушки для коллоидных капиллярно-пористых тел 88
2.4.3. Определение физического смысла критериев в уравнениях кинетики сушки второго периода 94
2.5. Основное уравнение кинетики сушки 96
2.6. Определение количества теплоты на сушку влажного материала 100
2.7 Определение продолжительности конвективной сушки
мелкодисперсного материала и эквивалентного влагосодержания 103
ГЛАВА 3 Физико-химическое обоснование температурных режимов сушки 113
3.1. Анализ температурных режимов и методов оценки теплового воздействия на продукт в процессе сушки 113
3.1.1. Воздействие теплоты на термолабильные компоненты пищевых продуктов в процессе сушки 113
3.1.2. Анализ критериев определения допустимых температурных режимов сушки термолабильных продуктов 120
3.2. Кинетика физико-химических и биохимических превращений в термолабильных компонентах пищевых продуктов вод воздействием теплоты 128
3.3 Разработка физико-химической модели допустимых температурных режимов сушки пищевых продуктов 133
ЗАЭкспериментальная проверка физико-химической модели допустимых температурных режимов сушки 140
3.4.1. Экспериментальная установка для исследования сушки пищевых продуктов в фонтанирующем слое 140
3.4.2. Методика и результаты экспериментального исследования воздействия теплоты на молочный белок в процессе сушки 142
3.4.3. Экспериментальное исследование области допустимых температурных режимов сушки кукурузы 146
3.5. Анализ и установление области допустимых температурных режимов сушки пищевых продуктов в промышленных аппаратах 154
ГЛАВА 4 Экспериментальная проверка научной гипотезы на основе исследования кинетики сушки материалов 161
4.1. Методики экспериментального исследования сушки казеина в фонтанирующем слое 161
4.2. Влияние основных факторов процесса на кинетику сушки казеина в фонтанирующем слое 163
4.3. Экспериментальная проверка функциональной зависимости скорости первого периода сушки от температурного режима сушки 170
4.4. Экспериментальная проверка уравнения температурной кривой сушки 174
4.5. Анализ процесса сушки казеина в периоде падающей скорости 177
4.6. Экспериментальная проверка уравнения взаимосвязи тепло- и массообмена , 184
4.7. Экспериментальное определение эквивалентного и относительного эквивалентного влагосодержания в продуктах 187
ГЛАВА 5. Разработка структуры исследования и расчета кинетики конвективной сушки мелкодисперсных продуктов с применением методов инженерной физико-химической механики и физико- химического анализа (на примере исследования сушки казеина) 194
5.1. Общая схема расчета кинетики конвективной сушки мелкодисперсных материалов в аппаратах с активным гидродинамическим режимом 194
5.2. Структура исследования конвективной сушки мелкодисперсного материала 195
5.3. Исследование свойств казеина как объекта прессования, гранулирования и сушки методами инженерной физико-химической механики 197
5.3.1. Реологические свойства казеина 197
5.3.1.1. Обоснование методов и описание приборов для изучения реологических свойств казеина 198
5.3.1.2. Анализ кривых течения казеина 208
5.3.1.3. Исследование предельного напряжения сдвига казеина 215
5.3.2. Физико-механические свойства гранулированного казеина 222
5.4. Исследование свойств казеина как объекта сушки методами физико-химического анализа 230
5.4.1. Изучение форм и энергии связи влаги в казеине методами 230
5.4.2. Исследование форм связи влаги с казеином методом ядерного магнитного резонанса 234
5.4.2.1. Экспериментальная установка ЯМР и методика исследования 235
5.4.2.2. Обсуждение результатов исследования форм связи влаги в казеине методом ЯМР 238
5.5. Применение дериватографического анализа к исследованию конвективной сушки мелкодисперсных продуктов 241
5.6. Выводы по результатам исследования свойств казеина 251
ГЛАВА 6. Практическое использование результатов исследования на примерах разработки нового способа сушки казеина и линии сушки хлебной крошки 253
6.1 Разработка конструкции установки для осуществления комбинированного способа сушки казеина 253
6.2. Исследование и обоснование гидродинамического режима сушки казеина на стадии фонтанирования 256
6.2.1. Основные теоретические положения гидродинамики фонтанирующего слоя 256
6.2.2. Анализ результатов экспериментального исследования гидродинамики фонтанирующего слоя казеина и получение основных расчетных зависимостей 258
6.2.2.1. Анализ кривых псевдожижения фонтанирующего слоя казеина 258
6.2.2.2. Методика получения расчетных зависимостей гидродинамических параметров фонтанирующего слоя казеина 264
6.2.2.3. Определение перепада давления фонтанирующего слоя казеина 265
6.2.2.4. Определение скорости газа фонтанирующего слоя казеина 269
6.2.3 Выводы по результатам исследования и обоснование
гидродинамического режима сушки казеина в фонтанирующем слое 274
6.3. Реологический расчет гранулятора сушильной установки
6.4. Обсуждение результатов заводских испытаний опытно-промышленного образца сушильной установки
6.5. Разработка линии сушки хлебной крошки
6.5.1. Основные закономерности сушки хлеба
6.5.2. Анализ технологии, способов и конструкций сушилок для хлеба хлебной крошки
6.5.3. Устройство и работа линии сушки хлебной крошки
Основные результаты и выводы
Список использованной литературы
Введение к работе
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 нерен-табельным.
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.
Поверхностные явления на границе системы твердое тело — жидкость
Большинство твердых пищевых продуктов, подвергаемых сушке, являются коллоидными, капиллярно-пористыми веществами, состоящими из трех фаз: твердой, жидкой и газообразной. Масса газообразной фазы, состоящей из смеси воздуха и паров влаги, очень мала. Поэтому при рассмотрении процесса сушки считают, что влажное тело состоит из абсолютно сухого материала и влаги [59]. Твердая фаза образует во влажном материале так называемый твердый скелет (кристаллическая решетка в истинно твердых телах или хаотический каркас в
коагуляционных структурах), при взаимодействии с которым молекулы влаги образуют связь определенной прочности. В этой связи при анализе кинетики сушки большое значение имеют поверхностные явления, развивающиеся на границе системы: твердое тело - жидкость. Поэтому при усовершенствовании или разработке сушильного процесса значительное внимание уделяется изучению форм связи влаги с материалом. Процесс сушки сопровождается нарушением связи влаги с твердым скелетом, на что затрачивается определенная энергия. Классификация форм связи влаги с материалом, разработанная П.А. Ре-биндером [155] является одним из важнейших разделов физико-химических основ сушильного процесса. Сухой скелет влажного материала обладает лио-фильными свойствами, и стенки капилляров и пор могут достаточно прочно связывать молекулы жидкости. Поэтому механизм переноса жидкости при сушке значительно сложнее, чем движение жидкости по капиллярам пор при ее фильтрации. Кроме того, на физические характеристики и свойства воды значительное влияние оказывают растворенные в ней вещества, что также усложняет математическое описание процесса сушки.
Энергия связи влаги с материалом зависит от природы образования форм связи, которая может иметь химическое, физико-химическое или физико-механическое происхождение [155]. Среди явлений образования различных форм влаги исключительно высокое значение имеет явление адсорбции. В теории сушки обычно рассматривается физическая адсорбция, при которой адсорбируемая молекула влаги (адсорбат) и решетка адсорбента рассматриваются как независимые системы, т. е. индивидуальность адсорбируемой молекулы, а также атомов поверхности адсорбента сохраняется. Механизм физической адсорбции весьма сложен; адсорбция происходит неодинаково по слоям молекул воды, и до настоящего времени нет строго обоснованной законченной теории этого явления. При изучении механизма сушки широко используется теория БЭТ (Бранауэр, Эммет, Теллер [48, 84]). Однако сделанные ими допущения не совпадают с реальной физической картиной адсорбции: по представлениям са мого Бранауэра поверхность адсорбента энергетически неоднородна — различные участки поверхности обладают различными адсорбционными потенциалами [69]. Поэтому при образовании уплотненного мономолекулярного слоя молекулы воды на отдельных участках имеют различное значение энергии связи. По мере удаления влаги от поверхности адсорбента прочность полимолекулярной связи адсорбции снижается, поэтому она различна на участках каждого слоя.
На связь влаги с материалом значительное влияние оказывает дисперсность продукта, а также его физико-химические свойства, геометрия и размеры капилляров. Чем выше дисперсность, тем больше связанной влаги. Чем меньше радиус капилляров, тем больше энергии необходимо затратить на удаление из них влаги [43, 59,166].
П.А. Ребиндер, используя уравнения термодинамики, предложил в качестве единого критерия для классификации форм связи влаги с материалом принять величину свободной энергии изотермического обезвоживания, под которой понимается энергия, необходимая для отрыва одного моля воды от сухого скелета без изменения агрегатного состояния [155]: . Ece=-RT.\nq