Установка для концентрирования и сушки жидких пищевых продуктов в вакууме

А. А. Емельянов, В.В. Долженков, К. А. Емельянов
Орловский государственный технический университет

Малогабаритная установка для концентрирования и сушки пищевых продуктов в вакууме, применимая к условиям малых предприятий и фермерских хозяйств, рассмотрена в [1]. Однако режимы работы исследованы при дистилляции водопроводной воды. В отличие от воды жидкие пищевые продукты при кипении образуют пену. Возникновение пены существенно снижает производительность процесса выпаривания вплоть до полной остановки.

С целью повышения эффективности работы вакуумная установка оснащена дополнительными элементами и исследовано выпаривание пенообразующих жидкостей.

Блок-схема вакуумной установки для концентрирования и сушки жидких пищевых продуктов приведена на рис. 1.

Установка включает испаритель 1 рабочим объемом 40 л, соединенный паропроводом 2 с горизонтальным кожухотрубчатым конденсатором 3. Паропровод содержит шесть параллельно включенных вакуумных шлангов длиной 750 мм с проходным диаметром 19 мм. Горизонтальный конденсатор, предназначенный для конденсации пара, подсоединен трубопроводом 4 к вертикальному конденсатору 5. Вертикальный конденсатор осуществляет охлаждение конденсата и соединен через вентиль 6 со сборником конденсата 7. При больших скоростях выпаривания вертикальный конденсатор охлаждает смесь пара и конденсата и повышает эффективность устройства [2]. В конденсаторах использовано водяное охлаждение. Сборник конденсата подсоединен через ловушку для жидкой фазы 8 и вентиль 9 к форвакуумному насосу 10, обеспечивающему разрежение до 6 Па. Ловушка, с одной стороны, защищает насос от проникновения жидкой фазы, а с другой, – сборник конденсата от аварийного попадания рабочей жидкости насоса. На внутренней стороне крышки испарителя смонтирован брызгоуловитель 11. Брызгоуловитель, разделяя паровую и жидкую фазы, защищает конденсат от брызг кипящего продукта и обеспечивает его чистоту и прозрачность [3]. При сушке в испаритель, помимо высушиваемого материала, загружают рабочие тела 12 в виде шаров из нержавеющей стали. В рубашке испарителя установлено шесть трубчатых электронагревателей 13 мощностью 2,2 кВт каждый. Испаритель помещен в ячейку 14 с двумя осями вращения. Привод 15 обеспечивает колебательное вращение ячейки на пол-оборота относительно оси симметрии и осуществляет перемешивание материала при ее горизонтальном расположении. Положение оси симметрии ячейки изменяется с помощью рукоятки 16. Терморегулятор 17 поддерживает заданную температуру рабочей жидкости в рубашке испарителя.

В отличие от устройства [1] рассматриваемое устройство имеет в два раза больший проходной диаметр шлангов паропровода, оснащено брызгоуловителем, ловушкой для жидкой фазы и дополнительным вентилем, установленным между вертикальным конденсатором и сборником конденсата.

Исследовано влияние проходного диаметра шлангов паропровода на характеристики процесса выпаривания при дистилляции воды. Зависимости времени выхода процесса дистилляции в установившийся режим и температуры кипения от мощности нагрева при остаточном давлении  Па и разном проходном диаметре шлангов паропровода приведены на рис. 2.

Из кривых   и   следует, что при двукратном увеличении проходного диаметра время выхода в установившийся режим дистилляции и температура кипения уменьшаются в среднем на ~ 15 %. Снижение температуры кипения на 10 ○С до величин  ○С при максимальной мощности установки  кВт обеспечивает минимальные потери биологической активности при высокой производительности выпаривания жидкого сельскохозяйственного сырья. Изменение проходного диаметра шлангов паропровода не повлияло на производительность установки. В установившемся режиме скорость выпаривания возрастает с подведенной мощностью от 10 %∙ч–1 при удельной мощности  Вт/кг до 60 %∙ч–1 при  Вт/кг, отнесенной к массе  загруженного сырья.

В экспериментах использованы натуральные ягодные соки и спиртосодержащие жидкости. Перед началом кипения жидкость образовывала пену. Пенообразование, замедлявшее процесс выпаривания, подавлялось при отключенном нагреве повышением остаточного давления в испарителе путем отсечки форвакуумного насоса с помощью вентиля 9 [4]. После снижения уровня пены и ликвидации угрозы ее попадания в паропровод давление в испарителе уменьшали до первоначальной величины, плавно открывая вентиль. В случае возникновения пенообразования операцию регулирования давления повторяли.

В результате подавления пены выпариваемая жидкость переходила в стадию объемного кипения. Кипение, сопровождавшееся испарением свободной влаги, конденсацией паров и поступлением конденсата в сборник, в течение нескольких минут выходило в установившийся режим. В установившемся режиме изменением мощности нагрева достигалась заданная температура кипения. При удалении влаги из натуральных соков температуру кипения поддерживали на уровне  ○С. Кипение сопровождалось разбрызгиванием жидкости. Наличие брызгоуловителя обеспечивало разделение пара и жидкой фазы, при этом, несмотря на бурное кипение и интенсивное разбрызгивание, конденсат, поступавший в сборник, оставался чистым и прозрачным.

В процессе выпаривания изменяется как влажность выпариваемого продукта, так и скорость удаления влаги. На рис. 3 представлены кривые сушки и скорости сушки сока черной смородины.

При начальной массе   использовавшегося в эксперименте сока массы сухого вещества   и начальной влаги   соответствовали известным данным [5], составляя для черной смородины   и  . В ходе эксперимента измерялась масса конденсата   и определялась влажность продукта относительно массы сухого вещества

.                    (1)

Из кривой сушки  , приведенной на рис. 3а, следует, что через время запаздывания  мин, включавшее прогрев и подавление пенообразования, в сборник начал поступать конденсат. Пена, возникшая через 8 мин после включения нагрева при температуре 29 ºС, увеличиваясь в объеме, поднималась к паропроводу и угрожала выбросом продукта в сборник конденсата. Повышением давления в испарителе путем отсечки насоса уровень пены был снижен до минимального. После опускания пены плавным подсоединением насоса жидкость переведена в состояние объемного кипения. Кипение сопровождалось поступлением конденсата в сборник и протекало без угрозы попадания пены в паропровод.

Выпаривание растительных жидкостей включает испарение свободной и связанной влаги. Испарение свободной влаги характеризуется неизменными температурой кипения и скоростью поступления конденсата в сборник, которые составили  ○С,  ч–1. При достижении первой критической влажности , определяющей переход от удаления свободной влаги к удалению влаги связанной, скорость поступления конденсата в сборник начала уменьшаться во времени. Поступление конденсата прекратилось при влажности  . По окончании конденсации ось испарителя была переведена в горизонтальное положение и осуществлено перемешивание продукта путем колебательного вращения испарителя вокруг оси симметрии. Перемешивание привело к дополнительной кратковременной конденсации, снизившей влажность до второй критической величины  , в 3,6 раза меньшей первоначального значения  , после чего выпаривание, продолжавшееся 3,5 часа, было завершено.

В результате графического дифференцирования кривой сушки   построена кривая скорости сушки (Рис. 3б). Из зависимости   следует, что на участке   имело место удаление свободной влаги со скоростью  ч–1. При   удалялась связанная влага с постоянно убывающей скоростью. По окончании конденсации перемешивание продукта привело к скачкообразному возрастанию скорости удаления влаги до 1,2 ч–1 с последующим уменьшением до нуля. Согласно [6], влажности   соответствует удаление капиллярной влаги.

В опытах со спиртосодержащей жидкостью наблюдалось снижение эффективности работы форвакуумного насоса, что повышало остаточное давление и существенно сдерживало начало дистилляции. Снижение эффективности можно объяснить проникновением и конденсацией паров спирта в рабочей жидкости насоса. С целью ускорения начала дистилляции установлен дополнительный вентиль 6 между вертикальным конденсатором и сборником конденсата. Вентиль, отсекая испаритель, позволял создавать в сборнике конденсата более глубокое разрежение и затем формировать импульс разрежения в испарителе, инициируя объемное кипение.

Испытания проведены на 20 л жидкости с содержанием спирта            18 % об. После включения форвакуумного насоса в системе установилось разрежение 12 Па. Временные зависимости температуры в камере испарителя (кривая 1), остаточного давления в системе (2) и объема дистиллята (3) приведены на рис. 4.

Регулированием мощности нагрева в камере испарителя достигнута температура  ○С. Однако выдержка в течение 20 мин при  ○С не привела к кипению жидкости. Дополнительный кратковременный нагрев повысил температуру в испарителе и давление в системе до  ○С и  Па, не вызвав кипения. На 80 мин был перекрыт вентиль между вертикальным конденсатором и сборником конденсата. После отсечки испарителя пары спирта перестали поступать в насос, и в течение    10 мин остаточное давление в сборнике конденсата уменьшилось на треть до 8,6 Па. Последующее подключение сборника к испарителю позволило сформировать в испарителе импульс разрежения, результатом которого явилось взрывное вскипание жидкости. Одновременно с возникновением объемного кипения началось поступление дистиллята в сборник и снижение температуры в испарителе. Включение нагрева в момент начала дистилляции обеспечило устойчивый режим выпаривания со скоростью 18 л/ч при остаточном давлении в системе 9,3 Па.

Снижение эффективности работы форвакуумного насоса могло приводить к выбросу рабочей жидкости в сборник конденсата. Для защиты сборника от аварийного попадания рабочей жидкости насоса, а так же для защиты насоса от капельной фазы выпариваемой жидкости между сборником конденсата и насосом установлена ловушка с объемом, превышающим объем рабочей жидкости насоса. Испытания ловушки проведены при дистилляции спирта-сырца с содержанием спирта  60 % об и при выпаривании сока черной смородины. В результате дистилляции в ловушке скапливалась жидкость, ее объем составлял 0,2 % от объема конденсата. При выпаривании сока имел место аварийный выброс масла из насоса. Однако все масло оказалось в ловушке и не попало в сборник конденсата.

Таким образом, рассмотрено устройство для концентрирования и сушки жидких пищевых продуктов в вакууме. Применение шлангов паропровода с увеличенным проходным диаметром обеспечило кипение выпариваемой жидкости при температурах  ○С. Показано, что регулированием остаточного давления в испарителе достигается снижение уровня пены и обеспечивается переход к объемному кипению.

Воздействием импульса разрежения инициировано кипение спиртосодержащей жидкости. Введение в устройство брызгоуловителя обеспечило высокое качество дистиллята. С помощью ловушки, установленной между сборником конденсата и насосом, обеспечена защита насоса от капельной фазы выпариваемой жидкости и сборника от аварийного выброса рабочей жидкости насоса. Введением дополнительных элементов в конструкцию обеспечено повышение эффективности  работы устройства.
 
Литература
1.    Емельянов А.А., Золотарев А.Г., Емельянов К.А. Малогабаритная установка для концентрирования и сушки пищевых продуктов в вакууме // Пищевая промышленность, 2007. №  12. C. 52.
2.    Емельянов А.А., Емельянов К.А., Золотарев А.Г. Патент  2316701 РФ // 2008. БИ.    № 4.
3.    Емельянов А.А., Емельянов К.А., Долженков В.В., Золотарев А.Г. Патент 2327092 РФ // 2008. БИ. № 17.
4.    Долженков В.В., Емельянов А.А., Емельянов К.А., Золотарев А.Г. Патент 2327356 РФ // 2008. БИ. № 18.
5.    Химический состав пищевых продуктов. М.: Агропромиздат, 1987.
6.    Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 1971.
 
Статья опубликована в журнале "Известия ВУЗов. Пищевая технология" N4, 2009, С. 84-87