Дисер по обезвоживанию (Расчет режимов обезвоживания клубники), страница 4

Расчет параметров льда з данном сечении аппарата

Расчет параметров продукта и хладоносителя на входе в следующее сечение аппарата

Расчет параметров продукта и хладоносителя на входе в следующее сечение аппарата

Расчет текущих параметров лада в аппарате"

■ЛМ V <

Печать: характер распределения толщины слоя льда, скорости кристаллизации и содержания продукта во льду по высоте аппарата

Понижение исходного значения температуры хладоносителя

Печать соответствующего сообщения_

Рис.3. Укрупненная блок-схема реализации математического описа ния криоконцентрирования фракционной кристаллизацией

О 12 3-15

Уср-^Н/с

0 12 3 4 5 6

Рис.4. Зависимость эффективности кристаллизации из стекающей пленки жидкости от:

(а)—массообменных характеристик лгф и Ож:

1— щ = 0.061, Эж = 5-Ю"10 м2/с; 2—0.146, 5-Ю"10; 3—0.146, 2.5-10мо;4— 0.146, 1.5-10"10; 5—0.146, МО"10.

(б)—условий теплообмена на границе раздела фаз ДТ" и а* :

1—ДТ5Г = 0.5 К, аж = 3740 Вт/м2К; 2—1.5, 3740; 3—3,3200; 4—3, 3740; 5—3, 5890.

2.2. Экспериментальный стенд и методика проведения исследований

Для установления закономерностей тепломассообмена и адекватности предложенной нами модели кристаллизационного концентрирования жидких пищевых продуктов и экспериментальных исследований в широком диапазоне теплофизических, массообменных характеристик и гидродинамических условий, под руководством и непосредственном участии автора разработаны и изготовлены технические средства, инструментальная техника и созданы методические приемы проведения исследований.

Экспериментальный стенд (рис.5) оснащен кристаллизаторами погружного (17) и оросительного (3) типа! системами циркуляции сгущаемой жидко-

сти и хладоносителя, включающими термостаты (8, 11), насосы (9), электронаг реватель (7), холодильную машину (10), средства автоматического контроля V управления процессом. Конструкция'установки позволяла изучать процессь направленной кристаллизации и концентрирования при различных режимах для чего предусмотрена возможность:

— проводить исследования с применением кристаллизаторов различного типа;

— варьировать температуру охлаждающей поверхности кристаллизаторов в диапазоне 253—280 К;

— понижать температуру охлаждающей поверхности по мере намораживания слоя льда со скоростью 0.1—1.0 К./ммн;

— изменять и поддерживать режимы движения концентрируемого раствора и охлаждающей среды в широком диапазоне значений числа Рей-нольдса (до 5000);

— поддерживать перегрев жидкости на входе в кристаллизатор в диапазоне 2—6 К.

Основной рабочий элемент экспериментального стенда — кристаллизатор — вертикальный цилиндрический теплообменник (17), диаметром 200 мм и высотой 350 мм с охлаждающей рубашкой (19), внутренняя поверхность которого использовалась для вымораживания на ней воды из раствора и отвода теплоты кристаллизации. Хладоноситель, охлажденный в емкости - рассольном испарителе (11) с помощью холодильной машины (10), подавался насосом (9) в рубашку аппарата. На внутренней поверхности кристаллизатора вымораживали часть воды из раствора, в результате чего концентрация последнего увеличивалась. Температура раствора и хладоносителя в рабочих точках измеряли хромель-копелевыми термопарами и регистрировали потенциометром КСГМ (21). Толщину слоя льда контролировали цифровым прибором — измерителем емкости Е-8 и потенциометром с емкостным датчиком (14).

пэ; 4—сборник продукта; 5—измеритель уровня; 6—слив концентрата; 7— электронагреватель; 8—термостат; 9—насос; 10—холодильная машина; 11— емкость для охлаждения хладоносителя; 12—термометр ЭКТ с проводом; 13— блок управления ТРК; 14—емкостной датчик; 15—редуктор; 16—электрический двигатель; 17—кристаллизатор погружного типа; 18—лопастная мешалка; 19—охлаждающая рубашка; 20—измеритель емкости Е-8; 21—потенциометр КСП-4.

Второй кристаллизатор пленочно-оросительного типа (3) представляет из себя вертикальную трубу диаметром 57x1.5 мм и длиной 1500 мм, по наружной поверхности которой стекала пленка раствора. Раствор из термостата насосом подавался в ороситель (1), расположенный в верхней части кристаллизационной колонны и через распределительную кольцевую щель шириной 0.5 или 1.0'мм стекал в термостат (8). Хладоноситель циркулировал по кольце-

вому каналу внутри трубы; его расход определяли с помощью расходомера ти па РС-3. Температуру раствора и хлздоносителя на входе и выходе кристалли затора регистрировали потенциометром (21). Для поддержания постоянное скорости кристаллизации температуру хладоносителя на входе в аппарат Т" понижали по линейному закону с помощью реверсивного двигателя, через электроконтактный термометр — ЭКТ (12), расположенный в емкости для охлаждения хладоносителя (11). Толщину слоя льда измеряли микрометром (2), имеющим возможность передвижения в вертикальной плоскости. Концентрацию жидких пищевых продуктов и льда, после его полного плавления и термо-статирования, определяли рефрактометрическим методом по стандартной методике.

Отдельные эксперименты по изучению кинетики кристаллообразования, исследованию теплофизических характеристик методами криомикроско-пии, микрокалориметрии, дифференциальной сканирующей калориметрии проводили на стенде визуализации процессов массообмена (МТИММП) с участием к.т.н. С.Н.Осипова, Е.Е.Ковтунова и Н.А.Синцова [28,28,41,48]. Качественные показатели исходного продукта, концентрата и льда изучали в соавторстве с д.т.н., проф. Н.К.Журзвской (МТИММП) и к.х.н., с.н.с. В.Т.Диановой (ИНЭОС АНСССР).

2.3. Результаты исследований криоконцентрирования

Исследования проводили на кристаллизаторах различного типа в широком диапазоне жидких пищевых продуктах: свекольном соке, молочной сыворотке, виноградном и яблочном соках, водно-белковой суспензии осажденных глобулинов бобов сои, экстрактах кофе, цикория, чая, виноградных выжимок, облепихи, кипрея и др.

На рис.6 представлены результаты исследований, подробно изложенные нами в работах [35,44,55], при сгущении свекольного сока в кристаллизаторе погружного типа с охлаждающей рубашкой и мешалкой. На каждой ступени концентрирования изучали влияние скорости движения продукта вдоль

поверхности раздела фаз и температурного нзпора ЛТ = Ткр -ТС1 на потери водорастворимых веществ и продолжительность процесса.

Рис.6. Зависимость потерь водорастворимых веществ (Сл) и продолжительности концентрирования (г„) от температурного напора (ДТ) Концентрация С*: 1—12%; 2—9%; 3—7%; 4—продолжительность концентрирования, мин.

Задача получения концентрированных растворов при минимальных потерях растворимых веществ налагает определенные ограничения на скорость процесса и условия отвода теплоты кристаллизации.

Кривые зависимости Сл от ДТ можно разбить на три участка. Первый, в диапазоне Т=0....3 К, характеризуется низким содержанием растворимых веществ во льду. По-видимому, в этом диапазоне наблюдается близравновесное вымораживание, т.е. УКр « УКрит- Продолжительность процесса велика и не может быть рекомендована для использования в промышленных условиях.

Второй участок при ДТ > 5 К находится в диапазоне скоростей, превышающих критическое значение УкрИт; ему соответствует содержание растворимых веществ во льду, близкое к начальной концентрации раствора и поэтому этот режим также не пригоден для концентрирования. Для третьего участка в диапазоне ДТ = 3....5 К характерно, так называемое, неравновесное вымораживание, при котором УКр < Укрит и приемлемые потери водорастворимых веществ. С ростом температурного напора скорость продвижения фронта кри-

сталлиззции становилась больше диффузии растворимых веществ от границь раздела фаз в растворе, что приводило к постоянному увеличению их содер жания во льду. Максимальная интенсивность криоконцентрировэния достигну та при скорости движения продукта 0.25—0.4 м/с и ДТ=3,5—4 К.

Исследуемый способ рекомендован для концентрирования жидкостей до ~18—20% с.в. по двуступенчатой схеме с рециркуляцией расплава льда с верхней на нижнюю ступень.

Проведенные нами НИР легли в основу исходных требований, по которым Винницкий ПКТИ разработал опытно-промышленную установку для концентрирования жидких пищевых продуктов, производительностью 50 кг/ч по исходному продукту.

Аналогичные результаты получены нами при криоконцентрировзнии молочной сыворотки, экстрактов цикория и чая [37,39,68,76].

Для уменьшения влияния Укр нз эффективность разделения нами предложен и исследован метод фракционного плавления [43,54,55], используемый для получения особочистых веществ в металлургической промышленности, модифицированный к условиям концентрирования жидких пищевых продуктов. По разработанной методике, на охлаждаемой поверхности вымораживали из раствора слой льда определенной толщины, затем кристаллизатор (теплообменник типа "труба в трубе" диаметр 20 мм и 1=250 мм) извлекали из концентрированного раствора. За счет подвода теплоты плавления естественной конвекцией из окружающей среды происходило подплавление льда, при котором измеряли изменение водорастворимых веществ в образце подплав-ляемого льда и в стекающем концентрате. Полученная зависимость представлена на рис.7.

Использование фракционного плавления позволило сократить потери водорастворимых веществ с удаляемым льдом до 0.7....1.0% вместо 2—2.5% и получить сок с концентрацией до 25....30%. Кроме того, автором впервые экспериментально установлено, что кристаллизацию в сочетании с частичным

подплавленмем льда можно прозодить при высоких скоростях (\/кр) и минимальных потерях растворимых веществ со льдом.

25 20 15

А

[ / ' п

а 1

Г? н г

/ \

К

7/, мин.

Рис.7. Зависимость содержания водорастворимых веществ в выплавляемом из льда концентрате (1) и в кристаллической фазе (2) от продолжительности подплавления (г)

2.4. Исследования массообменных и теплофизических характеристик жидких пищевых продуктов при криоконцеитрировашш

Преимущества направленной кристаллизации использованы нами в пленочных аппаратах оросительного типа [50] для интенсификации тепломас-' сообмена при концентрировании жидких пищевых продуктов — свекольного сока; молочной сыворотки, водно-белковой суспензии осажденных глобулинов соевых бобов и др. [35,39,40,41,44,57].

Нами экспериментально получены зависимости коэффициента "физического" захвата /сф (рис.8а) и коэффициента диффузии Эж (рис.8б) от концентрации раствора СГЖ при направленной кристаллизации из стекающей пленки при следующих параметрах процесса: температура жидкости на входе в кристаллизатор Тж =276 К, объемный расход 6ж=18 ПО"5 м3/с, скорость понижения температуры хладоносителя на входе в аппарат А" =0.3 К/мин, коэффициент теплоотдачи хладоносителя ахл=2200 Вт/м2К, толщина слоя льда по высоте аппарата 3=5 5-10"3м. Эксперименты подтвердили ранее сделанные выводы о

том, что селективность разделения раствора и критическая скорость криста) лизации снижаются при увеличении концентрации жидкого продукта, в осное ном за счет ухудшения условий массообмена на границе раздела фаз.

вл 0.3 0.2 0.1 0.0

---- 1 1 1 §

(. 10 , м/с

О 6 12 16 / а /

6 12 1И С**

. / б /

Рис.8. Зависимость коэффициента "физического" захвата (а) и коэффициента диффузии (б) от концентрации жидкости: 1—свекольный сок, 2—молочная сыворотка, 3—суспензия осажденных глобулинов соевых бобов.

На втором этапе исследовз/И зависимость изменения коэффициента распределения водорастворимых веществ продукта Кэф = и скорости кри-