124852 (Использование сублимации в пищевой промышленности)

Содержание

1. Сущность и назначение процесса нагревания продукта под вакуумом

2. Материальный и энергетический баланс процесса выпаривания

Задача 1

Задача 2

3. Навесные магнитные сепараторы

4. Просыпные или жидкостные магнитные сепараторы

5. Валковые магнитные сепараторы

Задача 1

Задание 2

Список использованной литературы

1. Сущность и назначение процесса нагревания продукта под вакуумом

Процесс нагревания продукта под вакуумом носит название сублимация (возгонка).

Сублима́ция (возгонка) - переход вещества из твёрдого состояния сразу в газообразное, минуя жидкое. Поскольку при сублимации изменяется удельный объём вещества и поглощается энергия (теплота сублимации), сублимация является фазовым переходом первого рода. Обратным процессом является десублимация или конденсация.

Сублимация характерна, например, для химически чистого йода, который при нормальных условиях не имеет жидкой фазы: голубые кристаллы сразу превращаются (сублимируются) в газообразный йод. Напомним, что медицинский "йод" представляет собой спиртовой раствор.

Хорошо поддается сублимации вода, что определило широкое применение данного процесса как одного из способов сушки. При промышленной сублимации сначала производят заморозку исходного тела, а затем помещают его в вакуумную или заполненную инертными газами камеру. Физически процесс сублимации продолжается до тех пор, пока концентрация водяных паров в камере не достигнет нормального для данной температуры уровня, в связи с чем избыточные водяные пары постоянно откачивают. Сублимация применяется в химической промышленности, в частности, на производствах взрывоопасных или взрывчатых веществ, получаемых осаждением из водных растворов.

На этом эффекте основан один из способов очистки твердых веществ. При определенной температуре одно из веществ в смеси возгоняется, а другое нет. Пары очищаемого вещества конденсируют на охлаждаемой поверхности. Прибор, применяемый для этого способа, очистки называется сублиматор.

Сублимация также используется в пищевой промышленности: так, например, фрукты после сублимирования весят в несколько раз меньше, а восстанавливаются в воде. Сублимированные продукты значительно превосходят сушеные по пищевой ценности, так как возгонке поддается только вода, а при термическом испарении теряются многие полезные вещества. Недостатком пищевой сублимации является использование заморозки, что приводит к разрушению клеток, расширяющейся при замерзании водой.

Сублимация представляет собой технологию удаления воды из свежих продуктов вакуумным способом, что позволяет сохранить в получаемых продуктах питания до 98% полезных веществ, а также естественные вкусовые ощущения и запах исходных продуктов. При замачивании в воде, сублимированные продукты быстро возвращаются к естественной форме. Совершенство технологии позволяет хранить сублимированные продукты до пяти лет.

Сублимированные продукты используются как основа для диетического и детского питания. И самое важное, что сырьем для производства сублимированных продуктов служат только свежие продукты - иначе они просто не выдерживают сублимации.

Технологический процесс производства пищевых продуктов сублимационной сушки включает следующие стадии:

отбор и предварительная обработка сырья;

замораживание;

сублимационная сушка;

упаковка высушенных продуктов.

В Советском Союзе сублимационную сушку стали использовать в пищевой индустрии в 60-х гг., в основном для снабжения армии и флота продовольствием - легким и не требующим специальных условий хранения. В небольших объемах сублимированные продукты производили научно-исследовательские институты и научно-производственные объединения, например НИИ пищеконцентратной промышленности и специальных пищевых технологий, ориентируясь на узкую группу потребителей - туристов, геологов, подводников и космонавтов. [3]

Сушилка (рисунок 1) представляет собой герметически закрывающуюся камеру 1, в которую помещают материал на противнях 3. Наблюдается три стадии удаления влаги из материала: самозамораживание, сублимация, испарение остаточной влаги.

Рисунок 1 - Сушилка сублимационная: 1-камера; 2-обогреватели; 3 – протвени. [1]

Самозамораживание - это отвод тепла из продукта за счет теплоты испарения с понижением температуры ниже точки замерзания и образования кристаллов льда. Эта стадия протекает в процессе достижения в камере 1 глубокого вакуума (остаточное давление 1,0 0,1 мм рт. ст). При этом удаляется 10 - 15% влаги.

Сублимация - это удаление основной части влаги (40 - 60%) путем перехода влаги, находящейся в материале в виде льда, в пар, минуя жидкое состояние. Тепло на испарение влаги подводится к материалу излучением от обогреваемых теплоносителем (горячей водой) полых плит 2. Высушиваемый материал располагается на сетчатых противнях 3 между смежными плитами и подвергается двустороннему облучению (сверху и снизу). Сушка производится при осторожном и мягком обогреве замороженного материала, т.к количество передаваемого тепла не должно превышать его расхода на сублимацию льда без его плавления.

Испарение остаточной адсорбционно связанной влаги - это удаление части влаги, которая не замерзает даже при очень низких температурах. При этом температура материала быстро повышается.

Между сушилкой и вакуум-насосом устанавливается конденсатор, охлаждаемый холодильным агентом, например, аммиаком до температуры более низкой, чем температура сублимации. Вследствие этого парогазовая смесь из сушилки непрерывно поступает в конденсатор, где основная масса пара замораживается на теплопередающих стенках, а газы и частично пары воды отсасываются вакуум-насосом в атмосферу. Установка снабжается двумя конденсаторами, которые попеременно размораживаются при подаче пара или воды.

Несмотря на применение низкотемпературного теплоносителя (40 - 60оС), суммарный расход энергии на молекулярную сушку велик. Поэтому она применяется, когда высушиваемый материал (пенициллин, стрептомицин и другие медицинские препараты, плазма крови и др.) должен продолжительно сохранять биологические свойства.

Рисунок 2. Схема сушилки для сублимационной сушки продуктов

Для получения 1 кг сухого продукта необходимо высушить 10 кг сырья. Затраты на традиционную атмосферную сушку в два раза меньше затрат на сублимацию.

2. Материальный и энергетический баланс процесса выпаривания

Выпаривание, концентрирование растворов (чаще всего твёрдых веществ в воде) частичным испарением растворителя при кипении. При этом повышаются концентрация, плотность и вязкость раствора, а также температура его кипения. При пересыщении раствора растворённое вещество выпадает в осадок. Температура кипения растворов всегда выше температуры кипения растворителей; разность между ними, называется температурной депрессией, растёт с увеличением концентрации растворённого вещества и внешнего давления.

В. производится за счёт подводимого извне тепла: при температуре ниже 200°C теплоносителем является водяной пар, выше 200°С - высококипящие жидкости (дифенильная смесь, масло) и топочные газы. Обогрев производится через стенку аппарата, а при сильно агрессивных средах - барботажем пузырьков газа сквозь раствор или распылением последнего в струе газа. [2]

В. ведут при атмосферном, пониженном или повышенном давлении. В большинстве случаев экономически выгодно работать под давлением выше 0,1 Мн/м2 (1 кгс/см2), так как в этом случае можно использовать вторичный пар для обогрева других аппаратов. При работе с термически нестойкими веществами пользуются вакуум-выпаркой, что позволяет снизить температуру кипения растворов и уменьшить поверхность нагрева (вследствие увеличения разности температур между нагревающими агентами и кипящим раствором). Вакуум в аппаратах создаётся конденсацией вторичного пара и отсасыванием вакуум-насосом несконденсировавшейся паровоздушной смеси. Полный расход тепла на стадии выпаривания можно определить из уравнения теплового баланса: [4]

Qв расход тепла на выпаривание,

сnt`kGn - расход тепла в начале выпаривания

Wib - тепло с водяным паром,

ckt``kGk - тепло в конце стадии выпаривания (расход тепла на выпаривание смеси от начальной температуры кипения t`k до конечной t``k)

Основные уравнения материального баланса:

где - массовые расходы начального и конечного раствора, кг/с;

х_нач, х_кон - массовые доли растворенного вещества в начальном и конечном растворе;

W - массовый расход выпариваемой воды, кг/с:

Уравнение теплового баланса выпарного аппарата:

Q = Qнагр+ Qисп+ Qпот, (3)

где Q - расход теплоты на выпаривание, Вт;

Qнагр - расход теплоты на нагрев раствора до температуры кипения, Вт;

Qисп- расход теплоты на упаривание раствора до конечной концентрации, Вт;

Qпот - расход теплоты на компенсацию потерь в окружающую среду, Вт;

Существует более 80 разновидностей выпарных аппаратов с паровым обогревом. В малотоннажных производствах обычно применяют вертикальные и горизонтальные цилиндрические выпарные аппараты с обогревом змеевиками или нагревательными рубашками; в крупнотоннажных производствах - аппараты с внутренними и выносными нагревательными камерами (рис.1), плёночные аппараты, в которых струя пара увлекает вверх тонкую плёнку раствора, в результате чего создаются благоприятные условия для В., и аппараты с принудительной циркуляцией (рис.2). Последние применяют при необходимости предотвратить осаждение солей на поверхности нагрева, а также при упаривании вязких растворов.

В однокорпусных аппаратах расход греющего пара составляет 1,2-1,25 кг на испарение 1 кг воды. Значительно экономнее многокорпусные выпарные установки, из которых наиболее распространены прямоточные (рис.3); в них слабый раствор и греющий пар, движущиеся в одном направлении, последовательно поступают в выпарные аппараты. В последнем аппарате, присоединённом к барометрическому конденсатору и вакуум-насосу, создаётся разрежение, вследствие чего давление и температура кипения раствора постепенно понижаются от первого корпуса к последнему; благодаря этому осуществляется переток раствора и его испарение при обогреве вторичными парами. В противоточных установках раствор и греющий пар движутся навстречу друг другу, при параллельном питании слабый раствор подаётся одновременно во все корпуса.

На практике число корпусов редко бывает больше пяти, так как дальше полезная разность температур становится очень малой. Расход греющего пара на испарение 1 кг выпариваемой воды составляет для трёхкорпусной установки 0,4 кг, а для пятикорпусной 0,25-0,28 кг. Многокорпусные выпарные установки широко применяются в многотоннажных производствах, потребляющих большое количество греющего пара (например, производство сахара). [6]

Рисунок 3. Выпарной аппарат с принудительной циркуляцией: 1 - корпус; 2 - циркуляционный насос; 3 - циркуляционная труба; 4 - сепаратор; 5 - отбойник.

Рисунок 4. Схема прямоточной многокорпусной выпарной установки: 1 - подогреватель; 2 - выпарные аппараты; 3 - конденсатор; 4 - барометрическая труба.