Способ сушки сыпучих термочувствительных материалов и установка для его осуществления

 

Изобретение относится к пищевой, микробиологической, фармацевтической и химической технологии и может быть использовано для сушки термочувствительных материалов, в том числе содержащих летучие и окисляющиеся на воздухе компоненты. Способ, осуществляемый в двухкамерной установке, заключается в проведении циклически чередующихся процессов нагрева и охлаждения высушиваемого материала в ограниченном температурном интервале, причем нагревание проводят продувкой слоя материала подогретым газом, а охлаждение - вакуумированием, при этом выделяющиеся пары конденсируют и отводят в сборник конденсата, а осушенный газ направляют на рециркуляцию. Двухкамерная установка, содержащая газодувку, калорифер, циклон, пылесборник, газопроводы, вакуумные затворы для переключения потоков газа, контрольно-измерительные приборы и систему автоматического управления затворами, снабжена вакуум-конденсационным агрегатом и сборником конденсата, причем газоотводящие патрубки камер автономно сообщены газопроводами с всасывающим патрубком газодувки и приемным патрубком конденсатора через затворы, а выпускной патрубок вакуумного насоса сообщен с всасывающим патрубком газодувки. Установка снабжена также баллонами для сжатого нейтрального газа и трубами для его подвода в сушильные камеры. В процессе работы установки вакуумный насос поочередно создает в одной камере разрежение, а в другой - избыточное давление. Осциллирующий баротермический режим процесса существенно интенсифицирует массоперенос внутри частиц материала, а благодаря полной рециркуляции газа и герметичности установки исключаются потери сушильного газа и летучих компонентов в окружающую атмосферу и обеспечивается возможность использовать в качестве сушильного агента нейтральный газ (азот, диоксид углерода и др.), что предотвращает окисление материала кислородом воздуха как в процессе сушки, так и при последующем хранении материала (если он упакован в герметичную тару). 2 с. и 2 з. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к пищевой, микробиологической, фармацевтической и химической технологии и может быть использовано для сушки термочувствительных материалов, в том числе содержащих летучие и окисляющиеся на воздухе компоненты.

Известен комбинированный способ сушки гранулированных хлебопекарных дрожжей, осуществляемый последовательно в двух установках [1]. Согласно этому способу процесс проводят в две стадии: первую стадию сушки от начальной влажности 70...75% до промежуточной 17...20% осуществляют конвективным способом в установке с псевдоожиженным слоем, а вторую стадию - досушку до конечной влажности 7. . .8% - осуществляют способом вакуумирования в установке барабанного типа с кондуктивным теплоподводом. Весь процесс проводят так, чтобы температура материала в течение обеих стадий не превышала максимально допустимую (для дрожжей ≈30^oC). Для этого в первой стадии сушки ограничивают температуру сушильного газа (воздуха), а во второй - температуру нагревателей. Недостатком такого способа сушки является необходимость перегрузки материала из одной установки в другую, что требует излишних затрат труда и времени. Кроме того, вакуумная барабанная сушилка дорога из-за сложности ее конструкции и имеет низкую удельную производительность (отнесенную к объему барабана), обусловленную малым значением степени заполнения барабана высушиваемым материалом (не превышающей 20%), что вызвано трудностью осуществления равномерного подвода тепла ко всей массе материала при кондуктивном нагреве.

Известен способ сушки сыпучих термочувствительных материалов в псевдоожиженном слое (выбранный в качестве прототипа), заключающийся в загрузке исходного материала в сушильную камеру, проведении циклически чередующихся процессов нагрева и охлаждения материала продувкой слоя нагретым и холодным сушильным газом (воздухом) с отводом образующихся паров при соблюдении условия, чтобы в конце циклов нагрева температура материала не превышала предельно допустимого значения, и последующей выгрузке готового продукта [2].

Известная сушильная установка (прототип) содержит сушильную камеру с патрубками для подвода и отвода сушильного газа и газораспределительной решеткой, газодувку, калорифер, газопроводы, затворы (клапаны) для циклического переключения потока газа (через калорифер и в обход его), контрольно-измерительные приборы и систему автоматического управления затворами [2].

В известном способе и установке в периоды охлаждения материала процесс сушки протекает значительно менее интенсивно, чем в периоды нагрева, что снижает удельную производительность установки, усредненную по времени всего цикла. Кроме того, вместе с отработанным влажным воздухом из установки в окружающую атмосферу выбрасываются выделяющиеся из высушиваемого материала летучие компоненты, которые в одних случаях сами могут быть ценными продуктами (например, ароматические или лечебные вещества, содержащиеся в плодово-ягодном сырье, корнях и травах), а в других случаях, наоборот - токсичными веществами, загрязняющими атмосферу. В этой установке невозможно осуществить процесс сушки при полной рециркуляции сушильного газа и, следовательно, экономически нецелесообразно использовать в ней в качестве сушильного агента нейтральный газ из-за чрезмерно больших потерь газа.

Цель изобретения состоит в повышении удельной производительности, эффективности и экологической безопасности процесса, а также качества получаемого продукта за счет интенсификации массообмена, улавливания летучих компонентов и использования в качестве сушильного агента нейтрального газа.

Поставленная цель достигается тем, что в способе сушки сыпучих термочувствительных материалов в продуваемом слое при осциллирующем температурном режиме, заключающемся в загрузке исходного материала в сушильную камеру, проведении циклически чередующихся процессов нагрева и охлаждения материала в ограниченном температурном интервале с отводом образующихся паров до получения продукта с требуемой конечной влажностью и выгрузке готового продукта, согласно изобретению процесс проводят в двухкамерной установке, причем охлаждение материала в циклах осуществляют поочередным вакуумированием камер с помощью вакуум-конденсационного агрегата, пары конденсируют, конденсат отводят в сборник, а осушенный газ направляют на рециркуляцию. При сушке окисляющихся на воздухе материалов установку заполняют нейтральным газом.

Поставленная цель достигается также тем, что установка, содержащая сушильную камеру с патрубками для подвода и отвода сушильного газа и газораспределительной решеткой, газодувку, калорифер, газопроводы, затворы для циклического переключения потоков газа, контрольно-измерительные приборы и систему автоматического управления затворами, согласно изобретению снабжена второй такой же сушильной камерой, вакуум-конденсационным агрегатом и сборником конденсата, причем отводящие патрубки обеих камер автономно сообщены газопроводами со всасывающим патрубком газодувки и приемным патрубком конденсатора через затворы, а выпускной патрубок вакуумного насоса сообщен со всасывающим патрубком газодувки.

Согласно заявляемому способу в процессе работы предлагаемой установки наряду с диффузионной и термоградиентной составляющими массопереноса внутри частиц материала возникает осциллирующая бароградиентная составляющая, причем ее вклад в общий массообмен является доминирующим. В фазе вакуумирования камеры находящийся в порах материала газ, насыщенный парами влаги и летучих компонентов, под действием градиента давления выталкивается наружу, т.е. в объем камеры, откуда газ направляется в вакуум-конденсационный агрегат, где пары конденсируются, конденсат отводится в сборник, а осушенный газ направляется на рециркуляцию в другую камеру. Так как в фазе вакуумирования материала процесс испарения протекает без внешнего теплоподвода, материал охлаждается. В фазе продувки материала нагретым газом возникает обратный по направлению градиент давления, под действием которого газ быстро заполняет поры материала, при этом материал нагревается, а газ насыщается парами влаги и летучих компонентов. Помимо этого, при сушке растительного сырья в осциллирующем баротермическом режиме колебания давления в камере способствуют разрушению протоплазмы клеток, удерживающей внутриклеточную влагу. В результате существенно ускоряется массообмен и повышается удельная производительность установки.

Именно для осуществления осциллирующего баротермического режима процесса с конденсацией паров, сбором конденсата и рециркуляцией газа необходимы вторая сушильная камера, вакуум-конденсационный агрегат и сборник конденсата, а также автономное сообщение отводящих патрубков обеих камер с всасывающим патрубком газодувки и приемным патрубком конденсатора через затворы и сообщение выпускного патрубка вакуумного насоса с всасывающим патрубком газодувки. В процессе работы установки вакуумный насос попеременно создает в одной из камер разрежение, а в другой - избыточное давление, в результате чего увеличивается амплитуда колебаний давления в камерах, что интенсифицирует процесс сушки. Кроме того, в двухкамерной установке удваивается производительность процесса при сохранении того же количества единиц и производительности остального оборудования - газодувки, калорифера и вакуум-конденсационного агрегата, и в ходе процесса обеспечивается непрерывный режим работы этого оборудования. Обеспечивается также возможность регулирования кратности циркуляции газа через камеры при их продувке без нарушения режима работы вакуумного насоса, что позволяет поддерживать в камерах аэродинамические условия, оптимальные для данного материала и для данной стадии процесса. Благодаря полной рециркуляции газа и герметичности установки летучие компоненты вместе с влагой материала накапливаются в сборнике конденсата в виде раствора, который по завершению процесса отводится из сборника и используется по назначению.

Предлагаемый способ и установку можно эффективно применять и для сушки окисляющихся на воздухе материалов, используя в качестве сушильного агента нейтральный газ, например, азот или диоксид углерода, которым заполняют установку из обычных баллонов с запорным вентилем со сжатым нейтральным газом через редуктор. Потери газа возможны лишь при проведении операции загрузки-выгрузки материала из сушильных камер, однако эти потери не столь велики и вполне оправдываются повышением качества продукта, особенно в тех случаях, когда выгружаемый продукт упаковывают в герметичную тару. В этих случаях в порах высушенного материала сохраняется нейтральный газ, который предотвращает окислительные процессы при последующем хранении материала.

Предлагаемая установка показана на чертеже.

Установка содержит две одинаковые сушильные камеры 1 и 2 с подводящими и отводящими патрубками, газораспределительными решетками 3, съемными решетками 4, 5 и герметичными люками - загрузочным 6 и разгрузочным 7. Установка содержит также газодувку 8, калорифер 9, систему газопроводов, вакуумные затворы 10 - 15, регулирующую заслонку 16, циклон 17, пылесборник 18, газовый фильтр 19, поверхностный конденсатор 20, сборник конденсата 21, водокольцевой вакуумный насос 22. Установка оснащена пробными кранами 23, мановакуумметрами 24, датчиками температуры 25, 26 и 27 и системой автоматического управления вакуумными затворами (не показана). Установка может быть снабжена баллонами 28 для сжатого нейтрального газа и трубами для подвода газа в сушильные камеры.

Процесс сушки проводят следующим образом.

Исходный материал загружают в камеры 1 и 2 через люки 6, которые затем герметично закрывают. Открывают затворы 10, 12 и 14, закрывают затворы 11, 13 и 15 и включают в работу калорифер, газодувку, вакуум-конденсационный агрегат и систему автоматического управления затворами. В установке происходит циркуляция газа по замкнутому контуру газодувка - калорифер - камера 1 - циклон - газодувка. Нагреваемый в калорифере газ, проходя через слой материала в камере 1, нагревает его и насыщается парами влаги и летучих компонентов материала. При этом решетка 4 препятствует уносу частиц материала из камеры, а проходящая через эту решетку пыль отделяется от газа в циклоне 17 и оседает в пылесборнике 18. Одновременно с этим происходит вакуумирование камеры 2, вследствие чего влага и летучие компоненты испаряются из материала и материал охлаждается. Парогазовая смесь, проходя через фильтр 19, очищается от пыли и направляется в конденсатор 20, где пары конденсируются, образующийся конденсат отводится в сборник 21, а осушенный газ сжимается вакуумным насосом 22 и подводится к всасывающему патрубку воздуходувки 8. За счет увеличения массы газа, циркулирующего через камеру 1, а также за счет нагрева газа в калорифере 9, в камере 1 появляется избыточное давление. При достижении заданного значения температуры в слое материала датчик 25 дает сигнал системе автоматического управления вакуумными затворами, которая дает команду исполнительным механизмам затворов о синхронном переключении потоков газа: затворы 10, 12, 14 закрыть, а затворы 11, 13, 15 открыть. После исполнения этой команды в установке протекают те же процессы, однако теперь продувка слоя материала нагретым газом повышенного давления происходит в камере 2, а вакуумирование и охлаждение материала - в камере 1. Цикл завершается сигналом от датчика температуры 26, по которому вырабатывается команда о синхронном открытии затворов 10, 12, 14 и закрытии затворов 11,13,15. Далее процесс циклически повторяется.

В ходе процесса происходит усадка и облегчение частиц материала, вследствие чего изменяются аэродинамические условия в сушильных камерах и появляется необходимость уменьшать скорость циркуляции газа. Это осуществляют с помощью регулирующей заслонки 16. Регулирование температуры нагрева газа, измеряемой датчиком 27, производят изменением подачи энергоносителя в калорифер 9. Момент завершения процесса определяют анализом проб материала, отбираемых с помощью пробных кранов 23. Пробы отбирают в периоды продувки камер.

При достижении требуемой конечной влажности материала выключают калорифер, газодувку и вакуумный насос и открывают затворы 10-15 для выравнивания давления в обеих камерах (что устанавливают по показаниям мановакуумметров 24), после чего затворы 10-15 закрывают и производят разгрузку сборника конденсата через вентиль 29 и сушильных камер через люки 7.

При сушке окисляющихся материалов перед началом процесса производят замещение воздуха в установке нейтральным газом. Для этого люки 6, 7 и вентиль 30 закрывают, затворы 10-15 и вентиль 31 отзывают и включают вакуумный насос. При откачке воздух выбрасывается в атмосферу через вентиль 31. По окончании откачки вентиль 31 закрывают и открывают вентиль 32 на баллоне, содержащем сжатый газ, который заполняет все элементы сушильной установки. Операцию замещения прекращают закрытием вентиля 32 в момент, когда давление в камерах достигнет барометрического. После этого затворы 10-15 закрывают, вентиль 30 открывают и производят загрузку материала в камеры через люки 6. Для удаления воздуха, проникшего в камеры во время загрузки материала, камеры продувают нейтральным газом путем кратковременного открытия вентиля 32, после чего люки 6 герметично закрывают и проводят процесс сушки так, как описано выше. Выгружаемый готовый продукт целесообразно упаковывать в герметичную тару, что предотвращает проникновение воздуха в поры материала, которые остаются заполненными нейтральным газом в течение всего периода хранения материала.

При эксплуатации установки периодически проводят очистку внутренних поверхностей и решеток сушильных камер от налипших частиц материала, а также пылесборника 18 и фильтра 19 от пыли.

Источники информации 1. Шишацкий Ю.И. Сушка хлебопекарных дрожжей. Воронеж. Издательство Воронежского университета. 1992, с. 61 - 63, 119 - 122.

2. Любошиц И.Л., Слободкин Л.С., Пикус И.Ф. Сушка дисперсных термочувствительных материалов. - Минск: Наука и техника, 1969, с. 160 - 163.

Формула изобретения

1. Способ сушки сыпучих термочувствительных материалов в продуваемом слое при осциллирующем режиме, заключающийся в загрузке исходного материала в сушильную камеру, проведении циклически чередующихся процессов нагревания и охлаждения материала в ограниченном температурном интервале с отводом выделяющихся паров до получения продукта с требуемой конечной влажностью и последующей выгрузке продукта, отличающийся тем, что процесс проводят в двухкамерной установке, причем охлаждение материала в циклах осуществляют поочередным вакуумированием камер с помощью вакуум-конденсационного агрегата, пары конденсируют, конденсат отводят в сборник, а осушенный газ направляют на рециркуляцию.

2. Способ сушки по п.1, отличающийся тем, что установку заполняют нейтральным сушильным газом.

3. Установка для сушки сыпучих термочувствительных материалов, содержащая сушильную камеру с патрубками для подвода и отвода газа и газораспределительной решеткой, газодувку, калорифер, газопроводы, затворы для циклического переключения потоков газа, контрольно-измерительные приборы и систему автоматического управления затворами, отличающаяся тем, что снабжена второй такой же сушильной камерой, вакуум-конденсационным агрегатом и сборником конденсата, причем газоотводящие патрубки обеих камер автономно сообщены газопроводами с всасывающим патрубком газодувки и приемным патрубком конденсатора через затворы, а выпускной патрубок вакуумного насоса сообщен с всасывающим патрубком газодувки.

4. Установка по п.3, отличающаяся тем, что снабжена баллоном для сжатого нейтрального газа с запорным вентилем и редуктором, а также газопроводами для подвода нейтрального газа в сушильные камеры.

РИСУНКИ

Рисунок 1