Способ определения допустимых температурных режимов сушки дисперсных термолабильных продуктов в условиях ступенчатого изменения температуры сушильного агента

Изобретение относится к методам определения допустимых температурных режимов сушки дисперсных термолабильных продуктов в условиях ступенчатого изменения температуры сушильного агента на входе в аппарат и может быть использовано для разработки технологии сушки продуктов в пищевой и других отраслях промышленности. Способ предусматривает сушку нескольких образцов дисперсного материала, определение максимальной температуры и продолжительности нагрева продукта экспериментальным путем при проведении многократных испытаний, по результатам которых определяют продолжительность нагрева продукта, проведение сушки каждого образца дисперсного продукта при постоянной температуре сушильного агента, но высушивание каждого последующего образца при более высокой температуре, определение при этом максимальной продолжительности сушки, в течение которой качественные показатели продукта остаются в пределах стандартов, затем построение на основании полученных данных графиков зависимости логарифма произведения абсолютной температуры сушильного агента на максимальную продолжительность обработки продукта этим агентом от обратного значения абсолютной температуры сушильного агента в виде функциональной связи

или в виде функциональной связи:

где τ_max - максимальная продолжительность обработки продукта сушильным агентом при температуре Т_c, в течение которой его качественные показатели остаются в пределах соответствующих стандартов; а, b, с, d - эмпирические коэффициенты для данного продукта и определение по этим графикам области допустимых температурных режимов, новым является то, что в условиях, когда осуществляют многостадийную сушку исходного продукта, при этом на каждой стадии продукт обрабатывают сушильным агентом при температуре, установленной для этой стадии, область допустимых температурных режимов определяют таким образом, чтобы продолжительность обработки продукта на данной стадии при данной температуре была меньше, чем максимально допустимая продолжительность обработки продукта при этой температуре, а суммарная продолжительность обработки продукта на всех стадиях должна определяться из условий функциональной связи:

где Δτ_i - продолжительность обработки продукта сушильным агентом на i-той стадии при температуре Т_i; - максимальная продолжительность обработки продукта сушильным агентом при температуре Т_i, которая определяется из функциональной связи (1) или (2); τ_общ - общая продолжительность обработки продукта на всех стадиях процесса. Способ позволяет определить область допустимых температурных режимов дисперсных термолабильных материалов в условиях ступенчатого режима сушки и сохранить качество продукта в пределах, установленных соответствующими стандартами. 2 табл.

 

Изобретение относится к методам определения допустимых температурных режимов сушки дисперсных термолабильных продуктов в условиях ступенчатого изменения температуры сушильного агента на входе в аппарат и может быть использовано для разработки технологии сушки продуктов в пищевой и других отраслях промышленности.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ определения допустимых температурных режимов сушки дисперсных продуктов /Патент № 2230267 RU «Способ определения допустимых температурных режимов сушки дисперсных продуктов, Арапов В.М., Шахов С.В., Арапов М.В., Моисеева И.С., Янпольская Н.А.; Опубл. 10.06.04, Бюл. № 16/, основанный на испытании нескольких образцов дисперсного продукта путем конвективной сушки каждого образца при постоянной температуре сушильного агента и определении максимальной продолжительности сушки по результатам этих испытаний.

Недостатком является то, что данный способ может быть использован только при условии постоянства температуры сушильного агента на входе в аппарат и не применим при сушке продукта в несколько стадий в условиях ступенчатого изменения температуры сушильного агента.

Технической задачей изобретения является определение допустимых температурных режимов сушки дисперсных термолабильных продуктов заданного качества в условиях ступенчатого изменения температуры сушильного агента при проведении процесса в несколько стадий, причем на каждой стадии продукт обрабатывают сушильным агентом при температуре, установленной для этой стадии.

Техническая задача достигается тем, что в способе определения допустимых температурных режимов сушки дисперсных термолабильных продуктов в условиях ступенчатого изменения температуры сушильного агента, предусматривающем сушку нескольких образцов дисперсного материала, определение максимальной температуры и продолжительности нагрева продукта экспериментальным путем при проведении многократных испытаний, по результатам которых определяют продолжительность нагрева продукта, проведение сушки каждого образца дисперсного продукта при постоянной температуре сушильного агента, но высушивание каждого последующего образца при более высокой температуре, определение при этом максимальной продолжительности сушки, в течение которой качественные показатели продукта остаются в пределах, установленных соответствующими стандартами, затем построение на основании полученных данных графиков зависимости логарифма произведения абсолютной температуры сушильного агента на максимальную продолжительность обработки продукта этим агентом от обратного значения абсолютной температуры сушильного агента и определение по этим графикам области допустимых температурных режимов в виде функциональной связи:

или в виде функциональной связи:

τ_max - максимальная продолжительность обработки продукта сушильным агентом при температуре T_c, в течение которой его качественные показатели остаются в пределах соответствующих стандартов; а, b, с, d - эмпирические коэффициенты для данного продукта, новым является то, что в условиях, когда осуществляют многостадийную сушку исходного продукта, при этом на каждой стадии продукт обрабатывают сушильным агентом при температуре, установленной для этой стадии, область допустимых температурных режимов определяют таким образом, чтобы продолжительность обработки продукта на данной стадии при данной температуре была меньше, чем максимально допустимая продолжительность обработки продукта при этой температуре, а суммарная продолжительность обработки продукта на всех стадиях должна определяться из условий функциональной связи:

где Δτ_i - продолжительность обработки продукта сушильным агентом на i-той стадии при температуре Т_i; - максимальная продолжительность обработки продукта сушильным агентом при температуре Т_i, которая определяется из функциональной связи (1) или (2); τ_общ - общая продолжительность обработки продукта на всех стадиях процесса.

Технический результат заключается в определении допустимых температурных режимов сушки дисперсных термолабильных продуктов заданного качества в условиях ступенчатого изменения температуры сушильного агента при проведении процесса в несколько стадий.

Способ определения допустимых температурных режимов сушки дисперсных термолабильных продуктов в условиях ступенчатого изменения температуры сушильного агента осуществляется следующим образом.

В процессе сушки нескольких образцов дисперсного материала определяют максимальную температуру и продолжительность нагрева продукта экспериментальным путем при проведении многократных испытаний, по результатам которых определяют продолжительность нагрева продукта. Сушку каждого образца дисперсного продукта проводят при постоянной температуре сушильного агента, при этом каждый последующий образец высушивают при более высокой температуре и определяют при этом максимальную продолжительности сушки, в течение которой качественные показатели продукта остаются в пределах, установленных соответствующими стандартами, затем на основании полученных данных строят графики зависимости логарифма произведения абсолютной температуры сушильного агента на максимальную продолжительность обработки продукта этим агентом от обратного значения абсолютной температуры сушильного агента и определяют по этим графикам области допустимых температурных режимов в виде функциональной связи:

или в виде функциональной связи:

При этом на каждой стадии продукт обрабатывают сушильным агентом при температуре, установленной для этой стадии, область допустимых температурных режимов определяют таким образом, чтобы продолжительность обработки продукта на данной стадии при данной температуре была меньше, чем максимально допустимая продолжительность обработки продукта при этой температуре, а суммарная продолжительность обработки продукта на всех стадиях должна определяться из условий функциональных связей:

Способ определения допустимых температурных режимов сушки дисперсных термолабильных продуктов в условиях ступенчатого изменения температуры сушильного агента подтверждается примером трехстадийной сушки кислотного казеина по / А.С. № 1082373, Способ сушки кислотного казеина, Арапов В.М., Арет В.А., Бутник В.А., Лыков В.Н.; Опубл. 30.03.84, Бюл. №12/, которая осуществляется следующим образом. На первой стадии сушка осуществляется в фонтанирующем слое, на второй казеин подвергают отлежке, на третьей - сушка казеина осуществляется в плотном слое. Полученные значения температуры сушильного агента, продолжительности обработки продукта при этой температуре на каждой стадии и его качественные показатели приведены в таблицах 1, 2. Значение эмпирических коэффициентов а, b, с, d определены нами по данным, представленным на фиг.3 и фиг.4 описания изобретения к патенту /РФ 2230267 (10.06.2004, Бюл. №16), а=1,502, b=3025, с=-5,392, d=3386/, полученным следующим образом. Брали несколько образцов. Сушку каждого образца дисперсного продукта проводили при постоянной температуре сушильного агента. В каждом последующем испытании увеличивали температуру сушильного агента и определяли максимальную продолжительность сушки, в течение которой качественные показатели продукта оставались в пределах, установленных стандартом. Затем по данным испытаний строили графические зависимости логарифма произведения абсолютной температуры сушильного агента на максимальную продолжительность обработки продукта этим агентом от обратного значения абсолютной температуры сушильного агента и по этому графику определяли области допустимых температурных режимов в виде функциональной связи (1) и (2).

При этом области допустимых температурных режимов сушки определялись на основе закономерностей кинетики физико-химических изменений в термолабильных компонентах из следующих положений.

При тепловом воздействии на продукт в процессе сушки в нем происходит распад ценных компонентов или накопление вредных компонентов. В общем случае будем называть потерю компонентом своих начальных (нативных) свойств под воздействием теплоты его переходом в активированный комплекс. Максимальное количество компонента, перешедшего в активированный комплекс, не должно превышать значения, установленного соответствующим стандартом на продукт.

Скорость перехода продукта в активированный комплекс определяется законами кинетики химических реакций.

Средняя по объему температура материала, которую он приобретает в процессе сушки, является функцией температуры сушильного газа; в первом приближении примем ее среднеинтегральное значение в интервале всего времени сушки пропорциональной температуре сушильного газа.

Рассмотрим математическую модель допустимых температурных режимов сушки дисперсных термолабильных продуктов, если константа скорости физико-химических превращений в термолабильном компоненте определяется уравнением Аррениуса:

где Е - энергия активации при образовании активированного комплекса, Дж/моль; А - предэкспоненциальный множитель, с^-1; R - газовая постоянная, Дж/(кг·К); T - абсолютная температура продукта, K; τ - продолжительность теплового воздействия, с; f(α) - функция степени превращения i-того компонента; - степень превращения термолабильного компонента, определяющего качество продукта; M_i, M_н - масса i-того компонента в момент времени τ и его начальная масса.

Функцию степени превращения дисперсного термолабильного компонента представим уравнением:

где n - порядок реакции перехода термолабильного компонента в активированный комплекс.

Уравнение (5) запишем в виде:

Пусть процесс сушки протекает в несколько стадий. Количество стадий примем n. На каждой стадии продукт подвергают тепловой обработке сушильным агентом при температуре T₁, T₂...T_n в течение времени Δτ₁, Δτ₂...Δτ_n. Степень превращения термолабильного компонента на последней стадии сушки не должна превышать максимального значения, установленного соответствующим стандартом на продукт.

Для простоты дальнейших рассуждений рассмотрим сушку термолабильного продукта в три стадии.

Проинтегрируем правую часть уравнения (7) для каждой стадии. Поскольку температура материала T(τ) в процессе сушки пропорциональна температуре сушильного газа T_c, то для интеграла в правой части уравнения можно записать равенство:

Проинтегрируем левую часть уравнения (7) для каждой стадии при условии, что n≠1:

Сложив левые и правые части равенств (8) и (9), получим следующее уравнение:

Если продукт подвергать обработке сушильным агентом на каждой стадии в течение максимально возможного времени, когда степень превращения достигает максимального значения, установленного стандартом на этот продукт, то можно записать следующую систему уравнений:

Обозначим

и с учетом этого определим из (11) значение

,

получим систему уравнений:

Подставим значения правой части (12) в уравнение (10) с учетом

получим:

Из неравенства (13) следует, что область допустимых температурных режимов должна удовлетворять условию:

В общем случае при осуществлении сушки в n стадий условия допустимых температурных режимов запишем в виде

При этом общая продолжительность процесса составит:

В /А.С. № 1082373, Способ сушки кислотного казеина, Арапов В.М., Арет В.А., Бутник В.А., Лыков В.Н.; Опубл. 30.03.84, Бюл. № 12/ описана многостадийная сушка казеина. На первой стадии тепловую обработку проводят в режиме фонтанирования до конечной влажности 18%. На второй стадии осуществляют отлежку в неподвижном слое гранул, при этом за счет аккумулированного материалом теплоты влажность продукта снижается до 17%. Затем проводят третью стадию тепловой обработки казеина в плотном вентилируемом слое до конечной влажности 10%. В результате получают сухой казеин в виде однородных гранул белого цвета с растворимостью, характеризующейся 0,1 мл осадка на 1 г сухого вещества.

В качестве примера нами рассмотрены четыре варианта температурных режимов трехстадийной сушки казеина по указанной технологии. Результаты обработки опытных данных приведены в таблице 1 и таблице 2. Как видно из этих примеров, сухой казеин, соответствующий указанным показателям качества, получают только в тех случаях, когда выполняются условия (15) и (16).

Способ определения допустимых температурных режимов сушки дисперсных термолабильных продуктов в условиях ступенчатого изменения температуры сушильного агента позволяет определить область допустимых температурных режимов дисперсных термолабильных материалов в условиях ступенчатого режима сушки и сохранить качество продукта в пределах, установленных соответствующими стандартами.

Сушка казеина в условиях ступенчатого изменения температуры сушильного агента (при определении по уравнению (1))

Таблица 1
№ п/п	Стадии процесса сушки	Качество продукта, растворимость/ цветность
	фонтанирование			отлежка	в плотном слое
Тi, °K	Δτi, мин	, мин	Тi °К	Δτi, мин	, мин	Тi,° K	Δτi, мин	, мин
1	413	10	16,49	324	15	157,22	363	7	51,47	0,1/белый	0,838
2	423	9	13,54	327,5	15	140,77	363	7	51,47	0,1/белый	0,907
3	433	8	11,22	329,5	15	132,29	383	7	31,57	0,3/кремовый	1,048
4	443	7	9,36	330,5	15	128,28	383	7	31,57	0,6/кремовый, пригоревшие зерна	1,087

Сушка казеина в условиях ступенчатого изменения температуры сушильного агента (при определении по уравнению (2))

Таблица 2
№ п/п	Стадии процесса сушки	Качество продукта, растворимость/ цветность
	фонтанирование			отлежка	в плотном слое
Тi, K	Δτi, мин	, мин	Тi, K	Δτi, мин	, мин	Тi, K	Δτi, мин	, мин.
1	413	10	16,55	324	15	157,37	363	7	51,20	0,1/белый	0,836
2	423	9	13,64	327,5	15	140,74	363	7	51,20	0,1/белый	0,903
3	433	8	11,33	329,5	15	132,18	383	7	31,46	0,3/кремовый	1,042
4	443	7	9,50	330,5	15	128,13	383	7	31,46	0,6/кремовый, пригоревшие зерна	1,076
*- средняя температура казеина во время отлежки.

Способ определения допустимых температурных режимов сушки дисперсных термолабильных продуктов в условиях ступенчатого изменения температуры сушильного агента, предусматривает сушку нескольких образцов дисперсного материала, определение максимальной температуры и продолжительности нагрева продукта экспериментальным путем при проведении многократных испытаний, по результатам которых определяют продолжительность нагрева продукта, проведение сушки каждого образца дисперсного продукта при постоянной температуре сушильного агента, но высушивание каждого последующего образца при более высокой температуре, определение при этом максимальной продолжительности сушки, в течение которой качественные показатели продукта остаются в пределах, установленных соответствующими стандартами, затем построение на основании полученных данных графиков зависимости логарифма произведения абсолютной температуры сушильного агента на максимальную продолжительность обработки продукта этим агентом от обратного значения абсолютной температуры сушильного агента и определение по этим графикам области допустимых температурных режимов в виде функциональной связи

или в виде функциональной связи

где Т_max - максимальная продолжительность обработки продукта сушильным агентом при температуре Т_C, в течение которой его качественные показатели остаются в пределах соответствующих стандартов; а, b, с, d - эмпирические коэффициенты для данного продукта, отличающийся тем, что в условиях, когда осуществляют многостадийную сушку исходного продукта, при этом на каждой стадии продукт обрабатывают сушильным агентом при температуре, установленной для этой стадии, область допустимых температурных режимов определяют таким образом, чтобы продолжительность обработки продукта на данной стадии при данной температуре была меньше, чем максимально допустимая продолжительность обработки продукта при этой температуре, а суммарная продолжительность обработки продукта на всех стадиях должна определяться из условий функциональной связи

где τ_i - продолжительность обработки продукта сушильным агентом на i-той стадии при температуре Т_i, - максимальная продолжительность обработки продукта сушильным агентом при температуре Т_i, которая определяется из функциональной связи (1) или (2); Т_общ - общая продолжительность обработки продукта на всех стадиях процесса.