Способ вакуумной сушки и устройство для его реализации
Изобретение предназначено для использования в пищевой, микробиологической и химической промышленности при сублимационном концентрировании и сушке замороженных или жидких растворов или суспензий и сублимационной сушке замороженных пищевых продуктов. При осуществлении способа обеспечивают поглощение выделяющихся из продукта паров воды жидким агентом. Последний перемещают к конденсатору установки для конденсации совместно с парами воды с образованием низкозамерзающего водного раствора. Он препятствует образованию на конденсаторе ледяной корки. Пары агента также применяют для низкотемпературной стерилизации сушильной камеры. Охлажденный водный раствор агента используют в качестве рабочей жидкости жидкостно-кольцевого вакуумного насоса. Он обеспечивает удаление неконденсирующихся газов из камеры. Корпус вакуумного насоса имеет несколько всасывающих отверстий. Они соединены с сушильной камерой раздельными трубопроводами. При предельном разрежении как минимум одно из данных отверстий работает в режиме нагнетания. При этом обеспечивается циркуляция паров рабочей жидкости вакуумного насоса через сушильную камеру с полным удалением из нее всех неконденсирующихся газов. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к области пищевой, микробиологической и химической промышленности и может быть использовано для сублимационной сушки замороженных растворов или суспензий, сублимационной сушки замороженных пищевых продуктов, а также для концентрирования или сушки жидких растворов и суспензий.
Известен способ вакуумной сушки при помощи устройства, содержащего: сушильную камеру, в которой расположены открытые емкости с жидким или замороженным высушиваемым продуктом, содержащим в качестве удаляемого агента воду (лед) и другие летучие вещества (спирты, органические кислоты, эфиры и т.п.); нагревательные элементы, передающие теплоту высушиваемому продукту для испарения (сублимации) из него агента; и сообщающийся с сушильной камерой конденсатор (десублиматор), в котором происходит конденсация (десублимация) испарившегося из продукта агента. Из сушильной камеры при помощи вакуумного насоса удаляют практически все посторонние неконденсирующиеся газы, в результате чего в камере поддерживается атмосфера, преимущественно состоящая только из паров агента с переменным давлением, зависящим от температуры конденсатора.
Реализация способа осуществляется следующим образом: теплоту, требуемую для испарения агента из высушиваемого продукта, передают от нагревательных элементов продукту, после чего испарившийся из продукта агент перемещается за счет перепада давлений через вакуумируемую полость и конденсируется на охлаждаемых до глубоких минусовых температур поверхностях конденсатора. Пары агента (преимущественно воды), сконденсировавшиеся на поверхности конденсатора, сразу же замораживаются, образуя лед.
Недостатком данного способа является наращивание в процессе работы на поверхностях конденсатора толстого слоя льда, который снижает теплопроводность стенок змеевика конденсатора и приводит к непрерывному снижению эффективности его работы в течение цикла сушки. Необходимость отвода высоких тепловых мощностей через постоянно увеличивающийся слой льда, в свою очередь, приводит к жесткому и неэкономичному режиму работы холодильной установки, обеспечивающей функционирование конденсатора. Для снижения нагрузки на холодильную установку увеличивают размеры поверхностей охлаждаемых поверхностей конденсатора, что ведет к росту металлоемкости оборудования и увеличению холостого объема устройства, требующего глубокого вакуумирования.
Недостатком данного способа является также то, что необходимую для проведения процесса сушки атмосферу внутри сушильной камеры невозможно создать при помощи надежных и распространенных жидкостно-кольцевых вакуумных насосов, поэтому удаление посторонних газов из сушильной камеры осуществляют при помощи масляных вакуумных насосов, что при определенных обстоятельствах создает риск попадания технического масла в высушиваемый продукт.
Данный способ может быть применен для самозамораживания продукта за счет снижения парциального давления паров агента в камере путем его конденсации на охлаждаемой поверхности конденсатора. Недостатком данного способа является трудность плавного регулирования величины давления паров агента, что в ряде случаев приводит к вспениванию замораживаемого продукта.
(См. Камовников. Вакуумно-сублимационная сушка пищевых продуктов. М., 1985).
Техническим результатом изобретения является снижение нагрузки на холодильную установку конденсатора при сохранении одинаково высокой эффективности работы конденсатора в течение всего цикла сушки, уменьшение холостого объема устройства, требующего глубокого вакуумирования. Техническим результатом изобретения также является обеспечение возможности создания требуемой атмосферы внутри камеры и плавной регулировки ее параметров при помощи жидкостно-кольцевых вакуумных насосов.
Технический результат достигается тем, что на охлаждающих поверхностях конденсатора создают условия, препятствующие созданию ледяной корки, путем совместной конденсации паров агента с парами растворителя, образующего низкозамерзающий раствор агента в растворителе, а получение требуемых для этого паров растворителя осуществляют за счет массообменного процесса между низкозамерзающим раствором, подаваемым в камеру, и парами агента, заполняющими сушильную камеру.
Низкозамерзающий раствор предпочтительно подают на поверхности, не имеющие теплового контакта с окружающей сушильную камеру средой или с внутренними нагревательными устройствами, для исключения паразитного тепломассообменного процесса, результатом которого является перенос теплоты от данных источников тепловой энергии к конденсатору при помощи исключительно элементов подаваемого раствора.
В качестве низкозамерзающего раствора, подаваемого в камеру, применяют раствор, температура начала замерзания которого не выше рабочей температуры ледового конденсатора. Вместо низкозамерзающего раствора в камеру может подаваться чистый растворитель, который способен образовывать такой раствор после поглощения соответствующего количества паров агента.
Стекающий с поверхности конденсатора сконденсированный раствор собирают и отводят в условиях, исключающих теплообмен с окружающей сушильную камеру средой. Выведенный из камеры раствор с повышенной концентрацией агента предпочтительно охлаждают, после чего отделяют жидкость от вымороженных кристаллов удаляемого агента и возвращают жидкость в вакуумируемую камеру. Выведенный из камеры раствор можно подавать в перегонную или ректификационную установку для полного или частичного удаления поглощенного агента, после чего возвращают жидкость в вакуумируемую камеру.
При сушке продукта, содержащего в качестве удаляемого агента преимущественно воду, в качестве растворителя предпочтительно применяют органическую жидкость со значительным парциальным давлением паров, например низкомолекулярный спирт или смесь спиртов, низкомолекулярную органическую кислоту, образующую с водой низкозамерзающий раствор.
В частности, для сублимационной сушки пищевых продуктов предпочтительно применяют водный раствор этилового спирта, который является пищевым продуктом и может быть использован в процессах сублимационной сушки с рабочей температурой конденсатора вплоть до минус 125°С (эвтектическая точка замерзания водного раствора этилового спирта, содержащего 7,5% воды и 92,5% этилового спирта).
Для сублимационной сушки пищевых продуктов может быть применен водный раствор уксусной кислоты, которая является пищевым продуктом, и может быть использован в процессах сублимационной сушки с рабочей температурой конденсатора до минус 26,7°С (эвтектическая точка замерзания водного раствора уксусной кислоты, содержащего 60% уксусной кислоты и 40% воды).
В качестве удаляемого из пищевого продукта агента, кроме воды, может рассматриваться этиловый спирт (при сублимационной сушке кумыса), летучие органические кислоты и эфиры (при сушке веществ, содержащих данные вещества в избыточном количестве); при сублимационной сушке лекарственных или технических продуктов в качестве удаляемых агентов могут рассматриваться любые летучие вещества, содержащиеся в высушиваемом продукте.
Регулирование парциального давления паров растворителя в вакуумируемой сушильной камере осуществляют путем регулирования температуры конденсатора и/или путем регулирования содержания агента в подаваемом в вакуумируемую камеру растворе.
Этиловый спирт предпочтительно применяют для стерилизации сушильной камеры путем его испарения с одновременной конденсацией на всех внутренних поверхностях вакуумируемой камеры; после проведения процесса стерилизации этиловый спирт испаряют с внутренних поверхностей сушильной камеры с одновременной конденсацией на охлаждаемых поверхностях конденсатора. Стекающий с поверхности конденсатора сконденсированный спирт собирают в необогреваемом поддоне и удаляют из сушильной камеры.
Охлажденный низкозамерзающий раствор агента в растворителе применяют в качестве жидкости, обеспечивающей работу ротационного жидкостно-кольцевого вакуумного насоса, предназначенного для создания рабочего разрежения в сушильной камере. Всасывающий отсек вакуумного насоса предпочтительно разделен на две или более зоны последовательного всасывания, каждая из которых соединена с вакуумируемой камерой отдельным трубопроводом. Места ввода трубопроводов в вакуумируемую камеру предпочтительно удалены друг от друга.
Охлаждение низкозамерзающего раствора осуществляют при помощи холодильной установки. Тонкое регулирование температуры низкозамерзающего раствора, подаваемого в жидкостно-кольцевой вакуумный насос, осуществляют путем перепуска части неохлажденного раствора через регулировочный байпасный клапан.
Вакуумируемая камера снабжена поддоном для сбора сконденсированных на охлаждаемых поверхностях конденсатора паров жидкости и холодильной установкой для обеспечения работы конденсатора.
Использование заявленного изобретения позволит снизить мощность холодильной установки, требующейся для функционирования конденсатора, уменьшить габариты конденсатора и соответственно уменьшить холостой объем вакуумируемой полости; позволит снизить температуру и обезопасить процесс стерилизации сушильной камеры; позволит применить для создания требуемой рабочей атмосферы в сушильной камере надежные, недорогие и безмаслянные жидкостно-кольцевые вакуумные насосы.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показана общая схема варианта устройства вакуумной сушки; на фиг.2 показана схема варианта устройства жидкостно-кольцевого ротационного вакуумного насоса.
Устройство вакуумной сушки содержит вакуумную камеру 1, блок 2 нагревательных полок с высушиваемым продуктом, жалюзийную перегородку 3 с поддоном, конденсатор 4, накопительную емкость 5 циркулирующего водосодержащего раствора, насос 6, холодильную емкость 7 со змеевиком охладителя 8, перегонную установку 9, жидкостно-циркуляционный вакуумный насос второй ступени 10, теплоизолированную емкость 11 с конденсатором 12, жидкостно-циркуляционный вакуумный насос первой ступени 13, открытую емкость с нагревательным элементом 14, вентили 15-20, регулировочный клапан 21. Цифрами также отмечены удаляемый агент (вода) 22, охлаждающая вода 23 и удаляемая паровоздушная смесь 24.
Вакуумный насос содержит корпус 25, ротор 26, нагнетательное отверстие 27 и всасывающие отверстия 28, 29 и 30, разделенные перегородками 31 и 32.
Реализацию способа осуществляют следующим образом.
Жидкий или замороженный продукт, содержащий в качестве удаляемого агента воду или лед, помещают в вакуумную камеру 1 на полки 2. Включают жидкостно-циркуляционный вакуумный насос 10, рабочей жидкостью которого является низкозамерзающий водный раствор этилового спирта, и жидкостно-циркуляционный вакуумный насос 13, рабочей жидкостью которого является вода. Паровоздушную смесь 24 из вакуумной камеры 1 откачивают насосом 10 в емкость 11, а затем насосом 13 из емкости 11 в атмосферу. В процессе работы насосов заполняющая их жидкость нагревается. Для охлаждения рабочей жидкости вакуумного насоса 10 открывают вентили 15 и 20, после чего включают в работу насос 6 и охлаждающий змеевик 8. Водный раствор этилового спирта из накопительной емкости 5 насосом 6 подается в холодильную емкость 7, в которой водно-спиртовой раствор охлаждается при помощи охлаждающего змеевика 8 до требуемой температуры, после чего раствор проходит через жидкостно-кольцевой вакуумный насос 10 и возвращается в накопительную емкость 5. Для тонкой регулировки температуры водно-спиртового раствора, подаваемого в вакуумный насос 10, часть водно-спиртового раствора перепускают при помощи регулировочного клапана 21 мимо холодильной емкости 7. Тонкую регулировку температуры водно-спиртового раствора осуществляют при проведении процесса самозамораживания жидкого продукта на полках 2.
В жидкостно-кольцевой вакуумный насос 13 подается заводская оборотная вода 23, охлаждение которой осуществляют в градирне.
Выходящая из вакуумного насоса 10 паровоздушная смесь содержит значительное количество паров спирта. Для уменьшения потерь спирта, а также для охлаждения подаваемой в вакуумный насос 13 паровоздушной смеси применяют теплоизолированную емкость 11, в которой находится конденсатор 12. Пары спирта конденсируются на охлаждающих поверхностях конденсатора 12 и возвращаются в емкость 5. Очищенная от паров спирта паровоздушная смесь 24 поступает в вакуумный насос 13 и из него выводится в атмосферу.
В качестве вакуумных насосов 10 и 13 применяют жидкостно-кольцевой вакуумный насос, имеющий три последовательно расположенные всасывающие зоны, схема которого изображена на фиг.2.
Работа насоса осуществлена следующим образом. Перед пуском насос наполовину заполняют жидкостью, которая при вращении ротора отбрасывается к стенкам корпуса 25, образуя около них вращающееся жидкостное кольцо. Вследствие эксцентричности ротора 26 пространство, не заполненное жидкостью, делится лопатками ротора на ячейки переменного объема. В ячейки, объем которых увеличивается при вращении ротора, паровоздушная смесь последовательно засасывается через отверстия 28, 29 и 30, расположенные во всасывающем отсеке насоса, затем паровоздушная смесь сжимается в ячейках с уменьшающимся объемом и выталкивается через отверстие 27, расположенное в нагнетательном отсеке насоса (отверстия 27-30 на фиг.2 заштрихованы). Отверстия 28-30 соответствуют трем зонам последовательного всасывания, расположенным во всасывающем отсеке насоса.
В начальном режиме работы насоса 10 паровоздушная смесь из камеры 1 по трем трубопроводам поступает в вакуумный насос 10 через отверстия 28, 29 и 30, которые все работают в режиме всаса. Сжатая паровоздушная смесь из насоса 10 через отверстие 27 по трубопроводу подается в емкость 11.
По мере снижения давления в камере 1 снижается давление в зонах возле отверстий 28, 29 и 30 вакуумного насоса, вследствие чего в расширяющихся ячейках наряду с процессом засасывания паровоздушной смеси через отверстия происходит процесс испарения заполняющей насос жидкости. Образующиеся внутри насоса пары заполняют увеличивающийся объем ячеек и снижают долю паровоздушной смеси, поступающей через отверстия. По мере дальнейшего снижения давления суммарный процесс всаса паровоздушной смеси стремится к нулю в связи с уменьшением перепада давлений между давлением паровоздушной смеси в камере 1 и усредненным давлением паров жидкости внутри корпуса насоса 10. Однако кризиса откачки при работе данного насоса не наступает вследствие того, что давление в зонах, расположенных возле отверстий 28, 29 и 30, неизбежно будет отличаться друг от друга при любом режиме работы насоса.
В расширяющихся ячейках возле отверстия 28 соотношение размера суммарной поверхности жидкости к объему ячейки самое высокое, относительно высока температура жидкости, находящейся в поверхностном слое или смачивающей лопатки ротора, поверхность которых расположена в паровой зоне. Абсолютная скорость изменения объема ячеек при этом минимальна, поэтому в данной зоне будет наблюдаться повышенное давление паров жидкости, которые начнут перемещаться из ячеек через отверстие 28 в направлении камеры 1.
В расширяющихся ячейках возле отверстия 30 соотношение размера суммарной поверхности жидкости к объему ячейки самое низкое, температура жидкости, находящейся в поверхностном слое или смачивающей лопатки ротора, значительно снижена из-за уже испарившейся жидкости. Абсолютная скорость изменения объема ячеек при этом максимальна, поэтому в ячейках будет наблюдаться пониженное давление паров жидкости, вследствие чего в ячейки через отверстие 30 будет засасываться паровоздушная смесь из камеры 1.
Отверстие 29 занимает промежуточное положение, поэтому оно может работать как в режиме подачи паров жидкости в камеру 1, так и в режиме отвода паровоздушной смеси из камеры 1, в зависимости от целого ряда условий.
Таким образом, в режиме, при котором обычный жидкостно-циркуляционный насос прекращает отбирать паровоздушную смесь из камеры, предлагаемый насос осуществляет циркуляцию паров с непрерывным отводом неконденсирующихся газов из камеры. Из насоса в камеру подаются чистые пары жидкости, а из камеры в насос поступает паровоздушная смесь. Таким образом из камеры полностью удаляются неконденсирующиеся газы, в камере остается только атмосфера, состоящая из паров жидкости, заполняющей жидкостно-кольцевой вакуумный насос.
При этом наблюдается строгая зависимость давления этой атмосферы от температуры подаваемой в вакуумный насос жидкости (при отсутствии внешнего теплового воздействия на находящийся на полках продукт). Эта зависимость может быть применена для аккуратного проведения процесса самозамораживания жидкого продукта, с целью не допустить его вспенивания, которое происходит при резком снижении давления.
Работа вакуумного насоса 13 осуществлена аналогичным образом.
После полного удаления из камеры 1 неконденсирующихся газов (воздуха) открывают вентиль 19 и подают охлажденный водно-спиртовой раствор на жалюзийную перегородку 3. Водно-спиртовой раствор стекает по жалюзийной перегородке 3, собирается в нижнем поддоне перегородки и по опускной трубе возвращается в накопительную емкость 5.
Включают в работу конденсатор 4 и нагревательные полки 2. Тепловая энергия, передаваемая замороженному продукту, находящемуся на полках 2, затрачивается на испарение (сублимацию) влаги, входящей в состав продукта. Давление водяных паров над продуктом повышается, в результате чего водяные пары перемещаются в зону жалюзийной перегородки 3 и конденсатора 4. Водяные пары поглощаются охлажденным водно-спиртовым раствором, стекающим по перегородке 3. В результате выделения теплоты конденсации температура водно-спиртового раствора повышается и из него начинают испаряться молекулы спирта, охлаждая стекающий раствор до прежней температуры. Пары спирта перемещаются к конденсатору 4, на охлаждаемой поверхности которого конденсируются совместно с водяными парами. Образующийся водно-спиртовой раствор с поверхности конденсатора 4 стекает в поддон жалюзийной перегородки 3, откуда совместно с водно-спиртовым раствором, стекающим по перегородке 3, поступает в накопительную емкость 5.
Концентрация спирта в циркулирующем водно-спиртовом растворе в результате поглощения водяных паров, удаляемых из продукта, непрерывно снижается, поэтому осуществляют удаление воды из циркулирующего раствора. В зависимости от выбранного режима удаление воды осуществляют либо дистилляцией (ректификацией), либо вымораживанием.
При дистилляции открывают вентиль 17, через который часть раствора подают в перегонную установку 9, в которой из водно-спиртового раствора удаляют воду 22, а спирт-ректификат или водно-спиртовой раствор повышенной концентрации возвращают через вентиль 18 в цикл циркулирующего раствора.
При вымораживании поглощенная водно-спиртовым раствором влага оседает в виде корки льда на змеевике охладителя 8, расположенного внутри холодильной емкости 7, а охлажденный водно-спиртовой раствор повышенной концентрации вновь возвращается на жалюзийную перегородку 3.
После окончания процесса сушки выключают насос 6, вакуумные насосы 10 и 13, дренируют водно-спиртовой раствор из холодильной емкости 7 в накопительную емкость 5, перекрывают вентиль 15, растапливают ледяную корку на змеевике охладителя 8 и удаляют образовавшуюся воду 22 через вентиль 16.
Вместо одной холодильной емкости 7 возможно применение двух попеременно работающих емкостей аналогичной конструкции. Пока одна емкость обеспечивает работу установки, вторую емкость размораживают, и наоборот.
Конструкция установки позволяет проводить низкотемпературную стерилизацию сушильной камеры при помощи этилового спирта без его потерь. Реализацию способа осуществляют следующим образом.
В открытую емкость с нагревательным элементом 14, размещенную в сушильной камере 1, наливают порцию спирта-ректификата. В камере создают небольшое разрежение, после чего вакуумный насос выключают и включают нагревательный элемент емкости 14. Пары спирта из емкости 14 заполняют сушильную камеру и конденсируются на всех ее поверхностях, стерилизуя их. Вместо нагрева жидкого спирта, помещенного в камеру 1, можно осуществить непосредственную подачу паров спирта в камеру.
После достижения определенного давления паров спирта в камере нагревательный элемент емкости 14 выключают и включают в работу конденсатор 4. Спирт полностью испаряется с поверхностей сушильной камеры 1 и конденсируется на поверхностях конденсатора 4, откуда стекает в поддон жалюзийной перегородки 3 и попадает в накопительную емкость 5.
1. Способ вакуумной сушки продукта, содержащего жидкий или замороженный удаляемый агент, предусматривающий размещение продукта в сушильной камере над или под нагревающими элементами, вакуумирование ее и отвод испарившегося агента к конденсатору, отличающийся тем, что в вакуумируемую камеру подают жидкость, имеющую температуру начала замерзания не выше температуры конденсатора и представляющую собой раствор агента в летучем растворителе либо чистый растворитель данного агента, после чего жидкость с дополнительно поглощенными парами агента выводят из вакуумируемой камеры.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что подачу жидкости осуществляют на охлаждаемые поверхности либо на поверхности, к которым отсутствует подвод тепловой энергии от внутренних или внешних источников теплоты.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что выведенную жидкость охлаждают, после чего отделяют жидкость от вымороженных кристаллов удаляемого агента и возвращают жидкость в вакуумируемую камеру.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что выведенную жидкость подают в перегонную или ректификационную установку для полного или частичного удаления поглощенного агента, после чего возвращают жидкость в вакуумируемую камеру.
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют регулирование парциального давления паров растворителя в вакуумируемой сушильной камере путем регулирования температуры конденсатора и/или путем регулирования содержания агента в подаваемом в вакуумируемую камеру растворе.
6. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют вакуумную сушку продукта, содержащего в качестве агента воду, при этом в качестве растворителя используют низкомолекулярный спирт или смесь спиртов.
7. Устройство для вакуумной сушки продукта, содержащего жидкий или замороженный удаляемый агент, включающее сушильную камеру с нагревающими элементами и конденсатором, вакуумный насос, отличающееся тем, что в качестве вакуумного насоса использован жидкостно-кольцевой вакуумный насос, всасывающий отсек которого разделен на две или более зоны последовательного всасывания, каждая из которых соединена с камерой отдельным трубопроводом.
8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что зоны ввода в вакуумируемую камеру трубопроводов, соединяющих ее с жидкостно-кольцевым вакуумным насосом, удалены друг от друга.
9. Устройство по п.7, отличающееся тем, что устройство снабжено холодильной или теплообменной установкой для охлаждения жидкости, подаваемой в жидкостно-кольцевой вакуумный насос.
10. Устройство по п.7, отличающееся тем, что вакуумируемая камера снабжена поддоном для сбора сконденсированных на охлаждаемых поверхностях конденсатора паров жидкости и холодильной установкой для обеспечения работы конденсатора.
11. Устройство по п.10, отличающееся тем, что подаваемая в жидкостно-кольцевой вакуумный насос жидкость имеет температуру начала замерзания не выше рабочей температуры поверхностей конденсатора.
