способ сушки пищевых сыпучих продуктов

Формула изобретения

СПОСОБ СУШКИ ПИЩЕВЫХ СЫПУЧИХ ПРОДУКТОВ, включающий продувание перемещаемого слоя материала сушильным агентом с образованием локальных зон кипящего слоя, отличающийся тем, что слой материала перемещают по траектории, близкой к синусоиде, в верхних точках которой образуется локальная зона кипения, а между ними - пересыпание плотного слоя, при этом траекторию движения выбирают таким образом, что кипящий слой и плотный образуются за счет разницы в толщине слоя продукта, период синусоиды в течение сушки увеличивается в три раза при соотношении продолжительности обработки в кипящем и плотном пересыпающемся слое, меняющемся от 1 к 1 в начале процесса до 1 к 5 в конце.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к пищевой промышленности и может быть использовано для сушки вареных круп в пищеконцентратном производстве, зерна в элеваторной промышленности, гранулированных продуктов (жома, жмыха, комбикормов и др.) в других отраслях.

Известен способ сушки вареных круп (Бачурская Л.Д., Гуляев В.Н. Пищевые концентраты. - М.: Пищевая промышленность, 1976. - 335 с.), в котором сушку осуществляют в плотном слое в несколько стадий.

Недостатком способа является низкая интенсивность процесса и значительная его продолжительность.

Известен способ сушки пищевых продуктов (авт. св. N 233530, кл. F 26 B 03/34, 1969), в котором материал приводят в виброкипящее состояние, а нагрев осуществляют конвективно-радиационным способом.

Недостатком данного способа являются большие энергозатраты и несоответствие количества подводимой энергии и удаляемой при этом влаги.

Известен способ сушки пищевых сыпучих материалов (авт. св. N 981785, F 26 B 03/34, 1983), осуществляемый в три этапа. На первом этапе влажный продукт подвергают конвективной сушке в виброкипящем слое, на втором - конвективно-высокочастотной сушке в плотном слое и на третьем - конвективной сушке в плотном слое.

Известный способ имеет ряд недостатков: значительные энергозатраты вследствие применения ТВЧ, невысокая эксплуатационная надежность сушилки при использовании вибрации.

Наиболее близким техническим решением, которое выбрано в качестве прототипа, является способ комбинированной сушки, включающий циклическую обработку продукта при продувке воздухом в кипящем и плотном слое в несколько стадий с использованием терморадиационного нагрева в зонах кипения материала, при этом на каждой стадии продолжительность цикла кипения материала составляет 5-10 с, а продолжительность обработки в плотном слое 1-10 мин. Недостатками известного способа являются: низкая интенсивность процесса, обусловленная несоответствием организации и ведения процесса основным закономерностям тепло- и массообмена при сушке; невысокая эффективность использования терморадиационного нагрева в зонах кипения материала.

Целью изобретения является интенсификация процесса сушки.

Цель достигается тем, что способ сушки пищевых сыпучих продуктов включает многократно чередующуюся последовательную сушку в кипящем и плотном слое, причем сушку ведут в пересыпающемся слое, движущемся по траектории, близкой к синусоиде, в верхних точках которой происходит кипение, а между ними - пересыпание плотного слоя, причем изменение состояния материала обусловлено его разной высотой, общая продолжительность этих двух этапов обработки, составляющих цикл, увеличивается в три раза, а соотношение продолжительностей обработки в кипящем и плотном пересыпающемся слое меняется от 1:1 в начале до 1:5 в конце процесса.

Не обнаружено технических решений с признаками, сходными с признаками, отличающими заявляемое техническое решение от прототипа. Поэтому можно считать, что предлагаемое техническое решение обладает существенными отличиями. Положительный эффект при осуществлении предлагаемого изобретения достигается за счет того, что предлагаемый режим обработки путем многократно чередующейся сушки в плотном пересыпающемся и кипящем слое с увеличением продолжительностей этапов сушки в три раза к концу процесса наиболее полно отвечает основным закономерностям тепло- и массообмена. Интенсивный нагрев в плотном пересыпающемся слое и быстрое влагоудаление в кипящем слое позволят добиться значительного ускорения процесса сушки.

На чертеже показана схема, поясняющая способ.

На схеме А - амплитуда волны; h - высота слоя материала над гребнем волны; ₁ и ₂ - соответственно угол наклона переднего и заднего гребня волны; - угол естественного откоса продукта; S - шаг волны; ₁ - продолжительность этапа обработки в кипящем слое; ₂ - продолжительность этапа обработки в плотном пересыпающемся слое.

Процесс сушки пищевых сыпучих продуктов осуществляется следующим образом.

Влажный сыпучий пищевой продукт подают на гибкий перфорированный транспортирующий орган. За счет его формы, близкой к синусоидальной, продукт распределяется с разной удельной нагрузкой от 20 до 180 кг/м², которая уменьшается в течение процесса сушки вследствие изменения влажности. Одновременно под транспортирующий орган подается сушильный агент с температурой 90-120^оС и скоростью 1,4-3,5 м/с. За счет разной удельной нагрузки продукта на гребне и впадине волны при одной и той же скорости теплоносителя процесс сушки идет в два этапа: на первом (на гребне транспортирующего органа) - в кипящем (псевдоожиженном) слое, на втором - (во впадине) - в плотном пересыпающемся слое. При этом транспортирующий орган начинает совершать волнообразные движения, заставляя продукт перемещаться вдоль него.

Форма, которую принимает транспортирующий орган, характеризуется следующими величинами: шаг - 0,25-0,65 м, амплитуда - 0,10-0,25 м. Причем в начале процесса сушки амплитуда волны должна иметь максимальные значения (0,15-0,25 м), а шаг волны минимальные - 0,25-0,50 м и наоборот в конце процесса по мере высушивания продукта, а следовательно, и уменьшения угла естественного откоса, амплитуда волны должна иметь минимальные значения 0,10-0,15 м, а шаг волны - максимальные - 0,35-0,65 м. При выборе вышеуказанных значений амплитуды и шага волны руководствовались следующими соображениями:

- угол наклона переднего гребня волны должен быть больше угла естественного откоса продукта, т.е. ₁ > ;

- угол наклона заднего гребня волны не должен превышать угол естественного откоса продукта, т.е.₂ ;

минимально допустимая высота слоя продукта на гребне волны определяется соотношением h_кр = (0,30-0,45) А.

Указанные три условия должны быть выполнены для того, чтобы продукт не сползал соответственно с переднего, заднего гребня волны и с вершины гребня волны, обнажая участки гибкого перфорированного транспортирующего органа, через которые бы свободно проходил теплоноситель, не вступая в контакт с высушиваемым материалом.

Кроме того, необходимо было учесть тот факт, что угол естественного откоса материала по мере его высушивания уменьшается к концу процесса сушки. Поэтому исходя из этого соображения соответственно и менялись значения амплитуды и шага волны в течение процесса. Если в начале процесса сушки амплитуда и шаг подбирались таким образом, чтобы обеспечить равную продолжительность в кипящем и плотном пересыпающемся слое, то к концу процесса они выбирались так, чтобы продолжителность обработки в плотном пересыпаемом слое была в пять раз больше продолжительности обработки в кипящем слое. За счет такого изменения общая суммарная продолжительность первых двух этапов стала в три раза меньше аналогичной суммарной продолжительности двух последних этапов. Причем характер изменения этого соотношения определялся основными кинетическими закономерностями и интенсивностью влагоудаления в каждый из моментов процесса.

Такое чередование обработки в кипящем и плотном пересыпающемся слое и изменение соотношения продолжительностей этапов обусловлено следующим. В начале процесса сушки, т.е. в период постоянной скорости сушки удаляется механически связанная влага, т.е. влага микрокапилляров, макрокапилляров и смачивания. Основным параметром, влияющим на интенсивность влагоудаления в этот период, является скорость сушильного агента. Этому требованию отвечает наиболее полно сушка в кипящем слое. Поэтому наиболее целесообразно в начальный момент сушки использовать обработку в кипящем слое, в связи с этим продолжительности двух этапов обработки равны. По мере удаления указанной влаги скорость сушильного агента, как определяющий фактор интенсивности процесса, теряет свое значение. Во втором периоде, т.е. в периоде падающей скорости сушки, когда удаляется поли- и моноадсорбционная влага, наиболее влияет на скорость сушки температура теплоносителя, так как в этом периоде только температура определяет интенсивность внутреннего влагопереноса. Поэтому на данной стадии сушку предпочтительнее вести в плотном пересыпающемся слое, так в предлагаемом способе продолжительность этапа обработки в плотном пересыпающемся слое предлагается увеличить в пять раз по сравнению с сушкой в кипящем слое. Таким образом, если в начале процесса скорость сушки лимитируется главным образом скоростью сушильного агента, то в конце - его температурой. Это и обуславливает изменение соотношения продолжительностей этапов сушки в кипящем и плотном пересыпающемся слое.

Интенсификация процесса сушки в кипящем и плотном пересыпающемся слое обусловлена за счет непрерывного обновления поверхности зернистого продукта, контактирующего с теплоносителем; высоких коэффициентов теплопроводности и теплоотдачи. Это связано с турбулизацией потока сушильного агента в слое материала, в результате соударений частиц при перемещении, нарушением межзерновых газовых прослоек и ликвидацией застойных зон. Пересыпание продукта в плотном слое при его перемещении приводит к практическому выравниванию температуры и полей влагосодержания во всем объеме слоя. Благодаря этому устраняется опасность локального перегрева материала, слипания и комкования, что гарантирует равномерное протекание процесса и хорошее качество готового продукта.

Этапы сушки в кипящем и плотном слое повторяются многократно и их количество зависит от вида высушиваемого продукта и его начальной влажности.

Время пребывания зернистого продукта в сушилке определяется скоростью движения слоя Vсл, которая в свою очередь зависит от скорости движения "бегущей волны" Vб.в. Величина скорости "бегущей волны" изменялась в диапазоне 0,01-0,20 м/с в зависимости от вида высушиваемого материала. При этом движение плотного пересыпающего слоя описывается уравнением

= Ak^b_п.сл, (1) где k_п.сл. - критерий проточности слоя,

коэффициент А и показатель b соответственно равны для круп; гречневой 0,263 и 0,221; перловой - 0,021 и 0,594; пшеничной - 0,081 и 0,399.

Требуемая величина скорости движения слоя определялась из уравнения /1/. Установлено также, что при непрерывной работе сушилки для продольных сечений слоя характерно тригонометрическое распределение скорости воздушного потока, а для поперечных сечений поле скоростей практически равномерно. Таким образом, анализ характера распределения потока сушильного агента позволил определить оптимальные соотношения геометрической формы и размеров транспортирующего органа и распределение продукта на нем.

Из теории сушки (Лыков А.В. Теория сушки. - М.: Энергия, 1968. - 470 с. ) известно, что процесс сыпучих пищевых продуктов протекает в два периода: постоянной скорости и падающей скорости сушки, причем соотношение продолжительностей этих периодов не зависит от режимных параметров процесса, они только оказывают большое влияние на общую продолжительность. Установлено (Гинзбург А.С. Основы теории и техники сушки пищевых продуктов. - М.: Пищ. пром-сть, 1973. - 528 с.) также, что продолжителность периода постоянной скорости сушки составляет 20-45% от общей продолжительности сушки для зернистых пищевых продуктов. Поэтому соотношение продолжительностей этапов обработки в кипящем и плотном пересыпающемся слое 1:1 целесообразно поддерживать именно в течение периода постоянной скорости сушки. Условно можно принять, что на этапе обработки в плотном пересыпающемся слое в основном происходит нагрев продукта, в то время как на этапе обработки в кипящем слое идет в основном процесс интенсивного влагоудаления. Поскольку в периоде постоянной скорости сушки удаляется поверхностная и легкоудаляемая влага, то целесообразно и выбрать соотношение продолжительностей этих этапов 1:1. Именно такое соотношение наиболее полно удовлетворяет условию оптимального ведения процесса. В периоде падающей скорости сушки соотношение этих этапов равно 1:5. Установлено, что для того, чтобы обеспечить нагрев находящейся в материале влаги, ее перемещение к границе раздела фаз, т.е. в зону испарения, требуется в 5 раз больше времени, нежели для ее интенсивного удаления в кипящем слое.

Процессы теплообмена во многом зависят от величины и скорости нагрева материала в слое. Распределение температуры в плотном пересыпающемся слое зависит не только от гидродинамических свойств слоя, но и от количества тепла, переносимого самим продуктом в процессе перемешивания. Анализируя характер влияния интенсивности перемешивания продукта на теплообмен, можно сказать, что с увеличением критерия проточности коэффициент теплообмена возрастает. При этом степень использования температурного напора сушильного агента в слое изменяется экспоненциально:

b = exp- , (2) где Т_са^вых, Т_са^вх, Т_м - соответственно температура на выходе из слоя, входе в слой и температура материала, К;

- коэффициент теплообмена;

F_ц - площадь поверхности частиц;

W_са - водяной эквивалент, м³ кДж/кг К.

В начале периода падающей скорости уменьшается незначительно, но в интервале изменения относительной скорости 0,8-0,42 коэффициент теплообмена резко уменьшается и ассимтотически приближается к значению коэффициента теплообмена сухого продукта. Т.е если в начале периода падающей скорости сушки продолжительность этапа обработки крупы в плотном пересыпающемся слое увеличивается в 1,24 раза и до в 2,4 раза, то при ассимтотическом приближении к _сух увеличивается в 5 раз, характер изменения соотношения продолжительностей этих двух этапов зависит от вида высушиваемого материала и к сожалению не поддается математическому описанию.

Способ сушки вареной гречневой крупы. Гречневую крупу после варки с влажностью 32-36% подают на гибкий перфорированный транспортирующий орган, синусоидальная форма которого определяется следующими параметрами: в начале шаг - 0,50 м, амплитуда - 0,15 м, а в конце - соответственно 0,60 м и 0,10 м. При данных значениях шага и амплитуды бегущей волны углы наклона переднего и заднего гребня волны будут приблизительно равны между собой и составлять соответственно в начале процесса 40-39^о и в конце процесса - 31-29^о. Углы естественного откоса гречневой крупы с влажностью 32-36% составляют 38-39^о, а с влажностью 10-15% - 28^о (Островский Э.В., Эйдельман Е.В. Краткий справочник конструктора продовольственных машин. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Агропромиздат, 1986. - 621 с. и Чубик И.А., Маслов А.М. Справочник по теплофизическим константам пищевых продуктов и полуфабрикатов. - М.: Пищевая промышленность, 1965). Поэтому благодаря выполнению всех трех условий крупа не будет сползать с поверхности транспортирующего органа. Одновременно под транспортирующий орган подается сушильный агент с температурой 105^оС и скоростью 2,2 м/с. При этом транспортирущий орган начинает совершать волнообразные движения, создавая эффект "бегущей волны", со скоростью ее движения 0,02 м/с. Выбранные параметры сушильного агента и формы транспортирующего органа обеспечивают устойчивое кипение свлоя на гребнях "бегущей волны" и равномерное пересыпание во впадинах, что позволяет избежать местного перегрева материала и локального разрушения сплошности потока крупинок и гарантирует получение готового продукта хорошего качества.

Остановимся на механизме протекания процесса сушки, который условно можно разбить на две стадии: первую - это перемещение влаги из центра частицы к ее поверхности, вторую - испарение ее с поверхности крупинки. Для удаления влаги с поверхности продукта наиболее целесообразно использовать сушку в псевдоожиженном слое, так как в этом случае наблюдается наиболее интенсивное испарение за счет постоянного обновления поверхности контакта продукта с сушильным агентом. Во второй стадии сушки в плотном пересыпающемся слое продукт прогревается до более высоких температур. При этом увеличивается термодиффузионный градиент, что ведет к ускорению перемещения влаги к поверхности материала, и потенциал сушильного агента используется наиболее полно.

Кипение крупинок на вершине гребня "бегущей волны" обусловлено меньшей удельной нагрузкой продукта на поверхность транспортирующего органа, которая составляет 24-32 кг/м², т.е. высота слоя (начальная) составляет 0,35-0,40 м. Удельная нагрузка продукта во впадинах "бегущей волны" равнялась 120 кг/м². Параметры теплоносителя и "бегущей волны" обеспечивают такую форму транспортирующего органа, что в начале процесса продолжительность этапа сушки в кипящем слое равна продолжительности этапа сушки в плотном пересыпающемся слое. Данное соотношение продолжительностей этих двух этапов обеспечивает выполнение основных закономерностей тепло- и массообмена в период постоянной скорости сушки. В дальнейшем после окончания периода постоянной скорости сушки за счет постепенного изменения амплитуды и шага "бегущей волны" длина участка, на котором сушка происходит в плотном пересыпающемся слое, увеличивается в пять раз по сравнению с участком, на котором сушка идет в кипящем слое. Причем характер изменения этого соотношения в периоде падающей скорости сушки определяется видом высушиваемого материала и зависит от количественного соотношения форм удаляемой влаги с материалом. Обобщенный кинетический анализ, выполненный применительно к кривым сушки, кривым скорости сушки и температурным кривым процесса сушки вареной гречневой крупы, показал, что процесс перемещения влаги из глубины зерна к поверхности испарения в пять раз дольше, чем ее испарение с границы раздела фаз. Таким образом, многократное чередование двух указанных этапов с изменением соотношения их продолжительностей период падающей скорости сушки и выбранные оптимальные параметры позволяют с учетом основных закономерностей тепло- и массопереноса добиться рационального использования потенциала сушильного агента, интенсифицировать процесс сушки и сократить его продолжительность до 25-30 мин. В конце процесса крупинки имеют внешний вид и цвет, свойственный данному виду крупы с хорошо сохранившими свою первоначальную форму, при том посторонние запахи и привкус отсутствуют, консистенция крупы - рассыпчатая.

При минимальных параметрах формы транспортирующего органа: шага 0,40 м, амплитуды 0,08 м в начале процесса и шага 0,45 м и амплитуды 0,09 м в конце, температуре 85^оС и его скорости 1,5 м/с, наступает неустойчивый режим работы. При этом на первом этапе на гребнях "бегущей волны" появляются холостые зоны, т.е. участки, свободные от продукта, так как не выполняются три условия. Через эти участки будет беспрепятственно проходить сушильный агент. Продукт будет скапливаться во впадинах "бегущей волны", где будут перемешиваться только наружние слои, а в центре образуется конгломерат - комок слипшихся крупинок. Эффективность процесса резко падает, а его продолжительность увеличивается. Невыполнение соотношения продолжительностей двух этапов 1: 1 в начале процесса и 1: 5 в конце приведет либо к образованию "закала" на поверхности крупинок, если процесс испарения влаги с поверхности будет опережать процесс влагопереноса внутри зерен, либо к запариванию крупы, если процесс испарения будет отставать от процесса внутреннего влагопереноса.

При максимальных параметрах - шаге 0,65 м амплитуде 0,20 м в начале процесса и соответственно 0,70 м и 0,25 м в конце, температуре сушильного агента 130^оС и его скорости 3,7 м/с будут также иметь место "холостые" зоны, т. е. зоны, свободные от продукта, через которые будет беспрепятственно проходить теплоноситель. Совместная локальная циркуляция теплоносителя и материала на втором этапе ведет к неравномерности сушки. Увеличение соотношения продолжительностей двух этапов сверх оптимальной будет способствовать перегреву материала, его неравномерной сушке, обраозванию закала на поверхности крупнок при повышенной влажности их центральных зон. В нижних слоях продукт высушивается быстрее, чем в верхних. Увеличение продолжительности процесса для достижения конечной влажности общего объема продукта в свою очередь отрицательно скажется на качестве готового продукта.

В связи с тем, что процесс сушки зернистых продуктов аналогичен вышеизложенному, а отличия будут состоять лишь в численных значениях, то примеры осуществления предлагаемого способа сушки для наиболее распространенных зернистых продуктов приведены в таблице. По каждому виду продукта приведены 5 примеров осуществления способа: в первой строке - оптимальный вариант, во второй - при меньших значениях режимных параметров, чем оптимальные, в третьей - при больших значениях режимных параметров, чем оптимальные, в четвертой - при значениях, ниже минимальных, и в пятой - при значениях, выше максимальных.

Сопоставительный анализ режимных параметров и продолжительности процесса с учетом качества полученного продукта позволит выяснить причинно-следственную связь между отличительными признаками и целью изобретения. В графе качество знак "+" обозначает соответствие действующим техническим условиям по органолептическим показателям, а знак "-" их несоответствие.

По сравнению с прототипом предлагаемый способ имеет следующие преимущества:

- сокращает продолжительность процесса сушки на 15-25% за счет более интенсивного ведения процесса, которое обусловлено более высокими коэффициентами тепло- и массообмена вследствие непрерывного обновления поверхности контакта фаз и такой организацией процесса влагопереноса и влагоудаления, которые наиболее полно отвечают основным закономерностям кинетики процесса сушки;

- снизить удельные энергозатраты на 10-15% за счет устранения терморадиационного нагрева и использования преимуществ плотного пересыпающегося слоя;

- значительно улучшить качество продукта вследствие применения таких режимов сушки, которые обеспечивают интенсивное перемешивание продукта и равномерность его сушки.