автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Разработка процесса сушки зерен натурального кофе в осциллирующем режиме псевдоожиженного слоя

Введение.

Глава I. Литературный обзор

1.1. Гидродинамические характеристики псевдоожиженного слоя.

1.2. Тепло- и массообмен и их кинетические закономерности при сушке зернистых материалов в псев-доожиженном слое с применением осциллирования.

1.3. Теплофизические характеристики кофе

1.4. Выводы до главе I

Глава Л» Теоретические* предпосылки к проведению исследований сушки зерен кофе в псевдоожиженном слое

2.1. Анализ структуры зерна кофе и равновесные кривые сорбции и десорбции влаги; проведение экспериментов с увлажненным и натуральным кофе

2.2. Влияние температуры и скорости сушильного агента - воздуха на процесс сушки натурального кофе.

2.3. Влияние на процесс сушки зерен натурального кофе давления сушильного агента - воздуха

2.4. Определение гидродинамических характеристик зерен натурального кофе

2.5. Обоснование выбранных моделей аппарата по перемешиванию фаз и по типу его конструкции

Выводы

Глава Ш. Экспериментальные исследования сушки зерен в псевдоожиженном слое на опытной установке.

3.1. Описание экспериментальной установки . 92.

3.2. Методика проведения экспериментов с применением осциллирования в цилиндрическом аппарате

- ¿

3.3. Исследование гидродинамических характеристик псевдоожиженного слоя в цилиндрическом аппарате

3.4. Выбор оптимального режима осциллирования по времени и температуре

3.5. Анализ кривых сушки и кривых скорости сушки, полученных для натурального кофе при сушке зерен в цилиндрическом аппарате с осциллирующим режимом псевдоожижения.

3.6. Влияние температуры горячего воздуха и режима осциллирования при скорости интенсивного псевдоожижения на качество кофе и продолжительность его сушки в цилиндрическом аппарате периодического действия

Выводы по третьей главе

Глава 1У. Обобщение опытных данных по сушке зерен натурального кофе в цилиндрическом аппарате псевдоожиженного слоя при осциллирующем режиме

4.1. Физическое уравнение процесса сушки зерен кофе в псевдоожиженном слое при осциллирующем режиме

4.2. Определение коэффициента влагопроводности зерен натурального кофе

4.3. Расчет коэффициента температуропроводности зерен натурального кофе

4.4. Обобщенное уравнение тепло- и массообмена сушки зерен натурального кофе в псевдоожиженном слое с режимом симметричного осциллирования

- 3

Выводы цо четвертой главе

Глава У. Экспериментальное исследование гидродинамики лотнового аппарата,, предназначенного для ^ сушки зерен кофе в псевдоожиженном слое . 145 Выводы по пятой главе

Производство кофе на Кубе является одной из важнейших отраслей народного хозяйства республики. Кофе является продуктом экспорта страны и его производство постоянно расширяется. Одной из основных стадий обработки зерен кофе является процесс его сушки, который при существующей технологии весьма длителен и от его реализации значительно зависит качество зерна.

Промышленная обработка зерен кофе делится на две стадии: подготовка зерна и его переработка на заводах. Первая - включает первичную очистку, ферментацию, мойку и сушку в естественных условиях на открытых площадках; вторая - досушку, очистку зерен от второй оболочки, сортировку по размерам, полировку и отбор зерен по цвету. Дня досушки используют барабанные сушилки.

Сушка на открытых площадках осуществляется на специально отведенных участках, занимающих большие площади. Влажность зерна снижается цри этом до 20%, а при досушке - до 11,5%. Зёрна кофе с влажностью 20$ могут храниться до I года. Предварительная сушка зерна должна осуществляться немедленно после сбора зерен кофе. Сушка на открытых площадках имеет ряд недостатков: зависимость от атмосферных условий; использование больших площадей, требующих ежегодного ремонта; большие затраты ручного труда. Барабанные сушилки для досушки зерна имеют низкую производительность (0,5 т/ч на один агрегат) вследствие подачи низкотемпературного воздуха (70°С). Зерно получается плохого качества - до 30$, не соответствует кондиции (по цвету или дегустации). При повышении температуры воздуха выше 70°С качество зерна резко ухудшается.

В настоящее время применяется процесс сушки в каскаде из трех шахтных сушилок, причем после каждого аппарата проводится охлаждение продукта. Температура поступающего воздуха в каждую из шахт также как и в барабанной сушилке равна 70°С. При этом способе сушки процесс несколько интенсифицируется, но количество некондиционного зерна всё ещё остается достаточно большим (23%) /I/, вследствие значительной неравномерности нагрева зерен. Таким образом, и этот способ сушки нельзя признать удовлетворительным.

Исключение неравномерности нагрева зерен достигается использованием аппаратов с взвешенным слоем, но при этом важно правильно выбрать температуру сушильного агента, исходя из допустимой температуры нагрева зерна. Эта температура выбирается на основе анализа биологических, физико-химических и др. свойств. Так, анализ химического состава зерен различных сортов кофе /2, 3, 4/ показал, что главными компонентами являются составные части целжшозы или целлюлоза, белки и жиры. Самые ценные составляющие - это кофеин и органические кислоты.

Кофеин ( С-1 Н/р О^цНг.0) или его ангидрид цредставляют собой белые тонкие кристаллы с температурой начала процесса сублимации Ю0°С /5/. Органические кислоты, отделяясь в процессе обжарки, придают зерну аромат и вкус /6/. Сушка кофе должна проходить при температурах, которые не вызывают потерь кофеина и органических кислот, обусловливающих качество кофе. Таким образом, кофе - термочувствительный материал и требует тщательного выбора оптимального температурного режима процесса его сушки.

По данным работ /2, 7, 8/ зерно кофе с влажностью 60-65$ может быть нагрето в неподвижном слое в начале процесса сушки до 75-80°С с постепенным понижением температуры до 50°С в конце его.

При использовании установок с малоподвижным слоем начальная температура слоя может быть повышена до 90°С с понижением до 65-70° в конечной стадии.

При сушке семенного зерна играет роль направление движения потока влаги: если поток влаги направлен изнутри к поверхности, то водорастворимые питательные вещества переносятся из эндосперма к зародышу, находящемуся в периферийных слоях зерна. В работе /9/ показано, что зерна кофе семенного назначения могут подвергаться сушке, из условия качественного их прорастания, при температуре, не превышающей 50°С. Кофе, как и большинство пищевых продуктов, отличается большой инерционностью поля влагосодержа-ния по сравнению с инерционностью поля температуры. Поэтому значительного увеличения скорости сушки не удается достигнуть путем интенсификации внешнего тепло- и массообмена. С учетом всего сказанного целесообразно применение осциллирующего режима, который позволяет, во-первых, использовать высокотемпературные теплоносители, не опасаясь перегрева зерен, и, во-вторых, уменьшить отрицательное влияние термодиффузии.

Исследованию сушки пищевых продуктов во взвешенном состоянии при осциллирующих режимах посвящены работы А.С.Гинзбурга и В.А.Резчикова, И.Л.Любошица, Л.С.Слободкина, И.Ф.Пикуса, А.И.

Чернявского, З.Ю.Мезяка, А.Д.Гельперина, П.Г.Романкова, Н.Б.Раш-ковской и многих других. В результате исследований созданы методы расчета сушилок, работающих при осциллирующих режимах. Среди этих работ представляет интерес одна из немногих, посвященная сушке кофе /9/.

В данной работе все исследования проводились с увлажненным кофе и кинетические кривые, снятые в процессе сушки, не отражают реальную картину процесса сушки влажного зерна, поступаемого непосредственно после сбора его с поля. Это доказано наш в настоящей работе (см.гл.Ш). Однако то, что в работе /9/ объектом сушки являлись зерна кофе, результаты ее проведения представляют особый интерес в развитии дальнейших исследований процессов сушки данного продукта.

Следует также отметить, что при исследовании процессов сушки пищевых продуктов в режимах осциллирования находят в настоящее время црименение аппараты не только цилиндрического типа, позволяющие создать наиболее простую псевдоожиженную систему с точки зрения характера движения твердых частиц в ней, но и аппараты прямоугольного сечения с тангенсальным вводом теплоносителя, аппараты конусного типа, а также спирального и лоткового типов с наклонным под определенным углом дншцем, в которых перемещение слоя осуществляется направленным под углом потоком теплоносителя. Последние обладают большой удельной поверхностью теплообмена, высокими коэффициентами теплопередачи, позволяют регулировать кратность циркуляции материала, отмечаются простотой и надежностью, ввиду отсутствия специальных механизмов,обес-печиващих циркуляцию материала.

Таким образом, анализируя изложенное выше, в данной работе были поставлены следующие основные задачи.

I. Провести исследование процесса сушки влажных натуральных (неувлажненных) зерен кофе в псевдоожиженном слое срежимом осциллирования в различных по конструкции аппаратах. Нами были приняты аппараты цилиндрического и лоткового типов.

2. По результатам экспериментальных исследований дать анализ работы выбранных аппаратов с точки зрения их эффективности. Критерием эффективности являются время сушки, энергетические затраты и качество продукта.

3. Дать инженерный метод расчета рекомендуемого наш аппарата для сушки зерен кофе.

- У

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

1. Предложен способ сушки зерен натурального кофе в псев-доожиженном слое при скорости интенсивного псевдоожижения в осциллирующем режиме с сохранением высокого качества высушенного зерна.

2. Предложена методика расчета гидродинамических и тегою-и массообменных процессов при сушке зерен натурального кофе в псевдоожиженном слое при симметричном осциллировании в цилиндрических сушилках периодического действия, которая и рекомендуется наш предприятиям Кубы взамен существующего там способа сушки в 3-х ступенчатой сушилке; в предлагаемом нами способе сушки время пребывания зерен в аппарате примерно в 10 раз меньше, чем в применяемых на Кубе сушилках.

3. Установлено, что зерна натурального кофе являются капиллярно-пористыми веществами, ближе к чисто коллоидным; их структура существенно отлична от структуры увлажненного кофе,и поэтому увлажненные зерна кофе не являются аналогом натурального; все эксперименты по сушке зерна кофе необходимо проводить только с натуральным, а не увлажненным кофе.

4. Влияние температуры в сушильной камере на сушку зерна сказывается сильнее, чем влияние абсолютного давления и расход теплоносителя в ней; в условиях Кубы экономически выгодным является процесс сушки при атмосферном давлении.

5. Время сушки и качество высушенного кофе существенно зависят от температуры горячего воздуха и в меньшей степени от режима осциллирования. При повышении температуры горячего воздуха от 100 до 140°С для всех режимов уменьшается время сушки, но одновременно резко ухудшается качество кофе. Оптимальным режимом сушки зерен является режим осщллировашы= 15:15с с температурой горячего воздуха Ю0°С и холодного 45°С.

6. С помощью теории размерностей с использованием -теоремы найдено критериальное уравнение процесса сушки зерна натурального кофе в псевдоожиженном слое с применением симметричного осциллирования, позволяющее определить время сушки от начальной влажности 100% до конечной - 12%,

7. Экспериментально определены коэффициенты влагопровод-ности в зависимости от влажности зерна и температуры его поверхности. Установлено, что характер этой зависимости существенно отличается от аналогичной для увлажненного кофе, а численные значения на порядок меньше, чем для увлажненного.

8. По опытным данным теплоемкости и теплопроводности зерен натурального кофе были рассчитаны коэффициенты температуропроводности их в зависимости от абсолютной влажности и температуры.

9. Изучены гидродинамические процессы сушки зерен натурального кофе в сушильном аппарате лоткового типа непрерывного действия с направленным потоком теплоносителя (воздуха). При расчете этого аппарата рекомендуются формулы (У-4),(У-5) и (У-6) для вычисления коэффициента сопротивления, полного гидравлического сопротивления псевдоожиженного слоя и производительности по зерну соответственно.

1. Валье М.М., Рогланков П.Г. Сушка кофе при применении осциллирующего режима. Тезисы докладов Всесоюзной научно-техничее-кой конференции по интенсификации процессов сушки. Калинин, май, 1977Технология сушки, с.98.

2. Coste R. El café. Habana. Ciencia y Técnica, I.L. 1969, P.285

3. Navillier P. Chimie du Café in: Leg caféiers et les cafés dans le Monde. Larose Paris, 1959, t.II p. 163 256.t

4. Punnett P.ïï. Moisture contenst of green coffee. Tea and Cofee Trade Jurnal, New York, 1961, Vol 121, No. 4, p. 14 18.

5. D'Ornano M. , Chassevent P. , Pouncaud S. La determination speotrophometrique de la Caféine. Cafe Cacao, No 1, 1967, p. 14 30.

6. I.P.C.C. Second collegue international sur la chimie des cafes verts', torrefies et feurs derives. Publ. I.P.C.C. , Paris, 1966. p. 262.

7. Mc Cldy J.P. Mechanical drving of Arabica coffee, Kenya Coffee, Nairobi, 1959, No. 284, p. 117 133.

8. Escardino a. , Ruiz P. , Barbero P. Cafe y su actual problema industrial, Revista Agronómica y Tecnología de los Alimentos, 1970, Vol 10, No. 4, p. 528 539.

9. Валье M.LI. Исследование процесса сушки зерен кофе во взвешенном слое с применением осциллирующего режима. Диссертация на соискание ученой степени канд.техн.наук, 1., 1978, ЛТИ.

10. Романков П.Г., Рашковская Н.Б. Сушка в кипящем слое, изд.Химия, 1964.

11. Чечеткин A.B. Высокотемпературные теплоносители. М., Госэнергоиздат, 1957, с.168; 1962, с.424; Энергия, 1971, с.496.

12. Акопян Л.А., Касаткин А.Г. Хим.промышленность, 2, 1955.

13. Беранек Я., Сокол Д. Хим.промышленность, 3, 1961.

14. Гинзбург A.C., Резчиков В.А. ИФЖ, 5, 1962.

15. Горошко В.Д., Розенбаум Р.Б., Тодес О.М. Изв. ВУЗов, Нефть и газ, I, 1958.

16. Лева М. Псевдоожижение. Гостоптехиздат, 1961.

17. Федоров И.М. Теория и расчет процесса сушки во взвешенном состоянии. Госэнергоиздат, 1955.

18. Сыромятников Н.И., Волков Ф.Д. Процессы в кипящем слое, 1959.

19. Алиев B.C., Индюков Н.М., Рустамов М.И. Химия и технология топлив и масел, 8, 1959.

20. Landau W. Franz Е. Chem. Techn. 12, i960, р. 4.

21. Чечеткин A.B. Научные доклады высшей школы. Хим. и хим.шехнология, 2, 1959.

22. Дементьев В.М. Теплоэнергетика. 6, I, 50, 1959.

23. Романков П.Г., Рашковская Н.Б. Сушка во взвешенном состоянии. Л., Химия, 1968.

24. Кондуков Н.Б. ИФЖ, 3, 1962.

25. Мартюшин И.Г. Цветные металлы. 6, 1961.

26. Каганович С.А. Изв. ВТИ, 1951, Ib II.

27. Забродский С.С. Гидродинамика и теплообмен в псевдо-оясиженном слое. Госэнергоиздат, 1963.

28. Гельперин Н.И. и др. Основы техники псевдоожижения. М., Химия, 1967.

29. Циборовский Я. Процессы химической технологии. Госхим-издат, 1958.

30. Richardson J.F. , Zaki W.W. Trans. Inst. Chem. Eng. 1954, Vol 321. No. 1.

31. Balker P.Je , Heertjes P.M. Brit. Chem. Eng., 3, No.5, 1958,

32. Яворский И.Я. Изв. Сиб.отд. АН СССР, 6, 1958.

33. Гельперин Н.И., Айнштейн В.Г., Кваша В.Б. Основы техники псевдоожижения. М., Химия, 1967.

34. Казакова В.А. Химия и технология азотных удобрений. Госхимиздат, • 1960.

35. Suris G., Vázquez М. rector de forma de los granos de cafe -pergamino. IX Conferencia de Química, Universidad de Oriente, Santiago de Cuba, 19SO.

36. Лейзерович Г.Я. Применение в СССР процессов обжига в кипящем слое. Сборник работ ВДИНЦВЕТМЕТАЛЛ, 1960.

37. Neuzil М. Secado у enfriamiento de azúcar en una cama fluidi-zada, Cuba Azúcar, 3, Habana 1973.

38. Бараков А.В. Диссертация, Воронежский политехнический институт, 1983.

39. Лыков А.В. Теория сушки. М., ГЭИ, 1950.

40. Лыков A.B. Тепло- и массообмен в процессах сушки. ГЛ., ГЭИ, 1956.

41. Жидко В.И. Исследование процесса сушки зерна. Автореф. канд.дисс., ОТИПП, Одесса, 1959.

42. Любошиц И.Л., Слободкин Л.С., Пикус И.Р. Применение осциллирующих режимов при нагреве и сушке термочувствительных материалов в псевдоожиженном слое. П Всесоюзное совещание по тепло- и массообмену, Шнек, 1964, с.261.

43. Федосеев П.Н. Высокотемпературная микропериодичеекая сушка пшеницы семенного назначения при малых перепадах влаги в зерне. Автореферат канд.дисс., Новосибирск, 1956.

44. Умаров А. Р. Исследование сушки хлопка-сырца при осциллирующем режиме. Автореферат канд.дисс., ТШ, Ташкент, 1970.

45. Молчанов А.К. Исследование сушки томатных, виноградных и перцовых семян. Автореферат канд.дисс., ОТШШ, Одесса,1971.

46. Козлова М.С. Исследование процесса сушки пищевых продуктов и других материалов при переменных режимах. Автореферат канд.дисс., МТИПП, Москва, 1971.

47. Пикус И.Ф. Сб.: Тепло- и массообмен в сушильных и термических процессах. Шнек, Наука и техника, 1966.

48. Пикус И.Ф. Исследование процесса сушки овощей в псев-доожиженном слое при осциллирующем режиме. Канд.дисс., Шнек, 1965.

49. Гинзбург A.C., Резчиков В.А. Методика расчета продолжительности сушки зерна в псевдоожиженном слое. ИФЖ, № 8, 1962.

50. Гинзбург A.C., Резчиков В.А. Материалы Всесоюзного научно-технического совещания по новой технике и процессу технологии в процессах сушки. Москва, 1969, с.72.iü. — .

51. Chung II. V., Vinh V» V. , Boizan Г.Г. A. Secado fluidisado a regimen oscilatorio simétrico. Tecnología Química, Universidad de Oriente, Cuba o

52. Пикус И.Ф. Сб.: Вопросы нестационарного переноса тепла и массы. Шнек, Наука и техника, 1965, с.145.

53. Слободкин Л.С. Приближенный метод расчета кинетики прогрева влажного материала в кипящем слое при осциллирующем режиме. ИФЖ, т.7, В 3, 1964.

54. Лыков А.В. Теория теплопроводности. ТИЛП, 1952.

55. Таганцева Т.Ф. Экспериментальное исследование процесса сушки фрезерного шорфа во взвешенном состоянии. Диссертация, 1955.

56. Шейман В.А. Некоторые вопросы сушки в псевдоожиженном слое при осциллирующем режиме. ИФЖ, т.25, $ 4, 1973.

57. Шейман В.А., Процкий А.Е. Кинетика нагрева дисперсного материала при сушке с периодическим псевдоожижением. АН БССР,ja 4, 1975.

58. Шейман В.А. Расчет температуры материала при сушке в псевдоожиженном слое с осциллирующим режимом. АН БССР, $ 2,1974.

59. Шейман В.А. Взаимосвязанный тепло- и массоперенос в псевдоожиженном слое при осциллирующем режиме. ИМ, т.31, $ 4, 1976.

60. Шейман В.А. Оптимизация процесса сушки при осциллирующем режиме. ИФЖ, т.33, № I, 1977.

61. Кваша В.Б., Гельперин В.Г., Айнштейн В.Г. Межфазный теило-массообмен в псевдоожиженных системах. Химическая промышленность, № 6, 1971, с.460-466.

62. Ромашшв П.Г., Рашковская Н.Б., Фролов В.Ф. Массообмен-ные процессы химической технологии. Химия, Л., 1975, с.334.

63. Красников В.В. Кондуктивная сушка. М., Энергия, 1973, с.288.

64. Чудновский А.Ф. Теплофизические характеристики дисперсных материалов. М., физ.-мат.издательство, 1962.

65. Гинзбург A.C. Теплофизические характеристики пищевых продуктов. М., 1980.

66. Загоруйко В.А., Кривошеев Ю.И. Характеристическая монограмма кофе. Изд.ОПМФ, Одесса, 1972.

67. Чечеткин A.B. Приближенный аэродинамический расчет двухфазной системы газ твердое тело. Научные доклады высшей школы. Химия и химическая технология. М., Советская наука, 1959, II 2, с.406-410.

68. Любошиц И.Л., Слободкин Л.С., Пикус И.Ф. Сушка дисперсных термочувствительных материалов. Шнек, 1969, с.38.

69. Загоруйко В.А., Ковальчук В.И., Кривошеин Ю.И. Тепло-влажностные характеристики кофе. ИВЗ, Пищевая технология, 3,1975.

70. Плановский А.Н., Муштаев В.И., Ульянов В.М. Сушка дисперсных материалов в химической промышленности. М., Химия, 1979, с.114.

71. Нуньес Акоста С., Чечеткин A.B., Дементьев А.И. К вопросу об исследовании сушки кофе. Сообщение I. Деп. в ВИНИТИ,4411-81, РЖХ, ß 22, р.308, 1981, с.47.

72. Гинзбург A.C., Резчиков В.А. Сушка пищевых продуктов в кипящем слое. М., Пищевая промышленность, 1966.

73. Kpamers Н„, Leberd 0. Chem, Eng., 2, 1963.

74. Wehuer F. J., Wihlhelm. Che. Eng. Sei.,1,6, 1956.

75. Левич В.Г. Физико-химическая гидродинамика. Физмашгиз,1959.

76. Буровой И.А., Светозарова Г.И. ИФЖ, 5, 1965.

77. Басов В.А., Зиновьева А.П., Орочко Д.й., Плановский А.Н., XX Международный конгресс по теоретической и прикладной химии, Москва, 1965.

78. Зиновьева А.П. Автореферат канд.дисс., МИХМ, 1964.

79. Gilliland E.H., Mason Е.A. Ind. Eng. Chem., 1, 1952.

80. Иоффе И.И., Письмен Л.П. Химическая промышленность, 4,1960.

81. Reman G.H. Chem. Ind., 3, 1955o

82. Саркинц В.Б., Трабер Д.Г., Мухленов И.П. ЖПХ, 10, 1962.

83. Ляндре С:Э., Шнидель З.Б., Плановский А.Н., Якопян Л.А. Автоматизация химических и нефтехимических производств, 3, 1965.

84. Ляндре С.Э., Плановский А.Н. и др. ХТТМ, 3, 1966.

85. Тодес О.М., Бондарева А.К. Хим.наука и промышленность, 2, 1957.

86. Тодес О.М., Бондарева А.К. ИФЖ, 2, I960.

87. Trawinski Н„, Chem. Ind Techick, 5, 1953»

88. Lehuafer W.W., Haas E.G. Chem. and Eng. 4, I960.

89. Reboux R. Phenomenes de Fluid, Paris 1954»

90. Плановский А.Н. Хим.промышленность, Jé 5, 5; № 6, 4;

91. Буньес Акоста С., Чечеткин A.B., Дементьев А.И. Некоторые вопросы кинетики сушки зерен кофе. Сообщение 2, деп. в ВИНИТИ, № 4412-81, РЖК, J5 22, Р.309, 1981, с.47.

92. Чечетшн A.B. К вопросу аэродинамического сопротивления псевдоожиженного слоя. ИШЙ, 1961, т.1У, В 9, с.17-23.

93. Кваша В.Б., Гельперин Н.И., Айнштейн В.Г. Межфазный теплообмен в псевдоожиженных системах ЗИХП. Химическая промышленность, В 6, 1971, с.460-466.

94. Гухман A.A. Введение в теорию подобия. Изд.2-ое дополненное и переработанное, М., Высшая школа, 1973, 295с.

95. Гончаров E.H., Гончаров Ю.Е. Теплофизические характеристики сырых зерн кофе. Известия ВУЗов, Пищевая промышленность, № 6, 1984, с.83-86.