автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Теория и усовершенствование конвективной сушки мелкодисперсных пищевых продуктов на основе законов химической кинетики

На правах рукописи

АРАПОВ ВЛАДИМИР МИХАЙЛОВИЧ

ТЕОРИЯ И УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНВЕКТИВНОЙ СУШКИ МЕЛКОДИСПЕРСНЫХ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ НА ОСНОВЕ ЗАКОНОВ ХИМИЧЕСКОЙ КИНЕТИКИ

Специальность: 05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых производств

АВТОРЕФЕРАТ Диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Воронеж -2003

Работа выполнена в Воронежской государственной технологической академии

Научный консультант

Официальные оппоненты

заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор И.Т. Кретов.

- заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Б.И. Леончик;

- заслуженный работник высшей школы, доктор технических наук, профессор В.И. Попов;

- доктор технических наук, профессор В.И. Перелыгин.

Ведущая - ГНУ Всероссийский научно-исследователь-организация ский институт мясной промышленности им. В.М. Горбатова РАСХН.

лл

Защита диссертации состоится «15» мая 2003 г. в 13— часов на заседании диссертационного совета Д 212. 035. 01 в конференц-зале Воронежской государственной технологической академии по адресу: 394000, г. Воронеж, проспект Революции, 19.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежской государственной технологической академии. Автореферат разослан « ^ { » апреля 2003г.

Ученый секретарь /

диссертационного совета ^оз^гус*^-»-^,

доктор технических наук, профессор / Шевцов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы.. Важнейшей стратегической задачей агропромышленного комплекса России является бесперебойное и равномерное удовлетворение потребностей населения высококачественными продуктами питания в течение всего года. Сезонность и ограниченные сроки хранения сельскохозяйственного сырья и продовольствия обязывают научно-технических работников совершенствовать существующие и создавать новые способы сушки и конструкции сушильного оборудования. Особо остро стоит вопрос обеспечения мелких товаропроизводителей эффективной и дешевой сушильной техникой.

Однако, используемые методы расчета и проектирования сушильных установок, в которых реализуются современные способы сушки во взвешенном состоянии, не позволяют с достаточной степенью точности прогнозировать технические характеристики процесса. Поэтому созданию конкретного типа сушилки предшествует длительный период экспериментального исследования с последующими этапами разработки, испытания и доработки опытного образца. Это обуславливает высокую стоимость и длительность создания новой сушильной техники, а применительно к небольшим перерабатывающим хозяйствам - низкую рентабельность производства.

Важнейшим вопросом технологии сушки является обоснование температурного режима. Однако, значения максимально допустимой температуры нагрева материала или максимально допустимой температуры сушильного агента, применяемые в качестве критериев теплового воздействия на продукт, четко не определены, их значения колеблются в широких пределах. Как показывает анализ результатов экспериментальных исследований, в общем случае не однозначно определена степень влияния температуры сушильного агента на максимальную скорость сушки, а кинетика сушки периода убывающей скорости обычно базируется на-обобщении результатов экспериментальных исследований. Эти и другие нерешенные задачи конвективной сушки не позволяют в инженерных расчетах достаточно точно определить наиболее важную характеристику процесса - продолжительность сушки.

В связи с изложенным разработка теоретических положений конвективной сушки, позволяющих сократить объем эксперимен-

те НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА

тальных исследований, затраты и сроки на создание новой технологии и техники сушки, а также решать задачи выбора температурного режима, представляет собой крупную и актуальную проблему, имеющую важное народнохозяйственное значение.

Исследования выполнены в соответствии с КНТП «Продовольствие» (тема: 02.08.43, приказ ХНО МинВУЗа РСФСР № 190 от 30.06.85), с планами работ Координационного Совета Региональной Программы (тема: «Развитие физико-химических основ теории сушки с целью создания высокоэффективных методов расчета и проектирования сушильных установок для безотходных технологий пищевых производств», Постановление коллегии МинВУЗа РСФСР от 16.11.89, Постановление Кемеровского облисполкома № 346 от 30.10.89), с Республиканской НТП «Научное обеспечение перерабатывающих отраслей АПК (тема: « Разработка малогабаритных сушильных установок для фермерских и подсобных хозяйств»), а также с планами НИР ВГТА.

Цель и задачи исследований. Целью диссертации является исследование возможностей и научное обоснование применения законов химической кинетики для математического описания конвективной сушки мелкодисперсных пищевых продуктов, установления закономерностей теплового воздействия на их качество и решение на этой основе проблемы сокращения объема экспериментальных исследований и выбора температурного режима при создании новой сушильной техники.

В соответствии с общей поставленной целью диссертационной работы определены следующие задачи исследования:

1. Разработать математическую модель кинетики конвективной сушки дисперсных материалов в активном гидродинамическом режиме, применяя в качестве теоретической основы законы кинетики химических реакций. Установить взаимосвязи между максимальной (постоянной) и убывающей скоростями сушки, между тепло- и массообменом в периоде убывающей скорости.

2. Обосновать и определить допустимые температурные режимы сушки термолабильных мелкодисперсных пищевых продуктов, применяя к биохимическим, физико-химическим и другим процессам, снижающим качество продукта, законы кинетики химических реакций.

3. Теоретически обосновать и предложить обобщенную среднеинтегральную характеристику связи влаги с материалом.

4. Теоретически обосновать и разработать методику расчета продолжительности конвективной сушки мелкодисперсных пищевых продуктов, основанную на знании кинетики периода постоянной (максимальной) скорости и свойствах объекта сушки.

5. Разработать методики определения характеристик влажного материала как объекта сушки методами физико-химического анализа и инженерной физико-химической механики.

6. Разработать общую схему исследования и расчета конвективной сушки мелкодисперсных пищевых продуктов в аппаратах с активным гидродинамическим режимом.

7. Выполнить экспериментальную проверку научной гипотезы на основе комплексного исследования кинетики сушки конкретных дисперсных пищевых продуктов во взвешенном состоянии и экспериментальных данных литературного обзора.

8. Усовершенствовать на основании теоретических и экспериментальных исследований технологию сушки конкретных мелкодисперсных пищевых продуктов.

Научная концепция. В основу научного решения сформулированной в работе проблемы положены законы химической кинетики, принятые в качестве научной базы для математического описания кинетики как процесса сушки, так и сопутствующих процессов, происходящих в термолабильных компонентах пищевых продуктов под воздействием теплоты. Теория сушки может развиваться не только на законах диффузии и термодинамики необратимых процессов. В частности, сушка может рассматриваться как гетерогенный физико-химический процесс. Это позволит недостатки известных подходов к расчету сушки компенсировать достоинствами новых.

Научная новизна.

1. Научно обосновано применение законов химической кинетики в качестве теоретической основы процессов конвективной сушки мелкодисперсных пищевых продуктов.

2. Теоретически обоснованы и разработаны математические модели основных характеристик конвективной сушки мелкодисперсных пищевых продуктов, в том числе, скорости сушки, продолжительности сушки, количества теплоты и тепловой мощно-

сти, потребляемой на сушку влажного материала, позволяющие сократить объем экспериментальных исследований при создании новой сушильной техники.

3. Определены взаимосвязи: между степенью нагрева и степенью сушки в периоде убывающей скорости; между максимальной и убывающей скоростями сушки.

4. Определены зависимость максимальной скорости конвективной сушки мелкодисперсных продуктов от температурного режима и степень влияния гигроскопических свойств продукта на снижение скорости второго периода.

5. Обобщены результаты исследований теплового воздействия на термолабильные компоненты пищевых продуктов в процессе конвективной сушки, предложены новые критерии оценки этого воздействия и созданы научные основы расчета допустимых температурных режимов.

6. Научно обоснованы методики определения мономолеку-лярно- и полимолекулярно-адсорбционной влаги в материале и эмпирического коэффициента уравнения взаимосвязи между тепло- и массообменом на основе ядерного магнитного резонанса и дериватографического анализа.

7. Научно обоснован метод обработки результатов испытания на сдвиг влажного вязко-пластического пищевого продукта в виде влажностно-инвариантной характеристики предельного напряжения сдвига.

8. Теоретически обоснованы новые характеристики влажного материала как объекта сушки: эквивалентное и относительное эквивалентное влагосодержание. Предложено величину относительного эквивалентного влагосодержания периода убывающей скорости сушки применять в качестве среднеинтегральной характеристики связи влаги в материале.

9. Методами инженерной физико-химической механики, ядерно-магнитного резонанса и дериватографии изучены свойства казеина. Выявлены, экспериментально определены и математически описаны закономерности гидродинамики и кинетики сушки казеина в аппарате с фонтанирующим слоем.

Практическая значимость работы определяется результатами теоретических и экспериментальных исследований, которые позволяют сократить затраты и сроки на разработку новой

технологии и техники конвективной сушки дисперсных пищевых продуктов, а также решать задачи выбора температурного режима.

Предложены: общая схема исследования и расчета сушки мелкодисперсных продуктов в аппаратах с активным гидродинамическим режимом; методика определения продолжительности сушки на основе расчета общего эквивалентного влагосодержа-ния; методика определения в пищевых продуктах предельного напряжения сдвига; методика применения ядерно-магнитного резонанса для определения фракционного состава влаги в материале; методика определения характеристик продукта и процесса конвективной сушки мелкодисперсных продуктов в периоде убывающей скорости на основе дериватографического анализа.

Определена область допустимых температурных режимов конвективной сушки дисперсных пищевых продуктов.

Показана целесообразность представления результатов экспериментального определения температуры материала в процессе сушки в виде обобщенной температурной кривой сушки, а предельного напряжения сдвига - в виде инварианто-влажностной характеристики

Разработан (A.C. № 1082373) и внедрен в производство способ сушки кислотного казеина.

Результаты исследований использованы при разработке и внедрении в производство линии сушки хлебной крошки. На примере усовершенствования в производственных условиях сушки 4,4'-бисмалеимидцифенилметана показана возможность применения теоретических положений диссертации к процессам сушки тонкодисперсных высокомолекулярных органических продуктов.

Апробация работы. Основные материалы и результаты диссертационной работы доложены на: научной сессии «Коллоидная химия эмульсионных и латексных систем» научного совета по коллоидной химии и физико-химической механике РАН, Воронеж, 2000; секции «Интенсификация и автоматизация технологических процессов обработки пищевых продуктов» Научного совета «Производство пищевых продуктов и рационализация питания населения СССР» ГК НТ СССР, Могилев, 1981; секции «Состояние и развитие производства химических продуктов; материалы будущего и нетрадиционные химические технологии» XVI Менделеевского съезда по общей и прикладной химии,

Санкт-Петербург, 1998; международной конференции по коллоидной химии и физико-химической механике, Москва, 1998; международном симпозиуме «Lipid and Surfactant Dispersed Systems», Moscow, 1999; международной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии и оборудование для пищевой промышленности», Воронеж, 1997; Всесоюзной научно-технической конференции «Теоретические и практические аспекты применения инженерной физико-химической механики с целью совершенствования и интенсификации технологических процессов пищевых производств», Москва, 1982; 4-ой Всесоюзной научно-практической конференции «Разработка комбинированных продуктов питания», Кемерово, 1991; Всесоюзном коллоквиуме по процессам и аппаратам пищевых производств, Москва, 1985; Всесоюзной научно-технической конференции «Эффективность безотходной технологии в молочной промышленности», Ставрополь, 1983; 7-ой Республиканской научно-технической конференции «Повышение эффективности производства и качества молочных продуктов», Каунас, 1982; Всероссийской научно-практической конференции «Физико-химические основы пищевых и химических производств», Воронеж, 1996; III Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии и системы», Воронеж, 1999; первой (2000) и второй (2002) Всероссийской научно-технической конференции «Теория конфликта и ее приложения», Воронеж; первой Всероссийской электронной научно-технической конференции АМАТ-2001, Воронеж, 2001; Всероссийской научно-практической конференции «Безотходная технология использования сырья при выработке сыра, масла и цельномолочных продуктов», Адлер, 2002; научных конференциях МТИПП (1982), ЛТИХП (1982), МГАПБ (1996), КемТИПП (1980... 1993), ВГТА (1994...2002).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 57 работах.

Объем работы. Диссертация изложена на 300 страницах основного текста, содержит 62 рисунка, 17 таблиц. Список литературы включает 225 наименований отечественных и зарубежных авторов. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы и приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении охарактеризовано современное состояние пищевой промышленности России, значение и направления решений проблемы сушки в перерабатывающих отраслях АПК, обоснована актуальность работы и сформулирована ее цель.

В первой главе детально рассмотрена характеристика явлений при сушке пищевых продуктов, проанализированы особенности и стратегия проектирования сушилок, тенденции развития технологии и техники сушки и основные теоретические подходы к математическому моделированию этого процесса. Сформулирована основная научная гипотеза и задачи исследования.

Многообразие явлений, наблюдаемых при сушке, и их взаимосвязь обуславливают рассмотрение процесса с различных точек зрения. С одной стороны, конвективная сушка является те-плофизическим процессом, для описания которого требуется рассмотрение ряда сложных взаимосвязанных явлений. С другой стороны, она характеризуется как сложный физико-химический процесс, в котором большое значение имеют поверхностные явления, развивающиеся на границе системы: твердое тело-жидкость.

Особенность пищевых продуктов, как объектов сушки, заключается в том, что они представляют собой сложные гетерогенные биологически активные системы, их характеристики являются функцией химического состава, структуры, параметров состояния и зависят от метода обработки, региональных условий производства сельскохозяйственного сырья. Поэтому необходимо разрабатывать методы расчета сушки с использованием некоторых обобщенных характеристик, которые подвержены меньшему влиянию незакономерно изменяющихся факторов воздействия. Для определения этих характеристик целесообразно применять наиболее совершенные методы и приборы физико-химического анализа и инженерной физико-химической механики.

Существующие подходы к математическому моделированию сушки можно классифицировать на основании физических законов или физико-химических соотношений, которые служат теоретической основой кинетических уравнений. Анализ широко используемых на практике математических моделей сушки, полученных на основе классической теории диффузии или феноме-

нологических законах неравновесной термодинамики, показывает, что количественное описание переноса влаги из материала в сушильный агент, основанное на учете всех многочисленных элементарных видов переноса, не представляется возможным из-за сложности физической картины взаимосвязанных явлений и отсутствия полных данных по кинетическим коэффициентам, входящим в дифференциальные уравнения и краевые условия. Для практически важных случаев сушки на рассмотренной теоретической основе можно получить лишь приближенные (ориентировочные) решения. Существенными недостатками моделей, основанных на обобщении результатов экспериментальных исследований, являются необходимость проведения большого количества экспериментов и пригодность полученных моделей для описания сушки конкретных продуктов в конкретных аппаратах.

Анализ состояния и развития науки о сушке пищевых продуктов позволил сформулировать следующую научную гипотезу.

Конвективную сушку мелкодисперсных пищевых продуктов в активных гидродинамических режимах можно рассматривать как гетерогенный физико-химический процесс термического разделения влажного вещества, применяя при его математическом моделировании в качестве теоретической основы законы кинетики химических реакций. Область допустимых температурных режимов сушки определяется из совместного рассмотрения кинетики сушки с кинетикой процессов, происходящих в термолабильных компонентах.

Во второй главе рассмотрены теоретические и экспериментальные предпосылки применения законов кинетики химических реакций в качестве теоретической основы процесса сушки и приведены результаты математического моделирования конвективной сушки мелкодисперсных пищевых продуктов.

Сегодня накопился целый ряд теоретических положений и экспериментальных фактов, которые свидетельствуют о возможности применения законов кинетики химических реакций к расчету кинетики конвективной сушки мелкодисперсных пищевых продуктов, как гетерогенного физико-химического процесса.

Во-первых, к гетерогенным реакциям, протекающим в кинетической области, применимы законы гомогенных реакций с тем лишь отличием, что действующей концентрацией является концентрация в кинетической области. Поэтому, если размеры

(эквивалентный диаметр <1) высушиваемого материала сравнительно малы и соизмеримы с зоной испарения 8 {с1< 28),которая формируется в периоде постоянной скорости, то среднее значение влагосодержания частицы в первом приближении можно принять в качестве действующей концентрации влаги в материале.

Под мелкодисперсным продуктом будем понимать такой, у которого размер частиц не превышает двух зон испарения.

Во-вторых, кинетика химических, физико-химических, биохимических и реологических процессов, которые совмещаются с сушкой, также описывается законами кинетики химических реакций.

Рассматривая сушку как гетерогенный физико-химический процесс, будем исходить из следующих положений:

Переход влаги из влажного материала в парообразное состояние связан с преодолением энергетического барьера Е, наличие которого обусловлено энергией связи влаги с материалом Есе и затратами энергии на фазовое превращение г. В парообразное состояние могут переходить молекулы воды, энергия которых больше или равна Е.

Доля молекул во влажном материале, с энергией большей или равной Е, подчиняется закону распределения Больцмана. Энергия связи влаги с материалом определяется по уравнению П.А. Ребиндера.

Наибольший поперечный размер частиц материала не превышает двух размеров углубления зоны испарения.

Тогда можно воспользоваться известной теорией Аррениу-са о химических превращениях и скорость процесса сушки выразить уравнением:

Взаимосвязь между ос и влагосодержанием материала определяется соотношением:

Функция степени превращения вещества в теории химических реакций может быть представлена:

(1)

и-и.

■и

р /

где п - коэффициент, называемый порядком реакции.

Анализ большого количества экспериментального материала по сушке различных продуктов позволяет определить матема-

тическую модель процесса сушки в первом периоде:

г \

дт

: А/, = (и„ ~ир)А- ехр

Л-Г..

(4)

(5)

Т = Тм.

Во втором периоде сушки происходит удаление связанной влаги, для которой величину энергии активации можно определить: Ъ = г + Ь1в=г-К-Т-Ьп[<р{и,т)}. (6)

Для второго периода сушки скорость процесса:

Л/ ' дт

мг{и)-.

и-иР

-(v)

■(ин -и„)■ А-<р{и,Т).ехр|-^. (7)

Уравнение (7) необходимо дополнить уравнением температурной кривой. Таким образом, предлагается комбинированный подход к моделированию сушки: феноменологическое уравнение, описывающее кинетику сушки дополняется экспериментально установленной взаимосвязью между температурой и влагосодер-жанием материала.

Интенсивность нагрева материала при высушивании обычно оценивается температурным коэффициентом сушки В:

В = -К.Ма/(и). (8)

¿Ю АТ

Система уравнений (7) и (8) представляет собой математическую модель сушки второго периода в общем виде.

Для коллоидных капиллярно-пористых тел относительный температурный коэффициент сушки является функцией влагосо-держания:

В = -

дТ

еи

и -и *р р

Т -Т

V с -« у

-а-

-1

(9)

а температура материала равна:

т

и -и

*Р Р

г и-и. Л

т +1

и

\ кр

■и

р /

или:

Т = ТМ+{ТС-ТМ).

и-и.

\т+1

■и.

•1

р /

7Я + 1

т

хи -и

\ кр ы р /

(И)

Практический интерес представляет уравнение температурной кривой, записанное в обобщенных переменных, которое можно получить из уравнения (10) или из (11):

т

+1 и-и.

Т -т

с м

т_т

т

и -и

кр Р

1

т

+1 и-и

т + \ 1

( и-Цр л

т

и,Р-ир

т

'и-и, ^

-1

-1

(12)

(13)

Выражение для скорости сушки второго периода имеет вид:

м2(и)=мг

/

и-и.

и -и

V КР Р

■р(и,Т)-ехр где 2(и) = ±.%-аиГ1-1}+т + 1

а,,

т

и„-и

«р_

кр р

1 -а,, =-

■«у,

т

У-Ур Укр-Ур

Г 2{и) ' дг„ к+г(и) т..

(14)

к

т -т

Анализ уравнения (14) подтверждает известный факт, что скорость второго периода сушки всегда можно выразить в виде произведения скорости первого периода и некоторой передаточной функции Ц/{У) > которую принято называть относительной скоростью второго периода сушки.

Как видно из (14) при определенных режимах для некоторых материалов кривая скорости сушки второго периода может иметь форму кривой десорбции (р(1/, Т), что подтверждается многими экспериментальными исследованиями.

Предлагаемый подход к моделированию сушки позволяет оценить степень влияния гигроскопических свойств продукта, которые отображаются уравнением кривой десорбции, на снижение скорости второго периода. Получение этой зависимости в явном виде с прежних теоретических позиций было затруднено.

Уравнения (12) и (13) представляют собой температурно-влажностную характеристику материала, которая отражает взаимосвязь между тепло- и массообменом и является интегральным отражением свойств влажного материала, как объекта сушки, подобно тому, как кривая сорбции материала отражает его гигроскопические свойства.

Таким образом, рассматриваемый подход к описанию кинетики сушки позволяет получить простые для инженерной практики расчетные зависимости для второго периода сушки. При этом удается увязать скорость сушки второго периода со скоростью сушки первого периода, свойствами высушиваемого материала, параметрами сушильного агента и способом ведения процесса. Скорость сушки в первом периоде, как известно, можно рассчитывать по диффузионным или термодинамическим моделям.

Нетрудно видеть, что для получения явного вида расчетных уравнений кинетики сушки для конкретного продукта требуется выполнение в сравнении с другими теоретическими подходами к исследуемому процессу значительно меньшего объема экспериментальных исследований, что сокращает длительность и удешевляет стоимость создания нового сушильного оборудования.

Отношение разности температур (Т - Тс )/(Гс — Т м ) представляет собой степень нагрева сухого вещества во втором периоде сушки, которая определяется отношением теплоты, затраченной на нагрев сухой части материала в момент времени т~0.сг{г), к теплоте, затраченной на нагрев этого вещества за весь второй период сушки - ОХ :

ат=т=1^ъ.. си)

Тс - Т м

Если рассчитать количество влаги АМ2(г), испарившейся во втором периоде к моменту времени т, и за весь второй период - АМ2, то нетрудно видеть, что отношение этих величин равно:

ДМ^^^ (16)

дм2 и„-ир

По аналогии с понятием «степень превращения вещества» предложено называть величину аи степенью сушки, а величину ¡3 = 1 - аи - степенью влажности материала.

Таким образом, из (12) и (13) следует, что во втором периоде конвективной сушки мелкодисперсного материала степень сушки определяется только степенью нагрева материала и от других факторов процесса не зависит.

Полученные кинетические уравнения позволяют рассчитать продолжительность сушки т. которая суммируется из продолжительности первого т\ и второго т2 периодов:

г(и)

xJJa ~Ukp +_L Г

dU ■ ехр

RTM K + Z(U)_

(17)

U-UP

yV^-U,,;

■<p{U,T)

Анализ уравнения (17) показывает, что для ряда материалов при высушивании от UH до UK в некотором интервале температурных режимов должно соблюдаться известное из практики условие:

NrT = Nx-Tx+Nx-T2=Wx+W1=Wo6~c.onst. (18)

При установлении физического смысла величины W исходим из следующих положений. Единицами измерения величин W\, W2, W,s являются единицы измерения влагосодержания. Назовем количество влаги Nx • х эквивалентным влагосодержанием. Указанные

величины можно рассматривать в качестве характеристик влажного материала: W„e можно определить как общее эквивалентное влаго-содержание материала; W\, - соответственно, эквивалентное вла-госодержание первого (Щ = UH- Urp) и второго периодов сушки.

Существующее понятие влагосодержания количественно оценивает содержание влаги в материале, эквивалентное влаго-содержание является количественно-качественной оценкой содержания влаги. В этой связи возникает необходимость введения понятия относительного эквивалентного влагосодержания:

ин-и„

о, =■

(19)

'я ^ К " кр ^ к

где Юоб, аь. — соответственно общее относительное эквивалентное влагосодержание материала и относительное эквивалентное влагосодержание материала во втором периоде сушки.

Предлагаемый подход к расчету кинетики сушки и понятие эквивалентного влагосодержания позволяют получить для второго периода сушки основное уравнение кинетики в удобных* для практического использования формах:

Р{и)=Мс-Е-Щ

и-иР

л(и)

г 2{Ц) |

лв-ти к+г(и) I

х 1-

С Е

т + \

т

и№-иР

и-иР

v ^ кр ~ у р

-1

с1]¥ =

Яг<У)

■<Ш

1 +

Е„ , (Сс + Ц-СВ)

<л аи

(20)

(21)

г г

На основании уравнения (21) можно рассчитать Щ и, используя (18), определить длительность процесса.

Третья глава посвящена физико-химическому обоснованию температурных режимов сушки.

Сушка пищевых продуктов сопряжена с тепловым воздействием на термолабильные компоненты, в результате чего происходит изменение их качества. Эти изменения являются результатом протекания под воздействием теплоты различных сопутствующих процессов.

Выбор температурных режимов сушки, основанный на применении в существующей технологии таких критериев оценки теплового воздействия, как максимально допустимая температура нагрева материала или сушильного агента, является не достаточно обоснованным; необходимо учитывать продолжительность теплового воздействия.

На основании анализа литературных источников сформулирована гипотеза о том, что кинетика процессов, происходящих под воздействием теплоты в термолабильных компонентах пище-

вых продуктов, описывается законами кинетики химических реакций.

В основу научного решения проблемы выбора температурных режимов сушки положена идея о необходимости кинетику сушки рассматривать совместно с кинетикой процессов, происходящих в термолабильных компонентах. Температурный режим сушки можно считать допустимым, если количество термолабильного компонента, перешедшего в активированный комплекс под воздействием теплоты в процессе сушки, не превышает значения, установленного соответствующим стандартом на продукт.

В качестве критериев теплового воздействия на термолабильные пищевые продукты в процессе сушки можно применять максимальный тепловой импульс сушильного агента (Тс • гтах), представляющий собой произведение абсолютной температуры сушильного агента на время обработки продукта этим агентом, или максимально допустимое время обработки продукта сушильным агентом с абсолютной температурой Тс.

За гтах принимается время сушки, в течение которого качественные показатели продукта остаются в пределах соответствующего стандарта.

Для каждого продукта и типа аппарата область допустимых температурных режимов сушки определяется в виде зависимости:

1п(П-ггоах)=а + г>-Ь (22) 1п + (23)

с с

где а, Ь,с,с1- эмпирические коэффициенты.

Экспериментальная проверка уравнений (22) и (23), проведенная по результатам сушки казеина и кукурузы (данные автора, В.М. Арапова, В.Мюльбауера, В.А.Резчикова и М.Ю.Уразова), а также результаты исследования области допустимых температурных режимов сушки хлеба и казеина в промышленных аппаратах, которые эксплуатировались в последние 65 лет (рис. 1), подтвердили выше сформулированную гипотезу области допустимых температурных режимов.

Четвертая глава посвящена определению эмпирических коэффициентов и экспериментальной проверке научной гипотезы, которые выполнены по результатам исследования сушки казеина в фонтанирующем слое и экспериментальным данным литературного обзора.

Рис. 1. Область допустимых температурных режимов сушки казеина по результатам исследований:

1 - А.Г.Морозова;

2 - И.Г.Максимова;

3 - В.Д. Суркова;

4 - Л.Я.Фадеевой;

5 - Г.Р.Цыдендоржиевой (средняя температура 2-ух зон);

6 - автора.

Для определения коэффициентов А и п от независимых управляемых переменных процесса сушки казеина в фонтанирующем слое - ТСг, Но, о/о„ф и с?э, применен метод математического планирования экспериментов. С погрешностью не более

6 % скорость первого периода сушки определяется уравнением:

(24)

Уравнение (24) справедливо при и н =1 кг/кг; ¿3=(2 + 3)-1(Г3 м; 0,1 < Н0 < 0,16 м; 1,1 < и/ияф < 1,7; 393 < Тс < 453 °К.

Уравнение (24) в отличие от других математических моделей определяет зависимость максимальной скорости сушки от температурного режима в явном виде. Согласно (4) и (24) для скорости сушки в первом периоде определяющим фактором является абсолютная температура сушильного агента, замеренная по «мокрому» термометру, и в координатах 1п - \/Тм зависимость N1 от Тм должна носить линейный характер. При этом тангенс угла наклона прямой, равный г/Я, определяет энергию активации молекул воды в первом периоде сушки. Этот факт подтверждается экспериментальными данными различных исследователей, (рис.2).

Прямые на рис. 2 имеют один и тот же тангенс угла наклона, который соответствует удельной теплоте парообразования свободной влаги, что подтверждает правомочность допущений, сделанных при получении уравнения скорости процесса. Аналогичная зави-

у^г 1

4

•в

2,2 2,4 2,6 2,8 3

юоо/7;, к-1

3,8

2,6

3,4

2,2

3,С

—. н - 0 1 м 1 - сушка в кипящем слое

--м---(по данным Л Я Фадеевой),

" 2 - сушка в фонтанирующем слое,

и„ = 1,63 кг/кг; з _ сушка в виброкипящем слое А = 8 мм;--— (по данным Г.Р.Цыдендоржиевой)

'3,13 3,15 3,17 3,19 3,21 3,23 3,25 3,27 Ю00/Тм, К"1

Рис. 2. Зависимость скорости первого периода сушки N1 (%/с) ог температуры сушильного агента Тм (по «мокрому» термометру).

симость N1 от температурного режима получена при обработке экспериментальных данных по сушке прессованной бумаги (данные Г.К. Филоненко) и кондуктивной сушки целлюлозы (данные акад. РАСХН В.В. Красникова).

В процессе экспериментального исследования сушки казеина температурные кривые обрабатывали в виде Г = /,(!/). Как видно из рис. 3, температура материала является функцией влаго-содержания и температуры сушильного агента и практически не зависит от гидродинамического режима и/онф, размера частиц и высоты слоя. Характер приведенной зависимости указывает, что значение температурного коэффициента сушки является функцией только влагосодержания материала. Этот вывод подтверждается данными литературного обзора, что обосновывает уравнение (8). На рис. 4 представлены теоретические расчеты температуры казеина в периоде убывающей скорости с использованием уравнений (10), (11) при т = -0,17. Для сравнения показаны участки экспериментальных температурных кривых сушки этого же периода (рис. 3) при температурах сушильного агента 393 и 433 °К.

Как видно, теоретически рассмотренная зависимость температуры казеина от влагосодержания в периоде падающей скорости соответствует характеру этой зависимости, построенной по экспери-

403 383 363 343 323

303

ментальным данным. Однако теоретически рассчитанная температура несколько ниже экспериментального значения. Это объясняется тем, что в эксперименте определялась фактически температура верхних слоев, которая выше среднеобъемного ее значения. Правомочность уравнений (10) и (11) подтверждается и по- , строением обобщенной температурной кривой.

Для экспериментальной проверки уравнений взаимосвязи тепло- и массообмена (12) и (13) данные по сушке казеина, полученные нами в широком диапазоне начальной высоты слоя, диаметра частиц, относительной скорости сушильного агента, имеющего температуру на входе в аппарат 393 или 433 °К, обработали в виде графической зависимости а7 = /(аи ), рис. 5. На этом же графике нанесены экспериментальные данные дериватографического исследования сушки казеина и теоретическая кривая взаимосвязи тепло- и массообмена, рассчитанная по уравнениям (12), (13) при т = -0,17 . Коэффициент т определен по экспериментальным данным с использованием метода наименьших квадратов. Правомочность этих уравнений подтверждается также экспериментальными данными литературных источников. Следует особо подчеркнуть важность полученного уравнения для инженерной практики. На взаимосвязь (12), (13) в отличии от известных кинетических кривых I/), и(т), 7'(г) не оказывают влияние ни конструкция аппарата, ни температурный режим сушки. Это позволяет определять один из

<

1

1

Л

0.2 0,4 0 6 0,8 и кг/кг

. 3. Изменение температуры казеина

сушке в фонтанирующем слое:

(с, и/ Н0, • 10:

"С /°«Ф м м

• -160 1,3 0,12 2Д

о -160 1,1 0,14 4,5

л— 160 1,5 0,16 3,7

х-160 1,7 0,10 2,9

* -120 1,5 0,12 2,9

л — 120 1,7 0,14 3,7

■ - 120 1,3 0,16 4,5

® - 120 1,1 . 0,10 2,1

» 11р=0,036 кг/кг, Тс=313 "К ■ ир=0.020 кг/кг, Тс=333 К А 1)р=0.015 кг/кг, Тс=363 Ж —*— ир=0, Тс=393°К ■ Ж Цр=0, Тс=433°К

—О—Экспериментальная кривая, Тс=393°К —Экспериментальная кривая, Тс=433^<

280

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45

и, кг/кг

Рис. 4. Изменение температуры казеина в периоде убывающей скорости сушки (теоретический расчет)

1

0,8 0,6 а 0,4 0,2

т

о п-

0 0,2 0,4 0,6 0,8 аи

Р Рис.5. Сушка казеина в фонтанирующем слое при: II,, = 1 кг/кг; и^ = 0,5 кг/кг; и/и,1Ср=1,\...П ; Я0 =0,1...0,16 м; (13 =2,1...4,5 мм; х- Г( =433 °К; а - Тс= 393 °К; Д — сушка в печи дериватографа: сГГ^г = 5 °С/мин; V„ = 2,473 кг/кг; II ^ - 0,526 кг/кг; Д/ = 30...169 °С; Ш - сушка в печи дериватографа: и„ = 1,272 кг/кг; I]^ = 0,393 кг/кг; 1 Д/ = 30...2Ю °С.

важных кинетических коэффициентов сушки т по результатам лабораторного анализа, в частности, по дериватографическому анализу.

Порядок скорости второго периода сушки казеина определяли из экспериментально построенных кривых Ы2(Ц) с использованием уравнения (14). Как видно из рис. 6, порядок скорости сушки второго периода является функцией влагосодержания и температурного режима.

В пятой главе на примере исследования сушки казеина разработана структура исследования и расчета кинетики сушки мелкодисперсных продуктов с применением методов инженерной физико-химической механики и физико-химического анализа,-

Основными величинами, значение которых необходимо для проведения расчетов по уравнениям (4), (5), (И) и (14) являются: ит икр, ир, Тс, Тм, (р{и, Т), г, эмпирические коэффициенты А, т и порядок скорости сушки второго периода.

1,8 ----»---

0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45

и , кг/кг

Рис. 6. Значения порядка скорости второго периода сушки казеина в фонтанирующем слое.

и„ определяется лабораторным испытанием материала перед сушкой; икр и ир при высушивании мелкодисперсного материала в аппаратах с активным гидродинамическим режимом приближенно можно определить по уравнениям кривой десорбции материала. Если Тс » 100 °С, то ир ~ 0. Более точно критическое

влагосодержание можно определить по дериватограмме материала. Тм определяется по диаграмме Л.К. Рамзина, а Тс - из условий оптимизации процесса.

Следует отметить, что в инженерных расчетах можно определить аналитически на основе известных решений. Коэффициент тп достаточно надежно определяется по кривой взаимосвязи тепломассообмена, построенной на основании дериватограммы.

Таким образом, экспериментальное исследование кинетики сушки необходимо только для определения одного п{Ц) или двух А, п(У) эмпирических коэффициентов. Это обстоятельство, несомненно, является достоинством рассматриваемого подхода к математическому описанию кинетики сушки.

Структура исследования конвективной сушки мелкодисперсного материала в аппаратах с активным гидродинамическим режимом должна включать:

1. Исследование характеристик свойств продукта как объекта сушки: теплофизических, реологических, физико-механических, массообменных, гигроскопических.

2. Определение границ существования устойчивого гидродинамического режима сушки материала в зависимости от факторов процесса.

3. Исследование закономерности кинетики сушки. В нашем случае необходимо определить порядок скорости сушки второго периода.

4. Исследование области допустимых температурных режимов.

Из изложенного видно, что математическое описание процесса конвективной сушки мелкодисперсных материалов в аппаратах с активным гидродинамическим режимом на основе законов кинетики химических реакций требует широкого использования при исследовании данного процесса современных методов инженерной физико-химической механики и физико-химического анализа.

Данная структура исследования реализована нами при разработке нового способа конвективной сушки казеина. При этом учитывали, что теплофизические и некоторые физические свойства казеина достаточно изучены.

Наиболее существенными для расчета перемещения казеина в рабочих органах машин являются структурно-механические свойства, которые характеризуются эффективной вязкостью и

предельным напряжением сдвига (ПНС). ПНС казеина определяли на коническом пластометре, а вязкостные свойства - на капиллярном вискозиметре. Изучение сыпучих свойств казеина в зависимости от влажности, способа измельчения, размера частиц проведено путем измерения угла естественного откоса и времени истечения продукта из воронки.

Казеин по реологическим свойствам относится к классу вязко-пластических тел; его техническая кривая течения описывается уравнением Гершеля-Балкли. На реологические свойства казеина в наибольшей степени оказывают влияние способ его производства, температура и влажность. Мягкую консистенцию имеют ферментативный и молочно-кислотный казеин, наиболее прочную - соля-но- и сернокислотный. С повышением температуры и влажности казеина реологические константы в0 и Л* уравнения кривой течения снижаются, индекс течения с повышением температуры возрастает и не зависит от влажности. Наибольшую связанность и меньшую сыпучесть имеют частицы казеина, протертого через сито. Гранулированный казеин имеет минимальное значение ПНС и угол естественного откоса и максимальное значение сыпучести при следующих значениях факторов: с1я= 2 + 3 мм; Т = 300^305 °С; Цг= 50-54 %.

На примере обработки измерений ПНС казеина показано, что зависимость ПНС от температуры и влажности выражается в виде обобщенной влажностно-инвариантной характеристики (рис. 7):

♦ I i

i I 1

■—» —Г +-Ц

-14 -10 -6 -2 2 6 10 14

W-Wr, %

Рис. 7. Влажностно-инвариантная характеристика предельного напряжения сдвига казеина.

= ar=AW~Wr), (25) wr = b0 - btT (26)

где Ь0, Ь - коэффициенты; 6Г = 4550 Па; IV, Шг - текущее и приведенное значение влажности казеина, %.

Изучение форм связи влаги в казеине осуществляли методом ядерно-магнитного резонанса. Влажность казеина 20+25 % соответствует полимолекулярно-адсорбционной влаге; 3,6 % -мономолекулярно - адсорбционной.

Показана эффективность применения дериватографическо-го анализа к исследованию процесса сушки. Обработка деривато-грамм казеина показала, что обезвоживание продукта в печи де-риватографа описывается законами кинетики химических реакций, взаимосвязь между тепло- и массообменом в дериватографе и в промышленном аппарате идентичны (рис. 5).

При хранении казеина упрочняется его структура и возрастает энергия связи влаги. При тепловой денатурации казеина происходит изменение энергии связи влаги с белком: часть связанной влаги переходит в состояние свободной воды.

Шестая глава посвящена исследованию гидродинамики фонтанирующего слоя казеина и практическому использованию результатов исследования.

В результате исследования установлено, что качественное фонтанирование слоя казеина обеспечивается при влажности не более 60 %, Но < 0,17 м и измельчении казеина путем гранулирования. Гидродинамические параметры фонтанирующего слоя казеина при IV < 53 % с погрешностью не более 11 % определяются по эмпирическим уравнениям:

АР_ Л,„, »(480-1,36»')Я,; с

0,658 + 0,077а 5

».ф =1,67<С'52-Яс0'53 -(0,95 + 0,036^), (29>

иу = 0,470,55 -^0,35^ + 26,6 . (30)

Выполненные исследования позволили разработать комбинированный способ сушки казеина в две стадии: на первой - в режиме фонтанирования при Тс = 413...423 °К и о = 3,9...4,3 м/с до влажности 17...20 %, а на второй - в плотном слое при

Тс = 363...373 °К; между стадиями казеин подвергают отлежке в течение 10...20 минут.

Для измельчения казеина сушильная установка снабжена гранулятором шнекового типа. Приведена методика расчета гра-нулятора на основе совмещенных расходно-напорных характеристик шнекового нагнетателя и матрицы. Внедрение опытного образца казеиносушилки позволило значительно сократить удельный расход пара и увеличить выход высшего сорта казеина в 1,8 раза.

Теоретические положения диссертации послужили основой для разработки и внедрения на Кемеровском хлебокомбинате линии сушки хлебной крошки. Годовой экономический эффект от внедрения линии составил 28762,5 рублей в ценах и нормативах 1991 года.

Результаты работы могут быть использованы при разработке и совершенствовании сушки тонкодисперсных высокомолекулярных органических соединений. Так, разработанный на основе теоретических положений диссертации одноступенчатый способ сушки 4,4'-бисмалеимиддифенилметана в барабанной вакуумсушилке позволил сократить продолжительность процесса с 15... 16 часов до 12 часов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Научно обоснованы и созданы на основе законов химической кинетики теоретические положения конвективной сушки дисперсных пищевых продуктов, применение которых позволяет сократить объем экспериментальных исследований, затраты и сроки на разработку новой технологии и техники сушки, а также решать задачи выбора температурного режима.

1. Современное математическое описание кинетики сушки, базирующееся на законах диффузии, неравновесной термодинамики или на обобщении результатов экспериментальных исследований с использованием теории подобия и математической статистики, требует больших временных и материальных затрат в связи с необходимостью проведения значительного количества дорогостоящих опытов и определения значений многочисленных коэффициентов и характеристик продукта, входящих в дифференциальные уравнения и граничные условия.

2. Научно обосновано применение законов химической кинетики в качестве теоретической основы математического моделирования конвективной сушки мелкодисперсных материалов.

Получены оригинальные математические модели основных характеристик конвективной сушки дисперсных пищевых продуктов: скорости сушки, относительной скорости сушки, температуры материала, продолжительности процесса, количества расходуемой на сушку теплоты и требуемой тепловой мощности в зависимости от его влагосодержания. При этом для периода убывающей скорости сушки, если определены скорость первого периода и уравнение кривой десорбции материала, количество экспериментально определяемых коэффициентов по сравнению с дифференциальными уравнениями тепломассообмена A.B. Лыкова уменьшается в общем случае до двух.

Экспериментально изучено изменение коэффициентов математической модели кинетики сушки от параметров процесса. Установлено, что коэффициент т для конкретного продукта -величина постоянная.

3. Взаимосвязь между тепло- и массообменом в периоде убывающей скорости конвективной сушки мелкодисперсных материалов определяется функцией степени сушки от степени нагрева (доли поглощения теплоты). Теоретически показано и экспериментально подтверждено, что степень сушки во втором периоде однозначно определяется степенью нагрева материала и не зависит от режима сушки и масштаба аппарата.

4. Предложено определять продолжительность сушки на основе расчета эквивалентного влагосодержания. Для одних и тех же значений начального и конечного влагосодержания продукта в определенном интервале изменений температурного режима эквивалентное влагосодержание - величина постоянная и не зависит от режима сушки.

5. Качественная оценка влаги в материале, характеризующая ее летучесть в процессе конвективной сушки, определяется новыми характеристиками влажного материала: общим относительным эквивалентным влагосодержанием {соа6 = WaB /(t/, - Uу)) и относительным эквивалентным влагосодержанием периода убывающей скорости (<о2 =W2/(UkT -l/J). Величину а>г можно рассматривать в качестве среднеинтегральной характеристики связи влаги с материалом в диапазоне влагосодержаний от UKp до Uк. Чем

больше а>2, тем прочнее связь влаги с материалом и тем медленнее протекает процесс сушки в периоде убывающей скорости.

6. При установлении допустимых температурных режимов конвективной сушки предложено кинетику сушки рассматривать совместно с кинетикой физико-химических превращений в термолабильных компонентах.

Температура нагрева материала или температура сушильного агента, а также температура сушильного агента на входе и выходе из аппарата являются недостаточными характеристиками для оценки теплового воздействия на продукт; максимальные значения этих параметров режима сушки, применяемые в качестве критериев допустимого теплового воздействия, четко' не определены, их значения колеблются в широких пределах в зависимости от способа конвективной сушки и конструкции аппарата.

7. В качестве критериев теплового воздействия на пищевые продукты в процессе сушки рекомендовано применять максимальный тепловой импульс сушильного агента или максимально допустимое время обработки продукта сушильным агентом с аб- \ солютной температурой Тс, которые определяются из условия обеспечения требуемого стандартом качества продукта.

Область допустимых температурных режимов конвективной сушки определяется в виде линейной зависимости логарифма максимального теплового импульса сушильного агента или логарифма максимально допустимого времени обработки продукта сушильным агентом от обратного значения абсолютной температуры сушильного агента. '

8. Логарифм максимальной скорости сушки является линейной функцией от обратного значения абсолютной температуры сушильного агента по «мокрому» термометру. 1

Теоретически показано и экспериментально подтверждено, что зависимость безразмерной температуры (Т-ТМ)/(ТС-ТМ) от вла-госодержания является обобщенной температурной кривой сушки. Так же подтверждено, что относительный температурный коэффициент сушки зависит только от влагосодержания продукта.

9. Целесообразно для получения объективной информации о свойствах продукта как объекта сушки, значения которых необходимы для обоснования способа сушки и реализации математи-

ческих моделей, полученных на основе законов химической кинетики, применять современные методы инженерной физико-химической механики (ИФХМ) и физико-химического анализа.

При разработке нового способа сушки казеина методами ИФХМ определены значения влажности (50...54 %), температуры (300...305 °К), эквивалентного диаметра (2...3 мм) и способа измельчения продукта (гранулирование), при которых казеин-сырец имеет наибольшую подвижность частиц и наименьшую способность к адгезии и когезии.

Зависимость ПНС казеина от температуры и влажности выражается в виде влажностно-инвариантной характеристики. Течение казеина в каналах измельчающих машин определяется реологическим уравнением Гершеля-Балкли. Методом ЯМР определено количество полимолекулярно-адсорбционной влаги (20...25 %) и мономолекулярно-адсорбционной (3,6 %).

Разработанная методика применения дериватографического анализа к исследованию конвективной сушки позволяет сравнительно быстро определять критическое влагосодержание, кинетический коэффициент сушки т, количество наиболее прочно связанной влаги, изменение энергии связи влаги в продукте в процессе сушки, а также вид кривой взаимосвязи тепломассообмена.

10. Эффективность новых теоретических положений конвективной сушки дисперсных продуктов показана при разработке способа сушки казеина (A.C. № 1082373), линии сушки хлебной крошки и усовершенствовании сушки 4,4'-бисмалеимидди-фенилметана, внедрение которых позволило сократить удельные энергозатраты и продолжительность процесса при одновременном повышении качества продукции.

Список работ, опубликованных по материалам диссертации:

1. Арапов В.М. Моделирование конвективной сушки мелкодисперсных продуктов на основе законов химической кинетики. -Воронеж: Воронеж, гос. технол. акад.,2002. -200 с.

2. Арапов В.М. Вязкостные свойства ферментативного казеина / В.М.Арапов, В.А.Арет, В.А.Бутник // Известия вузов СССР, Пищевая технология. - 1978. - № 4. - С. 165-166.

3. Арапов В.М. Исследование аэродинамики фонтанирующего солода в процессе сушки / В.М.Арапов, Ю.З.Альтшулер, В.А.Бутник, Е.Ф.Мосин // Межвузов, сб. науч. тр. Модернизация существующего и разработка новых видов оборудования для пищевой промышленности. -М.: МТИПП, 1978.-С. 15-20.

4. Арапов В.М. Применение фонтанирующего слоя для сушки светлого солода / В.М.Арапов, ВА.Арет, В.А.Бугаик, ЮЗ.Альтшулер // Тр. ВНИЭКИ Продмаша: Исследование и разработка оборудования для сушки пищевых продуктов. - М., 1981. - С. 67-69.

5. Арапов В.М. Выбор рациональных температурных режимов сушки термочувствительных материалов в фонтанирующем слое / В.М.Арапов, В.А.Арет, В.А.Бутник. - Кемерово, 1983. - Деп. в ЦНИИ-ТЭИмясомолпрома, 02.02.83; № 214 мм - Д. 83.

6. Арапов В.М. Повышение эффективности сушки казеина /

B.М.Арапов, В.А.Арет, В.А.Бутник // Межвуз. сб. науч. тр. Современные технологические процессы и оборудование пищевой и химической промышленности Кузбасса. - М., 1983. - С. 3-11.

7. Рысин А.П. Совершенствование режимов сушки казеина / А.П.Рысин, В.А.Арет, В.М.Арапов // Тр. ВНИЭКИПродмаша: Исследование и разработка оборудования межотраслевого назначения. - М., 1983.-Вып. 59.-С. 3-7.

8. Арапов В.М. Расчет кинетики сушки пищевых продуктов в период падающей скорости / В.М.Арапов, В.А.Арет // Межвуз. сб. науч. тр. Экспериментально-теоретические исследования оборудования и технологии для пищевых производств Кузбасса. - Кемерово: КузПИ, 1985. -

C. 103-109.

9. Арапов В.М. Расчет кинетики процесса сушки. // Межвуз. сб. науч. тр. Исследование возможностей совершенствования технологических процессов и оборудования пищевой промышленности Кузбасса, -Кемерово: КузПИ, 1989. - С. 55-63.

Ю.Арапов В.М. Анализ физико-химических моделей кинетики сушки / В.М.Арапов, Л.В.Менх // Сб. тр. К совершенствованию технологических процессов и оборудования пищевой промышленности. - Кемерово, 1992.-С. 20-25.

И.Арапов В.М. Результаты исследования гидродинамики фонтанирующего слоя казеина / В.МАрапов, К.И.Савинова, Т.А.Асякина // Сб. науч. тр. Экспериментально теоретические исследования технологических процессов и модернизация оборудования пищевых производств Кузбасса. -Кемерово, 1987. - С. 120-125.

12. Арапов В.М. Определение порядка скорости сушки второго периода // Вестник ВГТА. - 1998. - № 3. - С. 110-111.

13. Арапов В.М. Температурно-инвариантная характеристика скорости сушки второго периода // Сб. науч. тр. Модернизация существующего и разработка новых видов оборудования для пищевой промышленности. —Воронеж: Воронеж, гос. технол. акад., 1998. — № 8 - С. 9-11.

14. Арапов В.М. Совершенствование процесса сушки черствого хлеба // Сб. науч. тр. Модернизация существующего и разработка новых видов оборудования для пищевой промышленное™. - Воронеж: Воронеж, гос. технол. акад., 1999. - № 9. - С. 22-23.

15. Арапов В.М. О взаимосвязи кинетических коэффициентов физико-химической модели сушки Сб. науч. тр. Модернизация существующего и разработка новых видов оборудования для пищевой промышленности. — Воронеж: Воронеж, гос. технол. акад., 1999. - № 9. - С. 2427.

16. Арапов В.М. Моделирование конвективной сушки мелкодисперсных материалов // Материалы Ш Всерос. научно-технич. конф. Информационные технологии и системы, 27-30 сент. 1999. - Воронеж: Воронеж, гос. технол. акад., 1999. - С. 23-25.

17. Арапов В.М. Состояние и развитие моделирования процессов сушки // Материалы П1 Всерос. научно-технич. конф. Информационные технологии и системы, 27-30 сент. 1999. - Воронеж: Воронеж, гос. технол. акад., 1999. - С. 25-27.

18. Арапов В.М. Расчет процесса сушки на основе законов химической кинетики // Вестник ВГТА. - Воронеж: Воронеж, гос. технол. акад., 2000. - № 5. - С. 86-94.

19. Арапов В.М. Моделирование сушки как физико-химического процесса термического разделения // Сб. науч. тр. Математическое моделирование информационных и технологических систем. - Воронеж: Воронеж, гос. технол. акад., 2000. - Вып. 4. - Ч. 3. - С. 265-268.

20. Арапов В.М. Характеристики связи влаги в материале //Межвуз. сб. науч. тр. Проблемы процессов и оборудования пищевой технологии / СПб: СПб. гос. ун-т низкотемпературн. и пищ. технол., 2000. - С. 16-24.

21. Арапов В.М. Применение методов дериватографии и ЯМР к анализу процессов сушки // Межвуз. сб. науч. тр. Проблемы процессов и оборудования пищевой технологии / СПб: СПб. гос. ун-т низкотемпературн. и пищ. технол., 2000. - С. 137-143.

22. Арапов В.М. Расчет процессов термического разделения влажных веществ на основе законов химической кинетики // Аэродинамика, механика и аэрокосмические технологии (АМАТ - 2001): Сб. тр. первой Всерос. электронной научно-технич. конф. - Воронеж: ВГТУ, 2001. - Ч. 1.-С. 17-30.

23.Арет В.А. О реологических свойствах казеина / В.А.Арет, В.М.Арапов, В.А.Бутник // Интенсификация и автоматизация технологических процессов обработки пищевых продуктов: Тезисы докл. ГКНТ СССР,- Могилев, 13-15 окт. -М., 1981. - С. 38-39.

24. Арапов В.М. Методы интенсификации сушки казеина / В.М.Арапов, В.А.Арет, В.А.Бутник // 7-я Республик, научно-технич. конф. Повышение эффективности производства и качества молочных продуктов: Тезисы докл. - Каунас, 1982. - С. 260.

25.Арет В.А. Реодинамический расчет гранулятора для казеина / В.А.Арет, В.М.Арапов, В.А.Бутник // Всесоюз. научно-технич. конф. Теоретические и практические аспекты применения инженерной физико-химической механики с целью совершенствования и интенсификации технологических процессов пищевых производств: Тезисы докл., 28-30 сент. 1982.-М., 1982.-С. 75.

26. Арапов В.М. О расчете продолжительности сушки пищевых продуктов / В.М.Арапов, В.А.Арет // 2-я межвуз. науч. конф. молодых ученых: Тезисы докл. - Кемерово, 1983. - С. 91-93.

27.Бутник В.А. Интенсификация сушки кислотного казеина / В.А.Бутник, В.М.Арапов, В.А.Арет // Всесоюз. научно-технич. конф. Эффективность безотходной технологии в молочной промышленности: Тезисы докл., Ставрополь, 28-30 сент. 1983. - М„ 1983. - С. 48-49.

28. Арапов В.М. Изменение фракционного состава воды в процессе сушки пивной дробины / В.М.Арапов, Л.В.Менх // 4-я Всесоюз.- научно-технич. конф. Разработка комбинированных продуктов питания (медико-биологические аспекты, технология, аппаратурное оформление, оптимизация) / раздел II, 4-7 дек. 1991. -Кемерово, 1991. - С. 37-38.

29. Арапов В.М. Интенсификация сушки хлебной крошки / В.М.Арапов, Л.В.Афендулова // 4-я Всесоюз. научно-технич. конф. Разработка комбинированных продуктов питания (медико-биологические аспекты, технология, аппаратурное оформление, оптимизация) / раздел П, 4—7 дек. 1991. - Кемерово, 1991. - С. 38-39.

30. Арапов В.М. Физико-химическая модель сушки // Материалы 34-й отчет, конф. за 1994 г.-Воронеж: ВГТА, 1994.-С. 159.

31. Арапов В.М. Экспериментальные исследования сушки бисмалеи-миддифенилметана / В.М.Арапов, Т.В.Кислякова // Материалы 34-й отчет, конф. за 1994 г. -Воронеж: ВГТА, 1994. - С. 160.

32. Арапов В.М. Влажностно-инвариантная характеристика молочного белка // Теоретические и практические аспекты применения методов инж. физико-хим. механики с целью совершенствования интенсификации технолог. процессов пищ. производств: Тезисы докл., 14-15 мая 1996. - М.: МГАПБ, 1996.-С. 54.

33. Арапов В.М. Физико-механические характеристики казеина /

B.М.Арапов, К.К.Полянский // Теоретические и практические аспекты применения методов инж. физико-хим. механики с целью совершенствования интенсификации технолог, процессов пищ. производств: Тезисы докл., 14-15 мая 1996. - М.: МГАПБ, 1996. - С. 52.

34. Арапов В.М. Определение максимальной температуры материала в процессе сушки // Всерос. научно-практич. конф. Физико-химические основы пищевых и химических производств: Тезисы докл., 12-13 ноября 1996. - Воронеж: ВГТА, 1996. - С. 93.

35. Арапов В.М. Физико-химическое обоснование температурных режимов сушки термолабильных материалов / В.М.Арапов, И.Т.Кретов, К.К.Полянский // Материалы докл. и сообщ. XVI Менделеевского съезда по общ. и приклад, химии: Секция № 2 Состояние и развитие производства химических продуктов, 25-29 мая 1998, СПб. - М., 1998. - С. 910.

36. Арапов В.М. Основное уравнение кинетики сушки // Материалы XXXVI отчет, науч. конф. за 1997 г.: В 2-х ч. / Воронеж: Воронеж, гос. технол. акад. - 1998. - Ч. 2. - С. 123-125.

37. Арапов В.М. Физико-химический подход к расчету продолжительности сушки / В.М.Арапов, В.И.Лосев // Всерос. научно-практич. конф. Физико-химические основы пищевых и химических производств: Тезисы докл., 12-13 наяб. 1996.- Воронеж: ВГТА, 1996.-С. 137.

38. Арапов В.М. Методика расчета продолжительности сушильного процесса // XXXV отчет, конф. за 1996 г.: Тезисы докл. - Воронеж: ВГТА, 1997.-С. 35.

39. Арапов В.М. Исследование форм связи влаги в молочном белке // XXXV отчет, конф. за 1996 г.: Тезисы докл. - Воронеж: ВГТА, 1997. -

C. 10.

40. Арапов В.М. Определение максимально-допустимой температуры сушильного агента // Международ, научно-технич. конф. Пищевые технологии и оборудование для пищевой промышленности: Тезисы докл., 17-21 сент. 1997.-Воронеж: ВГТА, 1997.-С. 251-252.

41. Арапов В.М. Состояние и развитие методов расчета кинетики конвективной сушки // Материалы XXXIX отчет, науч. конф. за 2000 г.: В 2-х ч. - Воронеж: Воронеж, гос. технол. акад., 2001. - Ч. 1. - С. 137139.

42. Арапов В.М. Математические методы и модели в оценивании теплового воздействия на пищевое сырье в эндотермических процессах / Материалы II Всеросс. научно-практ. конф. «Теория конфликта и ее приложения».-Воронеж.-2002.-С. 64-65.

РОС. национальная]

БИБЛИОТЕКА 1 С. Петербург * 1 09 300 мт *

43. Арапов В.М. Требования к информационному обеспечению объектов сушки / В.М. Арапов, К.К. Полянский, Н.А. Воронцова // Материалы II Всеросс. ноучно-практ. конф. «Теория конфликта и ее приложения». - Воронеж. - 2002. -С. 65-66.

44. Арапов В.М. Новый подход к математическому описанию кинетики сушки молочных продуктов / В.М. Арапов, К.К. Полянский, Н.А. Воронцова // Материалы Всероссийской ноучно-практ. конф. «Безотходная технология и использование сырья при выработке сыра, масла и цельномолочных продуктов».- Адлер, 2002. - С. 50-52.

45.Arapov V.M. Determination of bond forms of moisture in food products by nuclear-magnetic resonance method // Oral and poster presentations abstracts (4-8 October 1998): International Conference on Colloid Chemistry and Physical-Chemical mechanics. - M., 1998. - P. 63.

46. Arapov V.M. Reological principles of the technological parameters of the casein drying / V.M. Arapov, K.K. Polyanskii, V.I. Losev // Oral and poster presentations abstracts (4—8 October 1998): International Conference on Colloid Chemistry and Physical-Chemical mechanics. - M., 1998. - P. 242.

47. Arapov V.M. Estimation of possible temperatures of thermolabile colloid system drying / V.M. Arapov, K.K. Polyanskii, E.E. Kurchyaeva // Lipid f and Surfactant Dispersed Systems. - Moscow, 26 to 28 September, 1999. —

P. 101-102.

48. Арапов В.М. О предельном напряжении сдвига казеина / В.М.Арапов, В.А.Арет, В.А.Бутник // Известия вузов СССР, Пищевая 1 технология, 1984. -№3.~ С. 124.

49. Арапов В.М. Анализ развития технологии и техники сушки казеина / В.М.Арапов, К.К.Полянский // Молочная пром-сть. - 1996. ~№ 4.-С. 14-16.

50. Арапов В.М. Расчет процессов термического разделения влажных

веществ на основе законов химической кинетики / Изв. вузов «Пищевая 1

технология». -№4. -2001. -С. 72-76.

51. Арапов В.М. Определение температурного режима сушки казеина / Молочная промышленность. -№7 С. 51-52.

52. Арапов В.М. Исследование форм связи влаги в казеине методом ЯМР // Молочная пром-сть. - 1999. -№ 2. - С. 23-24.

53. Арапов В.М. Критерии допустимых температурных режимов конвективной сушки пищевых продуктов / Хранение и переработка сельхозсырья. -№11. -2002. -С. 23-26.

54. Арапов В.М. Расчет конвективной сушки дисперсных продуктов на основе законов химической кинетики / Хранение и переработка сельхозсырья. -№10. -2002. -С. 12-16.

55.А. с. 1082373. СССР. Способ сушки кислотного казеина / В.М.Арапов, В.А.Арет, В.А.Бутник, В.Н.Лыков (СССР); Опубл. 30.03.84, Бюл. № 12. - С.

56. А. с. 1456830. СССР. Способ определения напряжений сдвига пастообразных и сыпучих материалов / В.М.Арапов, ВЛ.Арет, К.И.Савинова, Т.А.Асякина (СССР); Опубл. 07.02.89, Бюл. № 5. - с.

57. Положительное решение о выдаче патента на изобретение по заявке № 200112303/28 (024472) МПК - 7 G 01 N 24/00. Способ определения количества мономолекулярно- адсорбционной и полимолекулярно-адсорбционной влаги/ Кретов И.Т., Арапов В.М., Шахов C.B.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

а - степень превращения вещества; £/,„ UKp, Up, U - начальное, критическое, равновесное и текущее влагосодержание материала, кг/кг; г- время, с; А - коэффициент, с"1; Г- температура материала, К; Тс, Тм — температура сушильного агента по сухому и мокрому термометрам, К; <p(U, Т) - уравнение кривой десорбции материала; qjqtip) — соотношение тепловых потоков в первом и втором периодах сушки; P(U) - тепловая мощность, затрачиваемая на сушку, Вт; С, Сс, С„ - теплоемкости, продукта, сухого вещества и воды, Дж/(кг-К); Н0 - высота слоя, м; d, - эквивалентный диаметр, м; и/ииф - относительная скорость газа; R, RB - универсальная

и удельная газовые постоянные водяного пара, Дж/(моль-К); > ф ~ гидравлическое сопротивление слоя, соответствующее

критическому состоянию и началу устойчивого фонтанирования, Па; ояф,оу— скорость газа, соответствующая началу устойчивого

фонтанирования и началу уноса частиц, м/с; a, m — коэффициенты.

Подписано к печати 07.02.2003 г. Формат 60x90 1/16.

Бумага для множительной техники. Гарнитура Тайме. Ризография.

Усл. Печ. Л. 2,0. Тираж 100 экз. Заказ № 18£

Участок оперативной полиграфии ВГТА,

394000, г. Воронеж, проспект Революции, 19.

* 8 3 6®

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ И ПРОБЛЕМЫ ТЕОРИИ И ТЕХНИКИ КОНВЕКТИВНОЙИ СУШКИ МЕЛКОДИСПЕРСНЫХ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ

1.1. Характеристика явлений при высушивании влажных пищевых продуктов

1.1.1. Поверхностные явления на границе системы твердое тело — жидкость

1.1.2. Явления массопереноса в капиллярно-пористых коллоидных телах

1.1.3. Характеристика явлений теплообмена в процессах конвективной сушки '

1.1.4. Характеристика явлений массообмена

1.2. Особенности и стратегия проектирования конвективных сушилок для пищевых продуктов

1.2.1. Особенность технологии сушки пищевых продуктов

1.2.2. Стратегия проектирования технологии сушки пищевых продуктов

1.3. Основные теоретические подходы к математическому описанию процесса конвективной сушки

1.3.1. Основные признаки классификаций математических моделей сушки

1.3.2. Моделирование кинетики конвективной сушки на основе классической теории диффузии.

1.3.3. Моделирование сушки на основе законов термодинамики

1.3.4. Экспериментальные модели кинетики сушки

1.4. Тенденции развития конвективной сушки мелкодисперсных пищевых продуктов

Важнейшей стратегической задачей предприятий агропромышленного комплекса России является бесперебойное и равномерное удовлетворение потребностей населения высококачественными продуктами питания в течение всего года. Сезонность и ограниченные сроки хранения сельскохозяйственного сырья и продуктов питания обязывают научно-технических работников совершенствовать существующие и создавать новые способы сушки и конструкции сушильного оборудования.

К сожалению, сложившаяся к 2000 году в период проведения реформ производственно-экономическая ситуация во многих отраслях агропромышленного комплекса характеризовалась устойчивым спадом производства и кризисным состоянием большинства предприятий [126, 150, 151, 169, 170]. В результате объемы производства продукции снизились по сравнению с 1990-1991 годами на 50 и более процентов.

В немалой степени этому способствовала устаревшая техника на многих пищевых предприятиях, которая не позволяет реализовать современную технологию и обеспечить конкурентоспособность отечественной продукции.

Если в 1980. 1990 годах предприятиями агропромышленного комплекса приобреталось 45 тысяч единиц оборудования в год, то уже в 1993.1994 годах - соответственно только 15 тысяч единиц. Поэтому вместо технической модернизации шло опережающее выбытие мощностей и ускоренное старение производственных фондов. Проблема обновления парка технологического оборудования приобретает особую остроту и потому, что «за границей» России оказалось производство многих видов технологического оборудования, цены на которые очень высоки. Не исключением стала и сушильная техника, не смотря на то, что ей отводится важнейшая роль в решении проблемы увеличения сроков хранения сырья и готовых продуктов питания. Поэтому необходимо как можно скорее наладить выпуск современных высокопроизводительных сушильных установок на предприятиях Российской Федерации.

В настоящее время остро стоит вопрос обеспечения мелких товаропроизводителей современной и дешевой сушильной техникой. Анализ выпускаемой в стране сушильной техники [11, 12, 60, 61, 67, 133 и др.] показывает, что в России фактически не налажен выпуск сушилок для переработки растительного сырья в условиях личных садоводческих и фермерских хозяйств.

Одним из основных направлений в решении продовольственной проблемы, остро стоящей перед Российской Федерацией, является рациональное и экономное расходование пищевого сырья, улучшение использования вторичных продуктов и отходов производства на основе создания безотходных технологий в пищевой промышленности. Актуальность проблеме придает тот факт, что при имеющемся дефиците продовольственного сырья на многих пищевых предприятиях его потери в виде отходов и вторичных продуктов в целом по стране составляют сотни тысяч тонн. Например, потери за год в хлебопекарной промышленности от производственного брака и нереализованной продукции составляют в расчете на муку десятки тысяч тонн. А такой ценнейший продукт, как пивные дрожжи, потребности в котором неудовлетворенны даже в лекарственных целях, на мелких и средних предприятиях часто сливаются в канализацию.

Известно, что подобные пищевые отходы могут служить основой для создания высокорентабельных, пользующихся большим спросом у населения новых продуктов питания. Например, та же хлебная крошка может быть использована для производства вафель, конфет, халвы, прессованных сухарных изделий, спрос на которые высок не только в стране, но и за рубежом.

Для успешного сбора подобного сырья, особенно с небольших предприятий, встает проблема его первичной переработки, которая заключается обычно в высушивании продукта. Однако оборудование мелких и средних предприятий современными сушильными установками большой мощности является нерентабельным.

Ключом к решению данной проблемы является создание механизированных и автоматизированных эффективных сушильных установок небольшой производительности, не требующих высоких затрат на монтаж, эксплуатацию и занимающих небольшую производственную площадь.

Повышение эффективности сушильного оборудования представляет собой комплексную задачу, включающую обеспечение высокого качества продукции, снижение расходов материалов, тепловой и электрической энергии, уменьшение капитальных и текущих затрат, обеспечение безопасности жизнедеятельности персонала и охрану окружающей среды.

В этой связи проблема сушки пищевых продуктов решается по следующим направлениям [61,99]: развитие аналитических методов исследования и расчета процессов сушки; исследование и уточнение механизма внешнего и внутреннего переноса энергии и массы при различных методах сушки; развитие технологии сушки; создание современного сушильного оборудования.

Аналитические методы исследования призваны дать полное математическое описание сложных взаимосвязанных явлений тепломассопереноса с целью точного прогнозирования кинетики процесса сушки.

Дальнейшее уточнение механизма внутреннего и внешнего тепломассообмена в процессе сушки должно базироваться на современных физико-химических методах анализа в условиях, приближающихся к точному физическому эксперименту. В связи с этим встает проблема разработки методик применения методов физико-химического анализа (ядерный магнитный резонанс, дериватографический анализ, рентгено-структурный анализ) к исследованию процессов сушки.

Важнейшим вопросом технологии сушки является обоснование температурного режима процесса. Оптимизация температурного режима сушки должна увязываться с качеством материала и с тепловым воздействием на продукт.

Современное развитие сушильного оборудования характеризуется переходом от обработки продукта в слое к созданию сушилок с активным гидродинамическим режимом, характеризующихся высокой интенсификацией процессов тепло- и массообмена.

Однако, создание новых эффективных методов обезвоживания и малогабаритных сушильных аппаратов невозможно без дальнейшего развития теоретических основ кинетики процессов сушки. Используемые в настоящее время методы расчета и проектирования сушильного оборудования не позволяют с достаточной степенью точности прогнозировать реальный ход сушильного процесса. Поэтому созданию конкретного типа сушилки предшествует длительный период экспериментального исследования с последующими этапами разработки, испытания и доработки опытного образца. Современная теория сушки определяет создание новой техники в несколько этапов: изучение свойств продукта как объекта сушки; обоснование способа сушки; проведение экспериментального исследования закономерностей кинетики процесса; конструирование сушильного аппарата, его изготовление, испытание и доработка. Все это обуславливает высокую стоимость и длительность создания новой сушильной техники, а применительно к мелким товаропроизводителям - снижение рентабельности производства.

Остро назрела необходимость в развитии инженерных методов расчета современных сушильных процессов (например, сушка в кипящих и фонтанирующих слоях) в связи с недостаточной надежностью существующих [17].

В качестве теоретической основы математического моделирования процессов сушки многими современными учеными приняты законы диффузии или термодинамики необратимых процессов. По мнению автора, развитие теории сушки может быть связанно и с другими подходами. При этом недостатки известных подходов можно компенсировать достоинствами новых. В частности, сушка может рассматриваться как гетерогенный физико-химический процесс термического разделения влажного вещества и, следовательно, к расчету скорости данного процесса могут быть применены законы химической кинетики.

По мнению автора, рассмотрение с общих позиций физико-химии сложных взаимосвязанных явлений тепломассопереноса открывает возможность решать задачи прогнозирования кинетических характеристик процесса сушки с высокой точностью. Это позволит довести аналитические решения до надежных инженерных методов расчета сушильного оборудования, что значительно сократит сроки и средства на создание новой сушильной техники.

В связи с изложенным общей целью данной работы является исследование возможностей и научное обоснование применения законов химической кинетики для математического описания конвективной сушки мелкодисперсных пищевых продуктов, установления закономерностей теплового воздействия на их качество и решение на этой основе проблемы сокращения объема экспериментальных исследований и выбора температурного режима при создании новой сушильной техники.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Научно обоснованы и созданы на основе законов химической кинетики теоретические положения конвективной сушки дисперсных пищевых продуктов, применение которых позволяет сократить объем экспериментальных исследований, затраты и сроки на разработку новой технологии и техники сушки, а также решать задачи выбора температурного режима.

1. Современное математическое описание кинетики сушки, базирующееся на законах диффузии, неравновесной термодинамики или на обобщении результатов экспериментальных исследований с использованием теории подобия и математической статистики, требует больших временных и материальных затрат в связи с необходимостью проведения значительного количества дорогостоящих опытов и определения значений многочисленных коэффициентов и характеристик продукта, входящих в дифференциальные уравнения и граничные условия.

2. Научно обосновано применение законов химической кинетики в качестве теоретической основы математического моделирования конвективной сушки мелкодисперсных материалов. Получены оригинальные математические модели основных характеристик конвективной сушки дисперсных пищевых продуктов: скорости сушки, относительной скорости сушки, температуры материала, продолжительности процесса, количества расходуемой на сушку теплоты и требуемой тепловой мощности в зависимости от его влагосодержания. При этом для периода убывающей скорости сушки, если определены скорость первого периода и уравнение кривой десорбции материала, количество экспериментально определяемых коэффициентов по сравнению с дифференциальными уравнениями тепломассообмена А.В. Лыкова уменьшается в общем случае до двух.

Экспериментально изучено изменение коэффициентов математической модели кинетики сушки от параметров процесса. Установлено, что коэффициент т для конкретного продукта - величина постоянная.

3. Взаимосвязь между тепло- и массообменом в периоде убывающей скорости конвективной сушки мелкодисперсных материалов определяется функцией степени сушки от степени нагрева (доли поглощения теплоты). Теоретически показано и экспериментально подтверждено, что степень сушки во втором периоде однозначно определяется степенью нагрева материала и не зависит от режима сушки и масштаба аппарата.

4. Предложено определять продолжительность сушки на основе расчета эквивалентного влагосодержания. Для одних и тех же значений начального и конечного влагосодержания продукта в определенном интервале изменений температурного режима эквивалентное влагосодержание — величина постоянная и не зависит от режима сушки.

5. Качественная оценка влаги в материале, характеризующая ее летучесть в процессе конвективной сушки, определяется новыми характеристиками влажного материала: общим относительным эквивалентным влагосодержанием об = wo6~Uk)) и относительным эквивалентным влагосодержанием периода убывающей скорости [(02=^г2/{^кр Величину а>2 можно рассматривать в качестве среднеинтегральной характеристики связи влаги с материалом в диапазоне влагосодержаний от UKp до UK. Чем больше а>2>тем прочнее связь влаги с материалом и тем медленнее протекает процесс сушки в периоде убывающей скорости.

6. При установлении допустимых температурных режимов конвективной сушки предложено кинетику сушки рассматривать совместно с кинетикой физико-химических превращений в термолабильных компонентах.

Температура нагрева материала или температура сушильного агента, а также температура сушильного агента на входе и выходе из аппарата являются недостаточными характеристиками для оценки теплового воздействия на продукт; максимальные значения этих параметров режима сушки, применяемые в качестве критериев допустимого теплового воздействия, четко не определены, их значения колеблются в широких пределах в зависимости от способа конвективной сушки и конструкции аппарата.

7. В качестве критериев теплового воздействия на пищевые продукты в процессе сушки рекомендовано применять максимальный тепловой импульс сушильного агента или максимально допустимое время обработки продукта сушильным агентом с абсолютной температурой Тс, которые определяются из условия обеспечения требуемого стандартом качества продукта.

Область допустимых температурных режимов конвективной сушки определяется в виде линейной зависимости логарифма максимального теплового импульса сушильного агента или логарифма максимально допустимого времени обработки продукта сушильным агентом от обратного значения абсолютной температуры сушильного агента.

8. Логарифм максимальной скорости сушки является линейной функцией от обратного значения абсолютной температуры сушильного агента по «мокрому» термометру.

Теоретически показано и экспериментально подтверждено, что зависимость безразмерной температуры (Т-ТМ)/(ТС-ТМ) от влагосодержания является обобщенной температурной кривой сушки. Так же подтверждено, что относительный температурный коэффициент сушки зависит только от влагосодержания продукта.

9. Целесообразно для получения объективной информации о свойствах продукта как объекта сушки, значения которых необходимы для обоснования способа сушки и реализации математических моделей, полученных на основе законов химической кинетики, применять современные методы инженерной физико-химической механики (ИФХМ) и физико-химического анализа.

При разработке нового способа сушки казеина методами ИФХМ определены значения влажности (50.54 %), температуры (300.305 °К), эквивалентного диаметра (2.3 мм) и способа измельчения продукта (гранулирование), при которых казеин-сырец имеет наибольшую подвижность частиц и наименьшую способность к адгезии и когезии.

Зависимость ПНС казеина от температуры и влажности выражается в виде влажностно-инвариантной характеристики. Течение казеина в каналах измельчающих машин определяется реологическим уравнением Гершеля-Балкли. Методом ЯМР определено количество полимолекулярно-адсорбционной влаги (20.25 %) и мономолекулярно-адсорбционной (3,6 %).

Разработанная методика применения дериватографического анализа к исследованию конвективной сушки позволяет сравнительно быстро определять критическое влагосодержание, кинетический коэффициент сушки т, количество наиболее прочно связанной влаги, изменение энергии связи влаги в продукте в процессе сушки, а также вид кривой взаимосвязи тепломассообмена.

10. Эффективность новых теоретических положений конвективной сушки дисперсных продуктов показана при разработке способа сушки казеина (А.С. № 1082373), линии сушки хлебной крошки и усовершенствовании сушки 4,4'-бисмалеимидди-фенилметана, внедрение которых позволило сократить удельные энергозатраты и продолжительность процесса при одновременном повышении качества продукции.

1. А.с. 1082373. СССР. Способ сушки кислотного казеина / В.М.Арапов, В.А.Арет, В.А.Бутник, В.Н.Лыков (СССР); Опубл. 30.03.84, Бюл. №12.

2. А.с. 1456830. СССР. Способ определения напряжений сдвига пастообразных и сыпучих материалов / В.М. Арапов, В.А. Арет, К.И. Савинова, Т.А. Асякина (СССР); Опубл. 07.02.89, Бюл. № 5.

3. А.с. № 896343 СССР. Способ сушки термочувствительных сыпучих материалов и растворов и установка для его осуществления / В.Е. Ку-цакова, В.В. Падохин, В.Ю. Купанов.и др. (СССР); Опубл. 1982, Бюл. № 1.

4. Агеев М.Б. Конформационные изменения белков зерна пшеницы при сушке с предварительным нагреванием / М.Б. Агеев, Е.Д. Казаков, И.А. Сахарова // Прикладная биохимия и микробиология. 1973. - Т. IX.-Вып. 1.-С. 13-18.

5. Агрегат ВС-150-КИП: Техническое описание и инструкция по эксплуатации. Киев, 1977. - 72с.

6. Адлер Ю.П Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий / Ю.П. Адлер, Е.В. Маркова, Ю.В. Грановский. М.: Наука, 1976.-280с.

7. Азаров Б.М Инженерная реология / Б.М. Азаров, В.А. Арет . М. МТИПП. -1979. -112с.

8. Азаров Б.М Реология пищевых масс / Б.М. Азаров, Н.И. Назаров. -М.: МТИПП, 1970-90с.

9. Алтухов А.В. Методология совершенствования и расчета барабанных сушильных агрегатов: Дисс. докт.техн.наук/ Казахстан, Шымкент, 1999.-50с.

10. Альтшулер Ю.З. Исследование сушки ферментативного казеина в фонтанирующем слое/Ю.З. Альтшулер, В.А. Бутник, Г.В. Никольская // Известия вузов СССР. Сер. пищ. технол. -1979. № 3. - С. 100-103.

11. Антипов С.Т. Разработка высокоэффективных непрерывно действующих сушилок барабанного типа для пищевой промышленности (теория и техника): Дисс. док. техн. наук: 05.18.12. / Воронеж. Технол. ин-т.-Воронеж, 1993.-419 с.

12. Арапов В.М. Анализ развития технологии и техники сушки казеина / В.М. Арапов, К.К. Полянский // Молочная пром-сть. 1996. - № 4. -С. 14-16.

13. Арапов В.М. Вязкостные свойства ферментативного казеина / В.М. Арапов, В.А. Арет, В.А. Бутник // Известия вузов СССР. Сер. пищ. технол. 1978. - № 4. - С. 165-166.

14. Арапов В.М. Исследование форм связи влаги в казеине методом ЯМР // Молочная пром-сть. 1999. - № 2. - С. 23-24.

15. Арапов В.М. Критерии допустимых температурных режимов конвективной сушки пищевых продуктов // Хранение и переработка сельхоз-сырья. -№ 11.- 2002. С. 23 - 26

16. Арапов В.М. Моделирование конвективной сушки мелкодисперсных продуктов на основе законов химической кинетики. Воронеж: Воронеж. гос. технол. акад., 2002. - 200 с.

17. Арапов В.М. О предельном напряжении сдвига казеина / В.М. Арапов, В.А. Арет, В.А. Бутник // Известия вузов СССР. Сер. пищ. технол., 1984.-№3.-С. 124.

18. Арапов В.М. Определение температурного режима сушки казеина // Молочная пром-сть. 2002. - № 7. - С. 51-52.

19. Арапов В.М. Применение методов дериватографии и ЯМР к анализу процессов сушки // Проблемы процессов и оборудования пищевой технологии: Межвуз. сб. науч. тр. СПб: СПб. гос. ун-т низкотемпера-турн. и пищ. технол., 2000. - С. 137—143.

20. Арапов В.М. Расчет конвективной сушки дисперсных продуктов на основе законов химической кинетики // Хранение и переработка сель-хозсырья. № 10. - 2002. - С. 12 - 16.

21. Арапов В.М. Расчет процессов термического разделения влажных веществ на основе законов химической кинетики // Известия вузов. Сер. пищ. технол. -2001. -№ 4. С. 72-76.

22. Арапов В.М. Характеристики связи влаги в материале // Проблемы процессов и оборудования пищевой технологии: Межвуз. сб. науч. тр. — СПб: СПб. гос. ун-т низкотемпературн. и пищ. технол., 2000. С. 16-24.

23. Бабенко Ю.И. Теплообмен. Метод расчета тепловых и диффузионных потоков. Л.: Химия, 1986. - 144 с.

24. Баженов Г.П. Гигротермическое равновесное состояние хлеба-сухарей // Хлебопекарная и кондитерская промышленность. -1979. -№8. -С.22-23.

25. Баженов Г.П. Интенсификация сушки сухарей / Г.П. Баженов, А.П. Макаров //Хлебопекарная и кондитерская промышленность. —1981. -№6. -С.28-30.

26. Барабанщиков Н.В. Качество молока и молочных продуктов. М.: Колос,-1980, 255 с.

27. Батунер Л.М. Математические методы в химической технике / Л.М. Батунер, М.Е. Позин Л.: Химия, 1971. - 824 с.

28. Безденежных А.А. Инженерные методы составления уравнений скоростей реакций и расчета кинетических констант. -Л.: Химия, 1973. — 256 с.

29. Беляев Н.М. Методы теории теплопроводности / Н.М. Беляев, А.А. Рядно. М.: Высшая школа, 1982. - 327 с.

30. Бердышев Б.В. Сдвиговые течения расплавов полимерных материалов / Б.В. Бердышев, М.В. Дергачев, В.К. Скуратов // Химическое и нефтегазовое машиностроение. -№3.-1999.-С.9-12.

31. Березин И.В. Практический курс химической и ферментативной кинетики / И.В. Березин, А.А. Клесов. -М.: Изд-во Моск. ун-та, 1976. -320 с.

32. Болдырев А.В. Устройство переработки хлеба в сухарную крошку / А.В. Болдырев, Б.Д. Даудрих, Д.Д. Даудрих, С.В. Каралаш и др.// -А.С. №1194355. -Б.И.№44. -1985.

33. Бредихин С.А. Закономерности диффузионно-фильтрационного массо-переноса в процессах переработки сырья биологического происхождения // Хранение и переработка сельхозсырья. — 2002. № 3. — С. 24-25.

34. Бредихин С.А. Кинетика релаксации избыточного давления при переработке сырья биологического происхождения // Хранение и переработка сельхозсырья. -2002. — № 7. С. 15-17.

35. Буйнов А.А. Научные основы процессов сушки жидких пищевых продуктов во вспененном состоянии: Автореф. дисс. докт. техн. наук: 05.18.12/МГУПББ.-М., 1998.-50 с.

36. Бучаева Е.А. Эффективный метод сушки хлебной крошки в промышленных условиях / Е.А. Бучаева, Б.А. Рабинович, А.Г. Гинзбург, А.А. Ванцов //Хлебопекарная и кондитерская промышленность. —1983. -№5. -С.23-24.

37. Вальковская Т.М. Подвижность молекул воды в растворах диаминов / Т.М. Вальковская, М.Н. Родникова, Ф.М. Самигулин, Г.В. Спивак // ЖФХ.-1998.- Т.72.-№4.-С.616-621.

38. Вартапетян Р.Ш. О бимодальном распределении микропор активного угля по размерам / Р.Ш. Вартапетян, A.M. Волощук, Н.А. Лимонов, Ю.А. Романов. // Изв. Акад. Наук. Сер. хим. 1993. - № 3. - С. 473-475.

39. Васильев В.П. Теоретические основы физико-химических методов анализа. -М.: Высшая школа, 1979. 184 с.

40. Виноградов Г.В., Малкин А.Я. Реология полимеров. / Г.В. Виноградов, А.Я. Малкин. -М.: Химия, 1977 440 с.

41. Вода в пищевых продуктах / под ред. Р.Б.Дакуорта, пер. с англ. М.: Пищевая промышленность, 1980. - 376 с.

42. Вода в полимерах / Под ред. С.Роуленда, пер. с англ. М.: Мир, 1984. -555 с.

43. Вотяков Е.В. Влияние химических и структурных неоднородностей стенок пор на изотермы сорбции / Е.В. Вотяков, Ю.К. Товбин // Журн. физ. химии. 1994. - Т. 68. - № 2. - С. 287.

44. Выродов И.П. Обобщение теоремы Онсагера и построение неравновесной энтропии в нелинейной феноменологической термодинамике необратимых процессов. // ЖФХ.-1998.-Т.72.-№2.-С.225-228.

45. Гавриленков A.M. Развитие научных основ, создание' и реализация методов и средств повышения эффективности сушки солода (в высоком51