книги из ГПНТБ / Подготовительные процессы переработки масличных семян

Тс — Тм

Gu = — —------- — критерий Гухмана;

Qx

Du = ----- Тс— критерий Дюфора;

Сс

V — скорость движения сушильного агента;

V — кинематическая вязкость сушильного агента;

Тс, Ты— абсолютные температуры сушильного агента по сухому и мок­ рому термометрам;

Ріо — относительная концентрация пара в сушильном агенте; Q.v — теплота изотермического массопереноса;

сс— теплоемкость сушильного агента.

Вцитируемой работе [15] приведены подробные обоснова­ ния ввода дополнительных критериев подобия с учетом особен­ ностей масличных семян как объектов сушки и увлажнения. Кроме того, даны характеристики критериев подобия, входящих

вуравнения (VII—9) и (VII—10).

Сложность полученных уравнений (VII—9) и (VII—10) от­ ражает сложность процессов сушки и увлажнения масличных семян. Для практического использования этих уравнений необ­ ходимы полные данные о коэффициентах тепло- и влагоперено­ са, критериях Соре и Дюфора. К сожалению, в настоящее время ни для одной из масличных культур не имеется полных данных даже о средних кинетических коэффициентах, что огра­ ничивает использование приведенных критериальных уравнений и вызывает необходимость в упрощении как исходных дифферен­ циальных уравнений, так и критериальных, например примени­ тельно к определенным способам сушки.

В связи с тем что конвективная сушка является наиболее распространенной в производстве растительных масел, целесо­ образно рассмотреть явления тепло- и влагопереноса, характер­ ные для данного способа сушки.

Обычно при исследовании процессов конвективной сушки по­ следовательно изучают закономерности внутреннего и внешнего тепло- и влагопереноса, а также явления на границе раздела фаз.

В наиболее простом случае, когда отсутствует градиент об­ щего давления, дифференциальные уравнения тепло- и массо­

202

переноса (VII—1) —(VII—3) и граничные условия для одно­ мерной задачи принимают такой вид [148, 149]:

Начальные условия при т = 0 ;

qm— интенсивность влагообмена или удельный поток влаги с поверхности.

Граничные условия (VII—15) и (VII—16) применимы для периодов постоянной и падающей скорости сушки. Однако во втором, более общем случае, интенсивность тепло- и влагооб­

емых уравнениях з а в и с я т от влагосодержания и температуры тела.

Для масличных семян большая часть из перечисленных ко­ эффициентов и характеристик может зависеть еще от вида, сор­ та и химического состава семян. Следовательно-, возможности использования результатов аналитического решения уравнений типа (VII—11) и (VII—12) применительно к масличным семе­ нам еще более сужаются. Поэтому в данном случае также целе­ сообразно применить теорию подобия [279]*

Врезультате подобных преобразований уравнений

атРо&и

щий соотношение между интенсивностью внешнего и внутреннего переноса влаги.

203

Ниже будет показано, что благодаря некоторым особенно­ стям влагопереноса в масличных семенах роль критерия Кирпичева в процессе сушки аналогична критерию фазового пре­ вращения.

Критериальное уравнение (VII—17) показывает, что процес­ сы тепло- и влагопереноса даже для наиболее простых условий конвективной сушки (когда <7 = const и 7 m=const) зависят от большой группы критериев подобия. По составу критериев оно более близко к системе уравнений (VII—9) и (VII—10).

В уравнениях (VII—9), (VII—10) и (VII—17) критерий Гухмана получен из классических представлений о периоде по­ стоянной скорости сушки [147] и характеризует внешний влаго-

А. В. Лыковым установлено [149, 150], что критерий Гухма­ на и его модификации имеют более широкое значение, так как он еще может характеризовать процесс испарения субмпкроскопических частиц капельной жидкости в пограничном слое. При

этих частиц в единице объема, вносимая в единицу времени с по­ верхности тела);

Я.с— коэффициент теплопроводности пограничного слоя.

При практическом применении результатов теории внутрен­ него переноса важную роль играет вопрос о задании граничных условий [217].-В частности, применительно к сушке масличных семян они должны быть заданы с учетом особенностей механиз­ ма сушки, который определяется главным образом анатомиче­ ским строением масличных семян.

Анализ работ по теории и практике сушки показал [15], что до настоящего времени механизм сушки масличных семян не исследовался. Это обстоятельство объясняется в основном дву­ мя причинами: трудностями экспериментального порядка и осо­ бенностями масличных семян как объекта сушки. Например, отмеченные выше особенности анатомического строения маслич­ ных семян вызывают серьезные трудности особенно при изуче­ нии влагопереноса, так как анализ изменения влажности плодо­ вой оболочки и семядолей в процессе сушки не дает представ­

204

ления о фазовых превращениях и характере перераспределения влаги между морфологическими частями масличных семян.

Впоследнее время была предпринята попытка изучения с по­ мощью радиоактивных изотопов механизма обезвоживания мас­ личных семян (на примере семян подсолнечника) при конвек­ тивной сушке и хранении в слое [94].

Проведенные исследования позволили установить следу­ ющее.

Впроцессе сушки влагообмен в виде капельной жидкости между оболочкой и семядолями не происходит — влага одно­ временно испаряется из оболочки и семядолей. Образующаяся при этом паровоздушная смесь создает сравнительно небольшое

(не более 2 мм вод. ст.) избыточное давление, за счет которого из дискретно расположенных пор плодовой оболочки может диспергироваться капиллярная влага в пограничный слой в ви­ де субмикроскопических частиц капельной жидкости.

Рассмотренный механизм влагопереноса позволяет предста­ вить критерий фазового превращения применительно к сушке масличных семян в виде выражения:

где ДОя и ДОс— среднее изменение массы семядолей и семян за время сушки.

В результате несложных преобразований выражение (VII—19) можно представить так:

где Gj, — средняя масса абсолютно сухого необезжиренного вещества плодовой оболочки семян;

Д1ѴЯ, AWC— соответственно изменение влажности семядолей и семян.

Применительно к сушке семян подсолнечника с учетом урав­ нения (II—6), связывающего основные технологические харак­ теристики, выражение (VII—20) принимает вид:

Анализ выражений (VII—20) и (VII—22) показывает, что величина коэффициента фазового превращения для масличных семян и, в частности, для семян подсолнечника зависит от сор­

205

товых особенностей, которые характеризуются выражениями, заключенными в скобки, и от кинетики сушки морфологических частей семян.

Таким образом, применительно к сушке масличных семян ко­ эффициент фазового превращения приобретает значение важно­ го технологического параметра, поскольку отражает характер изменения содержания влаги в морфологических частях семян.

В настоящее время, как было показано в главе II, теплофизи­ ческие характеристики масличных семян, и в частности подсол­ нечника, изучены и обобщены более полно, чем массопроводные. Поэтому целесообразно кинетические взаимосвязи для процесса сушки рассматривать с позиций переноса тепла с учетом осо­ бенностей механизма сушки семян. В свою очередь эксперимен­ тально установленный механизм сушки единичных семян позво­ ляет в качестве исходного использовать дифференциальное уравнение переноса тепла, основанное на критерии фазового пре­ вращения (VII—11). При этом, очевидно, краевые условия, а именно граничные условия (VII—15), должны быть дополнены потоком тепла, который необходим для испарения субмикроско­ пических частиц в пограничном слое (VII—18), т. е.

в квадратные скобки, является плотностью потока тепла, необ­ ходимого для объемного испарения влаги.

Таким образом, система уравнений (VII—11), (VII—13), (VII—14) и (VII—23) является приближенной математической моделью теплопереноса при сушке масличных семян, имеющих сходное анатомическое строение с подсолнечными семенами.

С помощью методов теории подобия из перечисленных урав­ нений безразмерная температура семян может быть представле­

Для расширения возможности использования уравнения (VII—24) при различных способах конвективной сушки целесо­ образно произвести некоторые преобразования и дополнения. Так, применительно к сушке в плотном и кипящем слоях [217] целесообразно заменить Ві, А,СД и RIRCна критерии Re и Рг, При этом критерий Рг в уравнение можно не вводить, посколь­ ку он мало изменяется с температурой сушильного агента, если в качестве последнего используется воздух с небольшим коли­ чеством примеси продуктов сгорания топлива. Одновременно целесообразно в уравнение ввести симплекс геометрического по-

206

добия -^2-, который учитывает геометрическую структуру слоев. d3

В этом симплексе Н0— высота плотного слоя семян, d3— экви­ валентный диаметр частиц слоя.

После произведенных преобразований уравнение (VII—24) можно представить в следующем виде:

6 = f^Fo, Ко, 8, Gu, Re, y - j. (VII—25)

В принципе критериальное уравнение (VII—25) учитывает все виды теплопереноса (внешний, внутренний и в пограничном слое), поскольку критерий Гухмана характеризует объемное испарение субмикроскопических частиц в пограничном слое.

Полученное критериальное уравнение следует рассматривать как частный случай уравнения (VII—10), которое, очевидно, бо­ лее полно учитывает возможные условия теплопереноса, кото­ рые могут возникнуть при других способах сушки масличных семян.

Следует иметь в виду, что в критерий Рейнольдса в уравне­ нии (VII—25) входіиг действительная скорость обтекания частиц и средний определяющий размер частиц семян данного вида. Даже для наиболее сложного случая конвективной сушки — сушки в кипящем слое — этот критерий применительно к одно' родному слою масличных семян остается определяющим, по­ скольку закон расширения для подобного слоя частиц может быть определен достаточно точно [40], а сам критерий может быть получен из условий однозначности пли путем замены опре­ деляющих критериев (Ві и А,СД) на этот критерий.

Физический смысл и технологическое значение критерия фа­ зового превращения рассматривались выше. Следует только до­ бавить, что применительно к сушке масличных семян в реаль­ ных условиях этот критерий не может быть равен нулю или еди­ нице, т а к к а к на протяжении всего процесса сушки влага од­ новременно испаряется из семядолей и плодовой оболочки.

Существенным недостатком рассматриваемого уравнения по сравнению с уравнениями (VII—8) и (VII—10) является отсут­ ствие в нем критерия Лыкова (Lu). Этот критерий оказывает влияние на процессы тепло- и влагопереноса и характеризует в первую очередь влагоинерционные свойства объектов сушки. Обычно его представляют в виде отношения коэффициента по-

По своему физическому смыслу критерий Лыкова является критерием взаимосвязи тепло- и массообмена. При значениях

207

критерия меньше единицы распространение температуры в ма­ териале опережает распространение потенциала переноса ве­ щества.

В связи с этим применительно к термолабильным материа­ лам возможность интенсификации процесса сушки ограничивает­

[42, 43], т. е. она быстро нагревается до предельно допустимой температуры, но при этом мало отдает влаги. Поэтому для зер­ на пшеницы целесообразно применять комбинированные циклы нагрева и охлаждения. Такой метод предложен и успешно при­ менен для сушки зерна [156].

До настоящего времени для масличных семян величина кри­ терия Лыкова не определялась, поскольку тепло- и влагообмен­ ные характеристики ни для одной культуры не были полностью изучены. Особенности анатомического строения вызывают зна­ чительные трудности при определении особенно влагообменных характеристик. Поэтому, например, для семян подсолнечника эти коэффициенты были раздельно определены для ядра и луз­ ги [210].

Описанный выше механизм влагопереноса, исследование

иобобщение теплофизических и гигроскопических свойств семян подсолнечника (см. главу II), а также данные по коэффициентам потенциалопроводности влаги, полученные раздельно для ядра

илузги подсолнечника, позволяют ориентировочно рассчитать значение критерия Лыкова для семян подсолнечника. Например, для семян подсолнечника с масличностью 48% при температуре

64° С и влажности около 6%, что соответствует состоянию семян в конце процесса сушки, L u « 10-1.

Сравнительно высокое значение критерия Лыкова указывает на то, что семена подсолнечника при одинаковых способах суш­ ки обладают большим резервом по интенсификации процесса, чем пшеница. Высокие значения предельно допустимых темпе­ ратур при равномерном нагреве и сушке семян подсолнечника подтверждают сделанный вывод.

При обобщении результатов экспериментальных исследова­ ний по кинетике сушки масличных семян можно использовать как полную систему критериальных уравнений (VII—9) и (VII—10), так и упрощенное критериальное уравнение (VII—25) для конвективной сушки.

КИНЕТИКА СУШКИ И ОХЛАЖДЕНИЯ

Особенности кинетики сушки влажных материалов достаточ­ но полно могут быть выявлены только на основе совместного анализа изменения влажности (кривые сушки) и температуры (температурные кривые) материала в зависимости от времени [151].

208

Обычно процесс сушки влажных материалов протекает в два периода (с постоянной и убывающей скоростью сушки), которые обусловлены различным характером взаимодействия переноса тепла и влаги внутри и на поверхности материала.

При мягких режимах период постоянной скорости характе­ ризуется постоянными значениями скорости сушки и температу­ ры материала. При жестких режимах температура поверхности материала может возрастать, а скорость сушки оставаться по­ стоянной.

Период падающей скорости характеризуется убывающей во времени скоростью сушки и возрастающей температурой мате­ риала.

Наиболее полно взаимосвязь внутреннего и внешнего пере­ носов проявляется в интенсивности сушки, под которой пони­ мается количество испаренной жидкости в единицу времени с единицы-открытой поверхности тела. Интенсивность сушки в пе­ риод постоянной скорости остается неизменной, а в период убы­ вающей скорости непрерывно уменьшается. При одинаковых режимах, определяющих размерах и температурах поверхностей интенсивность сушки равна интенсивности испарения жидкости со свободной поверхности [151].

В работах А. В. Лыкова [148, 151] на основании закона со­ хранения энергии установлено, что в период убывающей скоро­ сти сушки взаимосвязь между интенсивностью тепло- и влагообмена имеет вид:

d и

?п(т) Po тfa (14-R b), (VII—26)

где Ry—отношение объема абсолютно сухого материала к поверхности

влажного материала;

du

dx — скорость сушки;

сЬ В

Kb = — = ----- — критерий Ребиндера;

гКо

Ь= •—г- — температурный коэффициент сушки; du

Ко— критерий Коссовича;

Критерий Ребиндера, введенный А. В. Лыковым, является основным критерием кинетики сушки. Этот критерий численно равен отношению количества тепла, расходуемого на нагрев ма­ териала к количеству тепла, идущего на испарение влаги за бес­ конечно малый промежуток времени [154].

В период постоянной скорости сушки критерий Ребиндера равен нулю, поэтому

Яи (0) = % Я V' = const > СѴІІ— 27)

/ dW\

Отношение потока тепла в период убывающей скорости суш­ ки (VII—26) к потоку тепла в период постоянной скорости (VII—27), как показано в [154], равно: .

сушки. Для расчета интенсивности теплообмена обычно опыт­ ным путем устанавливают зависимость между критерием Ребпндера и влагосодержанпем [151, 154, 156]. В настоящее время накоплен некоторый экспериментальный материал по кинетике

с общих позиций теории сушки были проанализированы кривые сушки, скорости сушки и температурные кривые семян подсол­ нечника применительно к сушке в плотном непродуваемом и про­ дуваемом слое. Автором подчеркнуты ограничения, которые на­ лагает способ сушки в плотном слое с точки зрения основных технологических требований к процессу: равномерности нагрева и высушивания семян.

Рассмотрим кинетику некоторых новых методов сушки мас­ личных семян.

Исследования показали, что скорость сушки семян подсол­ нечника зависит от состояния слоя и способа подвода тепла [28, 46]. Длительность процесса конвективной сушки в кипящем слое при периодическом режиме сокращается в 1,7 раза по сравнению

ссушкой в плотном слое. Применение инфракрасного излучения

вкомбинации с кипящим слоем приводит к дополнительному сокращению продолжительности сушки (примерно на 20%).

Установлено, что длительность периода п о с т о я н н о й скорости в кипящем слое составляет 30—60 с.

210

S

На рис. 135 представлены кривые сушки и температурные кривые, полученные в работе [208] при сушке высокомасличных семян подсолнечника. (48%) с удельной нагрузкой 3 кг/м2, т. е. в слое толщиной примерно в две семянки. Теплоподвод осущест­ влялся конвекцией или конвекцией с радиацией одновременно. Анализ кривых показывает, что при одной и той же исходной

влажности (28,5%) семян и скорости сушильного агента ѵ сте­ пень нагрева и продолжительность сушки зависят от температу­ ры сушильного агента ta и излучающей поверхности Uasi, от рас­ стояния между поверхностями излучения и поглощения h. Срав­ нение конвективной и радиационно-конвективной сушки при температуре семян 70—75° С показывает, что продолжительность сушки вторым методом сокращается в 1,3 раза. При этом крити­ ческая влажность семян составляет 25—28% [209].

Таким образом, независимо от способа подвода, тепла сушка семян подсолнечника протекает главным образом в периоде па­ дающей скорости. К аналогичному выводу пришли в результате изучения процесса конвективной сушки в слое низко- и высоко­ масличных семян подсолнечника семенного назначения [275].

Следует отметить, что все рассмотренные выше исследования проводились в лабораторных условиях на очищенных семенах.