Исследование вакуум-выпарных аппаратов нового типа

Аннотация

Бурдо О. Г., Ружицкая Н. В., Макаренко Т. А., Малашевич С. А. Исследование вакуум-выпарных аппаратов нового типа. В статье анализируются недостатки традиционных технологий выпарки. Предлагается обеспечить равномерность подвода энергии за счет применения микроволновых технологий. Описывается конструкция лабораторного образца вакуум-выпарной установки с микроволновым подводом энергии. Приведены результаты испытаний установки на примере отгонки этанола из экстракта кофейного масла. Проведено сравнение вакуум-выпарки с выпаркой при атмосферном давлении.

Постановка задачи

Процесс выпарки является ключевым в технологиях целого ряда пищевых продуктов. Однако в большинстве существующих выпарных аппаратов не обеспечивается равномерный подвод энергии к продукту. Кроме того тепловая энергия подводится к продукту как правило посредством промежуточных теплоносителей (пар, горячая вода), что ведет к дополнительным потерям энергии. Проблему равномерности подвода энергии можно решить с использованием микроволновых технологий. Микроволны – неионизирующие волны частотой от 300 МГц до 300 ГГц и в электромагнитном спектре располагаются между рентгеновскими и инфракрасными лучами [1]. При этом допускается что нетермическое действие микроволн на химические соединения отсутствует. Квант микроволновой энергии выражается обычным уравнением W = hv. В диапазоне частот 300 МГц – 300 ГГц, соответствующие энергии составляют 1,24·10-6 – 1,24·10-3 эВ, что значительно ниже энергии ионизации биологических соединений (13,6 эВ), энергии ковалентных связей типа ОН (5 эВ), водородных связей (2 эВ), межмолекулярного взаимодействия Ван-дер-Ваальса (менше 2 эВ) и даже меньше энергии, связанной с Броуновским движением при 37 °С (2,7·10-3 эВ). С этой точки зрения прямая микроволновая активация молекул исключается [2].

Принцип нагрева микроволнами базируется на их непосредственном взаимодействии с полярными материалами и растворителями и управляется двумя явлениями: ионной проводимостью и вращением диполей, которые в большинстве случаев происходят одновременно. Ионная проводимость объясняется электрофоретической миграцией ионов под действием переменного электрического поля. Сопротивление раствора миграции ионов вызывает трение, которое нагревает раствор. Вращение диполей означает что молекулы перестраиваются по переменному электрическому полю, вибрируют и вследствие трения возникает тепло [1].

Таким образом при микроволновом подводе энергии, энергия подводится непосредственно к молекулам воды в продукте, так как сухие вещества как правило радиопрозрачны. Очаги парообразования возникают во всем объеме. Таким образом реализуется схема подвода энергии, показавшая высокую эффективность в технологиях сушки [3, 4 Яровым]. В условиях вакуума парообразование происходит при относительно низких температурах. Таким образом снижаются затраты энергии на нагрев продукта, предотвращается термическое повреждение биологически активных веществ, снижаются потери летучих ароматических компонентов.

Решение поставленной задачи

На кафедре процессов, аппаратов и энергетического менеджмента разработана вакуум-выпарная ус- тановка с микроволновым подводом энергии. Схема установки представлена на рис. 1.

Установка работает следующим образом. В инверторной микроволновой камере 1 размещается реакционная емкость 2 из радиопрозрачного материала. В емкость заливается упариваемый экстракт. Для предотвращения локальных перегревов продукта емкость приволится в движение электродвигателем 3. Пары экстрагента поступают в конденсатор 4, в который холодный теплоноситель подается из холодильной установки 5. Вакуум в системе создается вакуум-насосом 6 и контролируется вакуумотером образцовым 7. Дистиллят стекает из холодильника в приемную емкость 8.

Проводились испытания установки для отгонки экстрагента из спиртового экстракта кофейного мас- ла. Содержание масла в экстракте составляло 3%. Эксперименты проводились как под вакуумом равном -90…92 кгс/см2, так и при атмосферном давлении.

В течение процесса вакуум-выпарки кофейного экстракта контролировались температура и расход экстрагента. Полученные данные представлены на рис. 3 и на рис. 4.

Из графиков видно, что процесс испарения экстрагента начинаестся через 3-4 минуты после включения установки, при этом температура и расход дистиллята сохраняются на постоянном уровне, что говорит об эффективном расходе подводимой энергии.

Выводы

Применение микроволновых технологий позволяет добиться равномерности подвода энергии к продукту в выпарном аппарате и исключить промежуточный теплоноситель. При этом энергия подводится непосредственно к воде (полярному экстрагенту) в продукте. Микроволновая вакуум-выпарка позволяет удалять воду или экстрагент при низких температурах (30…35 °С), что благоприятно влияет на качество конечного продукта. Применение вакуума в микроволновых выпарных установках позволяет значительно сократить удельные энергозатраты процесса.

Список использованной литературы

1. PHCOG REV.: Microwave Assisted Extraction – An Innovative and Promising Extraction Tool for Medicinal Plant Research [Text] / Vivecananda Mandal, Yogesh Mohan, S. Hemalatha // Pharmacognosy Reviews, Vol.1, Issue 1, Jan-May, 2007, P. 7 – 18.
2. Chemat-Djenni Z. Atmospheric Pressure Microwave Assisted Heterogeneous Catalytic Reactions [Text] / Z. Chemat-Djenni, Boudjema Hamada, F. Chemat // Molecules 2007, 12, P. 1399–1409.
3. Бурдо О. Г. Эволюция сушильных установок. – Одесса: «Полиграф», 2010. – 368 с.
4. Бурдо О. Г. Исследование модуля ленточной сушили растительного сырья с комбинированным электромагнитным подводом энергии / Бурдо О. Г., Терзиев С. Г., Яровой И. И., Ружицкая Н. В.// Труды IV Международной научно-практической конференции «Современные энергосбергающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов СЭТТ-2011». – Т.1. –Москва, 2011. – С.422–426.