Науково-технічна фірма «Ванда»
Кубанський державний технологічний університет
У зв'язку з цим проблема підвищення цукристості сусла до 18-25 г / 100 см3 за рахунок видалення з нього частини води в процесі переробки винограду набуває особливої актуальності. Концентрування виноградного соку для виноробства передбачає виробництво вакуум-сусла. що містить 65-70% сухих речовин.
Застосовувані способи концентрування соку і сусла мають суттєві недоліки:
-
вакуум-сусло змінює забарвлення, набуваючи темно-бурштинові і коричневі відтінки; в смаку з'являються карамельні і уварені тони; змінюється хімічний склад сусла; процес вимагає створення спеціалізованого виробництва, що можливо не на кожному винзаводі.
Виноградні і сік, і сусло зазвичай концентрують під вакуумом при мінімальній температурі кипіння продукту (55. 70 ° С). Вивчення механізму пароутворення і особливостей теплопереносу при випаровуванні під вакуумом показує, що створення в установці умов мінімальної температури кипіння ще не гарантує м'які теплові режими. Згідно з експериментальними даними переважна більшість вторинних парів утворюється безпосередньо на поверхні теплопередачі у відносно тонкому прикордонному шарі. Це призводить, з одного боку, до утворення парової прошарку, ізолюючої поверхню теплопередачі з боку сусла і знижує інтенсивність тепловіддачі, і до перегріву поверхні, а з іншого боку, саме поблизу поверхні теплопередачі виникає максимальний поперечний градієнт концентрації сухих речовин, що викликає підвищення в'язкості і зниження інтенсивності конвекції. В результаті цукру карамелізуются, а якість вакуум-сусла погіршується.
Залежність середньої температури теплопередающей поверхні з боку сусла (fст2), що визначається з рівнянь теплопередачі, теплового та матеріального балансів. може бути представлена у вигляді функції:
де tp- температура кипіння сусла, ° С;
g h- кількість вихідного сусла, кг;
Вн, Вк - початкова і кінцева концентрації сусла,% мас .;
r в- питома теплота пароутворення води, Дж / кг;
А2 - коефіцієнт тепловіддачі від стінки до сусла, Вт / (м2-К);
F- поверхня теплопередачі, м2;
т-час процесу, с.
Відповідно до рівняння (1) температура стінки може значно перевищувати температуру кипіння сусла, і це перевищення визначається не тільки тиском вторинних парів, а й сукупністю параметрів процесу. Для виключення пригорання сусла необхідно забезпечити такі умови реалізації процесу, при яких температура стінки буде близькою до температури кипіння (fст2 = fp). а температура кипіння сусла мінімальної. Це досягається при максимальних значеннях поверхні теплообміну, часу процесу і коефіцієнта тепловіддачі. Крім того, за умови, що водяний насичений пар є гріючою теплоносієм, зниження його температури конденсації також може сприяти створенню більш м'яких режимів процесу випарювання.
Забезпечити ці умови в випарних установках, використовуваних в виноробстві, важко.
Проведено розрахунок випарного апарату при періодичному режимі його роботи для двох стадій процесу (нагрівання соку до температури кипіння і подальше випарювання) з урахуванням мінливих в часі концентрацій сусла і його теплофізичних параметрів по рівнянню
Ок - кількість теплоти, необхідне для концентрування соку концентрації Бк, Дж;
Він - кількість теплоти, необхідне для нагрівання соку до температури кипіння, Дж;
Q - кількість теплоти, необхідне для випаровування розчинника, Дж;
К - коефіцієнт теплопередачі, Вт / (м2-К);
ts - температура конденсації пари, що гріє. ° С;
tp - температура кипіння сусла, ° С.
Для конкретизації розмірів поверхні теплопередачі розраховували концентрацію упаренного соку по інтервалах. При інтегруванні правої частини рівняння (2) використовували чисельні методи.
Згідно з даними розрахунку тривалість нагрівання в порівнянні із загальним часом протікання процесу дуже мала, і нею можна знехтувати. Для досягнення концентрації 55-70% мас. сухої речовини при продуктивності по концентрованого продукту 1200 кг / сут час одного циклу складає 4-5 ч при об'ємній витраті сусла 1,4 м3 на одне завантаження.
Отримані результати були використані при розробці випарної установки.
Для реалізації процесу в пропонованих режимах розроблена малогабаритна випарна установка з горизонтальною испарительной камерою, що дозволяє проводити процес в умовах вращательно-поступального руху парожідкостной потоку (патент 1660265 А1 РФ). Для цього в трубки випарника вставлені завіхрітелі спеціальної конструкції, причому разом з кількістю що утворюється пара збільшується і перетин трубного простору випарника. Швидкість середньої витрати рідкої фази дорівнює 2,5-3,2 м / с при досягненні повної складової швидкості на рівні 4,5-5,8 м / с. У цьому випадку можливо пароутворення не тільки на поверхні теплообміну, а й у всьому потоці і, отже, значне концентрування і пригорання сухих речовин на поверхні теплопередачі виключаються.
Установка включає випарник, сепаратор-накопичувач, вакуум-насос і циркулярний насос, який забезпечує безперервну циркуляцію сусла по замкнутому контуру випарник - сепаратор - випарник і створює в трубках
випарника спрямоване вращатель-НС-поступальний рух рідини зі швидкістю 2-3 м / с. Поверхня двухтрубчатие двохсекційного випарника становить 5,65 м2.
Тиск що гріє пара на початку процесу має становити 0,5-0,6 МПа, а на останніх стадіях концентрування і розпарювання його рекомендується знижувати до 0,1-0,3 МПа, створюючи більш м'які умови процесу.
За результатами випробувань визначали зміни відносної кількості випарованої води
по інтервалах і зміна концентрації сухих речовин в соку в залежності від часу (рис. 1).
За нашими даними, найбільшу кількість води (близько 90%) випаровується за 1,6 год, а концентрація сухих речовин в соку за цей час досягає близько 50% мас. На наступних етапах кількість випарованої води значно знижується, хоча концентрація сухих речовин продовжує збільшуватися. Одночасно починає інтенсивно змінюватися кольоровість сусла.
При концентрації сухих речовин у суслі вище 50% мас. значення розрахункових і експериментальних коефіцієнтів теплопередачі значно різняться. На наш погляд, це може стати наслідком впливу декількох чинників.
При випаровуванні соку протікають два взаємопов'язані процеси: тепло - і масоперенос.
При русі рідини уздовж поверхні теплопередачі теплота передається від стінки рідини, і одночасно летючі компоненти переходять з рідкої фази в парову. Внаслідок перенесення речовини складу, а, отже, і властивості рідини змінюються по довжині теплопередающей поверхні, тому пароутворення в випарнику слід розглядати як процес тепло-і масообміну.
При великій кількості розчинника (малі концентрації сухих речовин), ймовірно, домінує механізм теплопереносу.
У міру зростання концентрації сухих речовин вплив перенесення маси і теплоти стає таким же, а потім лимитирующей стадією процесу стає массоперенос.
З ростом концентрації сухих речовин більше 50% мас. розчин набуває властивостей неньютоновской рідини і розрахунок коефіцієнтів тепловіддачі по відомим критеріальним рівнянням з використанням значень в'язкості для звичайних умов стає некоректним. Очевидно, в цьому випадку доцільно використовувати інший спосіб реалізації процесу концентрування соку.
Доцільно оцінити зміна швидкості процесу в часі. Теорія процесів відносить випарювання продукту до теплових процесів і як його швидкості приймає питомий тепловий потік. Але концентрування виноградного соку слід розглядати у вигляді сукупності тепло - і масообмінних процесів, тому, на наш погляд, в якості швидкості процесу слід прийняти кількість матеріалу, який випаровується розчинника в одиницю часу:
При відомої функціональної залежності Wi = j (т) значення Vi може бути знайдено графоаналитическим способом з використанням фізичного сенсу
рівняння (3): значення Vi чисельно дорівнює тангенсу кута нахилу дотичної, проведеної до кривої Wi = j (т) в даній точці. За допомогою цього методу ми розрахували функціональну залежність Vi = f (т) (рис.2).
Аналіз зміни значень швидкості концентрування виноградного соку дозволяє виділити кілька характерних періодів (рис. 2).
Спочатку (при ймовірному домінуванні теплового процесу) його швидкість не змінює свого значення (Vi = 560 кг / год <= const): этот период в нашем эксперименте длился около 1,6-1,7 ч (до достижения концентрации = 40-45 % мас.). Затем наблюдается заметное снижение скорости выпаривания сока (от 540 до 75 кг/ч) — в этот переходный период, на наш взгляд, следует признать соизмеримое влияние как тепло-, так и массо-переноса на интенсивность концентрирования виноградного сока.
При досягненні концентрації соку близько 50-55% мас. починається 2-й період, при якому швидкість процесу залежить від швидкості пароутворення розчинника (вода), що збільшується з підвищенням поверхні випаровування і кількості центрів пароутворення.
Ймовірно, ці чисельні кордони процесу залежать від конкретних геометричних розмірів випарної установки і її робочих параметрів, однак їх наявність дозволяє організувати процес в 2 стадії з урахуванням домінуючих чинників. Так, на 2-й стадії концентріруемих сік доцільно розпилювати в деякому обсязі.
Тривалість процесу, ч
Тиск пари, що гріє, МПа
Примітка. Тиск вторинної пари в апараті підтримували в межах 0,03-0,035 МПа.
Спостережувані зміни параметрів процесу випарювання виноградного соку дозволили розробити технологію підвищення цукристості сусла безпосередньо при переробці винограду.
Через 5-8 год відстоювання сусла, коли основна частина суспензій переміщається в нижню частину відстійника, з верхнього шару відбирають частину сусла (10-25% обсягу в залежності від концентрації цукрів) і в циркуляційному потоці подають на високошвидкісне концентрування до 20-25% мас . Після охолодження отриманий концентрат повертають в відстійник і тим самим підвищують загальну цукристість сусла на 2-5% мас. У цьому випадку немає необхідності створювати умови зберігання соку для виробництва вакуум-сусла і фільтрувати сусло перед виправними, так як при концентрації сухих речовин 20-30% мас. суспензії не пригорає на теплообмінної поверхні. Крім того, в суслі зберігаються основні ароматичні компоненти і не змінюється кольоровість, а після його бродіння отримують високоякісні виноматеріали.
Детальну інформацію про конкретних компонувальних рішеннях і геометричних параметрах установки можна отримати по