Вальцовая сушилка – промышленный сушильный аппарат для контактной (кондуктивной) сушки, при которой тепло передаётся материалу от нагретой поверхности одного или нескольких вращающихся цилиндрических вальцов. Жидкий, пастообразный или суспендированный материал наносится тонким слоем на наружную поверхность вальца, высушивается при его вращении, после чего образовавшийся сухой слой снимается неподвижным ножом-скребком.
Вальцовая сушка применяется преимущественно для переработки жидких и вязких материалов – паст, пюре, суспензий и растворов. Метод используется в пищевой, химической и биотехнологической промышленности.
История
Вальцовая сушка получила промышленное развитие в начале XX века. В 1902 году Дж. Р. Хатмейкер (J. R. Hatmaker) и Дж. А. Джаст (J. A. Just) представили нагреваемые валковые сушилки для молока; такие аппараты успешно применялись в первой половине XX века.
До широкого распространения распылительной сушки вальцовые сушилки использовались для многих жидких пищевых продуктов. После развития распылительной технологии их применение для производства сухого молока уменьшилось, однако вальцовая сушка сохранила промышленное значение для вязких и пюреобразных продуктов, а также в случаях, когда требуется получение материала с хлопьевидной структурой и хорошей способностью к восстановлению водой.
Применение
Вальцовые сушилки применяются для материалов, способных образовывать относительно равномерный слой на нагреваемой поверхности. Особенно характерно их использование для вязких жидкостей, паст, пюре и суспензий.
В пищевой промышленности вальцовая сушка используется при производстве сухих молочных продуктов, продуктов детского питания, сухих завтраков, фруктовых и овощных пюре, картофельных хлопьев, варёного и предварительно желатинизированного крахмала, а также при переработке дрожжевых продуктов. Высушенный материал обычно снимается в виде листов или хлопьев, которые при необходимости измельчают.
В химической и биотехнологической промышленности вальцовым способом могут высушиваться вязкие растворы, суспензии и пасты. В литературе описано его применение, в частности, для полиакриламидов, бензоата натрия, пропионатов и ацетатов.
Устройство и принцип работы
Типовая вальцовая сушилка включает один или два горизонтально расположенных полых вращающихся вальца, несущую раму, систему подачи материала, ножи-скребки и вспомогательное оборудование. Вальцы могут изготавливаться из высококачественного чугуна или нержавеющей стали.
В аппаратах с паровым обогревом вальцы нагреваются изнутри водяным паром. При его конденсации выделяющаяся теплота передаётся через металлическую стенку находящемуся на наружной поверхности материалу. Теплоноситель при этом непосредственно с высушиваемым продуктом не соприкасается.
Влажный материал наносится на поверхность вальца тонким слоем. Во время вращения он нагревается, влага испаряется, а концентрация сухих веществ возрастает. После прохождения зоны сушки высушенный слой отделяется от поверхности неподвижным ножом-скребком.
В процессе высушивания условно выделяют три периода. Сначала нанесённый на вальц материал быстро нагревается вследствие значительной разности температур между ним и поверхностью вальца. После достижения температуры кипения свободной влаги начинается период интенсивного испарения, во время которого температура продукта изменяется сравнительно мало. По мере удаления свободной воды всё большее значение приобретает перенос связанной влаги внутри материала, скорость испарения уменьшается, а температура продукта начинает возрастать вплоть до его снятия ножом-скребком.
Непосредственный контакт с нагретой металлической поверхностью обеспечивает интенсивную теплопередачу, но при чрезмерной температуре или продолжительности обработки может приводить к перегреву, изменению цвета и вкуса и пригоранию продукта.
Способы подачи продукта
Способ нанесения материала выбирают с учётом конструкции аппарата, концентрации сухих веществ, вязкости и способности продукта смачивать поверхность. В промышленных установках используются пять основных способов подачи – нанесение питающими роликами, подача в зазор между двумя вальцами, погружение вальца в продукт, распыление и разбрызгивание.
Роликовое нанесение применяется прежде всего для вязких и клейких материалов. Подача в межвальцовый зазор характерна для двухвальцовых аппаратов и позволяет регулировать толщину слоя изменением расстояния между поверхностями вальцов. Погружение используется для некоторых суспензий, а распыление и разбрызгивание позволяют наносить материал на поверхность без образования питающего слоя между вальцами.
Типы вальцовых сушилок
По числу рабочих вальцов различают одновальцовые и двухвальцовые сушилки. Аппараты могут работать при атмосферном или пониженном давлении; для термочувствительных материалов применяются вакуумные исполнения.
Одновальцовые сушилки
Одновальцовая сушилка имеет один нагреваемый вращающийся цилиндр. Материал наносится на его поверхность питающими роликами либо другим способом. Одновальцовые аппараты применяются для вязких продуктов; одним из характерных примеров является производство картофельных хлопьев.
Двухвальцовые сушилки
Двухвальцовая сушилка состоит из двух расположенных рядом нагреваемых цилиндров. В распространённой схеме верхние участки поверхностей вальцов движутся навстречу друг другу, а исходный материал подаётся в пространство между ними. Межвальцовый зазор влияет на толщину образующейся плёнки, которая после высушивания снимается с каждого вальца ножом-скребком.
Подобная схема применяется, в частности, для сушки молока. В российской экспериментальной двухвальцовой установке молоко подавалось в зазор между двумя нагреваемыми барабанами, наносилось на их поверхность слоем толщиной 0,1–2,0 мм и снималось неподвижными ножами.
В англоязычной технической литературе отдельно выделяется схема twin-drum dryer. В ней также используются два вальца, однако их верхние участки поверхности движутся в противоположных направлениях – от межвальцового пространства. В результате каждый рабочий цилиндр по характеру нанесения материала действует подобно отдельной одновальцовой сушилке.
Вакуумные вальцовые сушилки
В вакуумных вальцовых сушилках рабочие органы размещаются в герметичной камере с пониженным давлением. Снижение давления уменьшает температуру кипения влаги и позволяет сушить термочувствительные продукты при более низкой температуре. Из-за большей сложности и стоимости такие аппараты применяются главным образом для дорогостоящих продуктов либо материалов, для которых необходим более щадящий температурный режим.
Рабочие параметры
Работа вальцовой сушилки определяется сочетанием расхода исходного материала, давления и температуры греющего пара, скорости вращения вальца и толщины высушиваемого слоя. Для двухвальцовых аппаратов существенное влияние также оказывают уровень материала между вальцами и величина межвальцового зазора.
Для пищевых продуктов в обзорной литературе приводится характерная толщина слоя около 0,5–2 мм. Продолжительность нахождения продукта на нагретой поверхности может составлять от нескольких до нескольких десятков секунд. Конкретные значения зависят от материала, толщины плёнки и требуемой конечной влажности.
Общий коэффициент теплопередачи зависит от свойств и толщины высушиваемого слоя и в приведённых в литературе условиях находится примерно в диапазоне 200–2000 Вт/(м²·К). Поддержание равномерной толщины плёнки важно как для производительности, так и для получения одинаковой конечной влажности продукта.
Удельная производительность существенно различается для разных продуктов. В обзоре Дж. Танга, Х. Фэна и Г.-Ц. Шэня приводится диапазон примерно 5–50 кг сухого продукта в час на 1 м² рабочей поверхности. При благоприятных условиях интенсивность испарения воды может достигать около 80 кг/(м²·ч).
Для парообогреваемых аппаратов в том же источнике приводится расход порядка 1,1–1,6 кг пара на 1 кг испарённой воды, что соответствует оценочной тепловой эффективности около 60–90 %. Эти значения являются ориентировочными и зависят от конструкции аппарата, тепловых потерь и свойств перерабатываемого материала.
Преимущества и ограничения
Одно из основных преимуществ вальцовой сушки – возможность перерабатывать пастообразные, пюреобразные и другие высоковязкие продукты, для которых применение некоторых других способов сушки затруднено. Тонкий слой материала и контактная передача тепла обеспечивают интенсивное удаление влаги, а оборудование отличается сравнительно простой эксплуатацией и обслуживанием.
Высушенный материал часто имеет пористую структуру и способен хорошо восстанавливаться при добавлении воды. Это свойство особенно важно для картофельных хлопьев, продуктов детского питания и других быстро восстанавливаемых сухих пищевых продуктов.
Ограничением метода является необходимость формирования равномерной плёнки на рабочей поверхности. Продукты с высоким содержанием сахаров могут становиться липкими и плохо сниматься с вальца, а высокожировые и маслянистые материалы способны недостаточно хорошо удерживаться на поверхности.
Непосредственный контакт с горячим вальцом может приводить к термическому повреждению продукта, включая изменение цвета и вкусовых свойств. Производительность вальцовой сушки при крупнотоннажной переработке жидких продуктов обычно ниже, чем у распылительной сушки. Кроме того, точная механическая обработка рабочей поверхности повышает стоимость её ремонта или замены, а коррозионно-активные материалы могут повреждать металлическую поверхность.
Сравнение с распылительной сушкой
При вальцовой сушке тепло передаётся материалу преимущественно через непосредственный контакт с нагретой металлической поверхностью. При распылительной сушке жидкий продукт сначала диспергируется на мелкие капли, которые высушиваются при контакте с горячим газом в сушильной камере.
Вальцовая технология особенно пригодна для высоковязких и пюреобразных материалов и обычно даёт сухой продукт в форме листов или хлопьев, которые затем могут измельчаться. Распылительная сушка непосредственно формирует порошкообразный продукт и широко применяется при крупнотоннажном производстве сухих молочных продуктов. Распространение распылительной технологии стало одной из причин сокращения применения вальцовой сушки для производства сухого молока.
Примечания
Категория:Оборудование пищевой промышленности