Способ обработки жидкости ультрафиолетовым излучением с регулируемой толщиной пленки в установках для обработки жидкости в тонком слое

Изобретение относится к сельскому хозяйству, а именно к технологиям обработки жидкостей и жидких пищевых продуктов (молоко, соки и др.) сельскохозяйственной и пищевой промышленности с целью обеззараживания продукта и обеспечения длительной сохранности.

Известны ультрафиолетовые (УФ) установки обеззараживания воды. Бактерицидные лампы помещены в кварцевые трубки, находящиеся внутри цилиндра, по которому протекает вода. Существует конструкция установок с центральной кварцевой трубой (по которой протекает вода) и установленными по периметру бактерицидными лампами (http://sentech-medical.ru/s_products.).

Известна также установка для обработки жидкости инфракрасным и ультрафиолетовым излучением в тонком слое (патент №2386374, 20.04.2010. Бюл. №11).

Недостатком вышеперечисленных способов является то, что обработка жидкого продукта происходит в фиксированном слое. Эффективность обеззараживания жидкости зависит от оптических свойств материала, характеризующихся пропускной, поглощательной и отражательной способностью. Для разных жидкостей оптические характеристики меняются в значительной степени.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ обработки жидкости инфракрасным излучением в тонком слое (пат. №2083140, 10.07.1997), в котором тонкослойный поток продукта, проходит по внутренней поверхности вертикального рабочего цилиндра и обеспечивают попадание излучения на открытую поверхность тонкослойного потока, при этом формирование тонкого слоя производят таким образом, чтобы его толщина находилась в пределах 0.25…5 мм с длиной волны в диапазоне 1…5 мкм инфракрасного излучения.

Недостатком данного способа является высокая энергоемкость процесса, связанная с необходимостью создания высокой плотности теплового потока инфракрасного излучения в интервале 3…10 Вт/см², при этом установленная мощность установки достигает значений порядка 10-12 кВт при производительности 1000 л/час. (Методические рекомендации по расчету установок для электротермической обработки жидких сред. ВИЭСХ. М., 1979).

Задачей предлагаемого изобретения является снижение энергоемкости процесса обработки жидкости.

В результате использования предлагаемого способа появляется возможность значительно уменьшить энергозатраты и обеспечить необходимое качество его обработки для длительной сохранности и безопасности.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что на обрабатываемый жидкий продукт воздействуют ультрафиолетовым излучением в диапазоне 200…400 нм, при этом расходом жидкости внутри вертикального рабочего цилиндра формируют толщину обрабатываемого слоя δ, не превышающую значения, которое определяют по условию δ<δ_макс= -ln(Н_мин/Н_макс)/μ или δ<δ_макс=2.3/μ, при этом отношение Н_мин/Н_макс выражает допустимое снижение дозы облучения конкретной жидкости, а соотношение δ_макс=2.3/μ определяет снижение интенсивности излучения Е/Е₀=0,1 при прохождении слоя жидкого продукта толщиной δ [м] и коэффициентом μ [м^-1] - показателем поглощения излучения, для этого регулируют расход жидкости внутри вертикального рабочего цилиндра, причем толщина пленки и расход определяют соотношением δ=(3⋅ζ,/ρ²⋅g)^1/3⋅(1/πD)^1/3⋅G^1//3, которое выражает связь между расходом G [кг/с] и толщиной обрабатываемого слоя δ [м], диаметром рабочего цилиндра D [м] и физическими свойствами жидкого продукта - плотностью ρ [кг/м³] и динамическим коэффициентом вязкости ζ [кг⋅с/м], при этом максимальную дозу облучения определяют по выражению , причем если задана предельная доза облучения для конкретного продукта Н_{доп.макс}, то должно выполняться условие Н_макс<Н_{доп.макс}, а мощность ультрафиолетового источника излучения Р [Вт] определяют по выражению , определяющему зависимость мощности источника излучения от минимальной энергетической экспозиции или дозы облучения Н_мин [Дж/м²], плотности ρ [кг/м³], динамического коэффициента вязкости ζ [кг с/м], диаметра рабочего цилиндра D [м], толщины пленки жидкости δ [м^-1] и коэффициента η - значение преобразованной энергии источника излучения в полезную энергию ультрафиолетового излучения.

Воздействие УФИ (ультрафиолетовое излучение) на обрабатываемый продукт должно находиться в определенном диапазоне спектра (длин волн), строго дозироваться для обеспечения воздействия на микрофлору (бактериальную среду) с целью создания продукта с заданной степенью биологической чистоты.

Эффективность обработки жидкости зависит от дозы облучения. Поверхностная доза облучения элементарного объема потока жидкости, проходящего в камере обработки,

где δ_x - толщина пленки жидкости в сечении х, Е(δ_х) - поверхностная доза облучения элементарного объема в сечении х, Вт/м².

Предельные дозы облучения элементарного объема жидкости на поверхности пленки и в толщине в зависимости от условия течения определяют соотношением

где Н - доза облучения (экспозиция) Дж/м², Н_мин - минимальное значение дозы облучения слоя жидкости при максимальной величине δ, Н_макс - максимальное значение дозы облучения слоя жидкости на поверхности слоя, Н_{доп.макс} - допустимое максимальное значение дозы облучения, Дж/м², t - время нахождения элементарного объема в зоне обработки.

Для конкретного жидкого продукта предельные нормы доз облучения Н_мин и Н_{допмакс} известны или определяются экспериментально.

Снижение интенсивности облученности в среде описывается законом Бунзена-Роско: Е=Е₀е^-μδ,

где μ - показатель поглощения, м^-1, Е₀ - интенсивность излучения на поверхности слоя, Вт/м².

Максимальную допустимую толщину δ_макс определяют из соотношения:

Н_мин/Н_{допмакс}<Н_мин/Н_макс, при этом должны быть выполнены условия:

δ_макс=-ln(Н_мин/Н_{допмакс})/μ>-ln(Н_мин/Н_макс)/μ~-ln(Е/Е₀)/μ или

δ_макс=2.3/μ при Е/Е₀=0.1.

Целью настоящего изобретения является формирование в установке тонкой пленки δ≤δ_макс по всему обрабатываемому объему, причем толщина δ для конкретного жидкого продукта определяется его оптическими характеристиками - μ - показатель поглощения. На проходящий поток воздействуют УФ-излучением в диапазоне 200…400 нм, при этом соблюдают соотношение , обеспечивающее создание среды с заданной степенью биологической чистоты.

Способ обеззараживания жидкости ультрафиолетовым излучением с регулируемым толщиной пленки осуществляют следующим образом. Обработку жидкости производят ультрафиолетовым излучением, при этом согласуют оптические характеристики приемника и источника излучения за счет регулирования расхода. Толщина пленки стекающей жидкости зависит от расхода G и для вертикальной цилиндрической поверхности определяется выражением δ~(3ζ/pρ²)^l/3(G)^1/3 (Методические рекомендации по расчету установок для электротермической обработки жидких сред. ВИЭСХ. М. 1979. Ю.М. Тананайко, Е.Г. Воронцов. Методы расчета и исследования пленочных процессов. Из-во «Технiка». Киев - 1975), здесь: p=πD - смоченный периметр вертикальной стенки, D - диаметр цилиндра [м]; ρ - плотность жидкого продукта [кг/м³]; G - расход [кг/с]; ζ - динамический коэффициент вязкости [кг⋅с/м²]. Жидкость или жидкий пищевой продукт (молоко, соки и др.) направляют на внутреннюю стенку вертикального рабочего цилиндра и равномерно распределяют по его поверхности. За счет регулирования расхода формируют необходимую толщину слоя стекающей жидкости δ=(3ζ/рρ²)^1/3(G)^1/3≤δ_макс= -ln(Н_мин/Н_макс)/μ или δ≤δ_макс=2.3/μ. Воздействие УФ-излучения при соблюдении условия приводит к дезинфекции всей толщины слоя стекающей жидкости, чем создаются условия для ликвидации микрофлоры, не оказывает деструктивных изменений в продукте и обеспечивает его консервацию, при этом снижается энергоемкость процесса.

Пример осуществления способа

Жидкий пищевой продукт - предельное значение проникновения излучения δ_макс=0.01 см (молоко), 0.02 см - 0.05 см (соки) (по данным источника http://sentech-medical.ru). На графике (рис. 1) приведены расчетные значения средней толщины пленки δ [м] в зависимости от расхода жидкости G [м³/c], и для значений ζ=102.4⋅10^-6 Па⋅с, ρ=1000 кг/м³, р=π⋅D, по выражению

δ=(3⋅ζ/ρ²⋅g)^1/3⋅(1/p)^l/3⋅G^l//3

где ζ - коэффициент динамической вязкости, Па⋅с (для t=20°С, μ=102.4⋅10^-6 Па⋅с); ρ - плотность жидкости; g=9.81 м/с²; р=π⋅D - смоченный периметр, D - диаметр цилиндрической поверхности, м (D=0.1); G - секундный расход жидкости, кг/с.

Предельным значениям δ_макс=0.0001 м соответствует максимальный расход G_макс=0.010027⋅3600=36 л/час, δ_макс=0.0002 м; расход равен G_макс=0.080217⋅3600=288 л/час, δ=0.0003 м, расход; G=0.27⋅3600=4500 л/час.

Максимальная мощность источника излучения

P=(1/3)⋅(ρ⋅g/ζ)⋅πD⋅10^{δ/δмакс} H_min⋅δ²⋅(1/η),

где Н_мин - доза облучения, необходимая для инактивации 99,9% микроорганизмов (табл. 1), Дж/м², η - коэффициент преобразовании энергии в полезную У ФИ (0.35-0.40).

Для δ=δ_макс=0.01 см при расходе G_макс=36 л/час, Н_мин=10 Дж/м²

Р=29 Вт

Для δ=δ_макс=0.02 см при расходе G_макс=288 л/час, Н_мин=10 Дж/м²

Р=115 Вт

Для δ=0.03 см, δ_макс=0.05 см при расходе G=970 л/час, Н_мин=10 Дж/м²

Р=103 Вт.

Минимальные значения дозы облучения для инактивации 99,9% микроорганизмов