Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Физико-механические особенности прессования соевых бобов 11
1.1. Функциональные и биологические свойств соевых продуктов 11
1.2. Пищевая ценность семян сои 16
1.3. Особенности технологической переработки семян сои 23
1.4. Технологические основы получения масла из соевых бобов 28
1.5. Анализ основных особенностей процесса маслоотделения прессованием 31
1.6. Оценка факторов, влияющих на процесс маслоотделения прессованием 37
1.7. Выводы.. 40
Глава 2. Теоретические основы математического моделирования энергозатрат процесса маслоотделения прессованием 43
2.1. Теоретическое исследование процесса маслоотделения шнековым прессом 43
2.2. Математическое моделирование энергозатрат процесса пресссования 46
2.3. Выводы 55
Глава 3. Экспериментальное исследование физико-механических свойств семян 57
3.1. Задачи и структура исследования 57
3.2. Методика определения физико-механических свойств семян сои, мятки, мезги и жмыха 58
3.3. Экспериментальное исследование фрикционных свойств семян сои, мятки, мезги и жмыха 64
3.4. методика экспериментального исследования зависимости давления прессования, удельной работы от свойств семян сои 65
3.5. Выводы 69
Глава 4. Экспериментальное исследование процесса извлечения масла из семян сои 72
4.1. Методика исследования процесса маслоотделения прессованием.. 72
4.2. Экспериментальное исследование процесса маслоотделения прессованием из семян сои на лабораторном стенде 77
4.3. Экспериментальное исследование маслоотделения на модифицированном шнековом прессе 81
4.4. Математическая постановка и решение задачи оптимизации процесса прессования 88
4.5. Методика определения параметров установок 90
4.6. Выводы 95
Глава 5. Экономико-технологическое обоснование поточно-технологической линии производства соевого масла в условиях фермерского (крестьянского) хозяйства 97
5.1. Агрегатно-технологическая линия переработки семян сои 97
5.2. Сравнительные показатели производственных испытаний шнекового пресса 99
5.3. Технико-экономические показатели производства соевого масла в условиях фермерского (крестьянского) хозяйства 102
5.4. Выводы 104
Общие выводы 105
Литература 108
Приложения 118
Результаты экспериментальных исследований 119
Документация 124
Оттиски патентов 131
- Анализ основных особенностей процесса маслоотделения прессованием
- Математическое моделирование энергозатрат процесса пресссования
- Экспериментальное исследование фрикционных свойств семян сои, мятки, мезги и жмыха
- Экспериментальное исследование процесса маслоотделения прессованием из семян сои на лабораторном стенде
Введение к работе
Реорганизация сельскохозяйственных предприятий и приватизация земли стали значительным шагом вперед в развитии реформ в России, прошедших за последние десять лет. Земельная реформа является неотъемлемой частью процесса экономических преобразований в России. Частная собственность на землю, приоритет фермерской формы хозяйствования, соединили воедино производство сельскохозяйственного сырья, его переработку в товар и реализацию, то есть каждый сельскохозяйственный производитель стал хозяином результата своего труда.
Сельское хозяйство Приморского края практически не конкурентоспособно по производству продукции со своими соседями, как Китай, Корея, Япония, США и т.д. по природно-климатическим условиям, рельефу сельскохозяйственных угодий. Так наименьшее количество осадков совпадает с наибольшей потребностью в мае-июне, а наибольшее количество осадков совпадает с периодом уборки - июль-август.
Плодородные почвы находятся в пойменных местах и ежегодно затопляются. На склонах из-за большого количества осадков почва подвержена водной и ветровой эрозии.
В рыночной экономике наиболее привлекательной и конкурентоспособной растениеводческой культурой для Приморского края является соя.
Семена сои состоят в среднем на 37-39% из белков, на 17-20% — из жиров и на 22-35% — из углеводов. Человек в своём меню использует 160 блюд из сои. В Китае считают, что блюда из сои обладают целительной силой.
Семена сои так же являются главным источником белка и жиров в рационе животных. Но кормить сырой или вареной соей животных опасно из-за высокой активности уреазы. Превышение дозы ведет к гибели
животных, особенно свиней. Активность уреазы существенно снижается в жмыхе, полученного при производстве соевого масла прессованием. Повышение температуры и давления в процессе приводит к распаду уреазы.
В решении продовольственной проблемы основная роль принадлежит высокобелковым зернобобовым культурам. Белок — важнейший компонент пищи человека. Недостаток его вызывает физиологические, функциональные расстройства организма: задержку в росте и развитии, снижение иммунитета, быструю физическую и особенно умственную утомляемость. Поэтому уровень здоровья и в целом благосостояние народа в стране определяется в первую очередь количеством белка, потребляемого на душу населения в сутки. По данным ФАО, норма его потребления составляет 12% общей калорийности суточного рациона человека, или 90-100 г, в том числе 60-70% белка животного происхождения. В настоящее время среднее потребление белка в мире на душу населения в сутки — около 60 г, в том числе 30% белка животного происхождения. При этом в развитых странах оно составляет 90-95 г, а в развивающихся - только 20-25 г. Особенно велик дефицит пищевого животного белка. Мировое производство его в 4 раза меньше потребности.
Мировой опыт передового сельского хозяйства свидетельствует, что наиболее рациональный путь решения белковой проблемы - это увеличение производства сои, использование в пищу ее растительного белка, а также трансформация соевого белка - через корм — в белок животного происхождения. Организм животных не может синтезировать белок из неорганических веществ, а создает его из растительного белка, причем качество и усвояемость животного белка бобовых культур значительно выше, чем злаковых. Таким образом, одну из наиболее острых проблем человечества — производство белка — можно решить за счет
увеличения производства зернобобовых для Дальневосточного региона и в первую очередь сои.
Соя привлекает к себе всеобщее внимание не только высокой концентрацией и полноценностью белка, но и его экономичностью. Стоимость одной тонны перевариваемого белка в соевом шроте в 15-18 раз ниже, чем в зерне хлебных злаков, и во много раз ниже, чем в кормовых дрожжах и синтетическом белке. Более того, соя способна не только производить наиболее дешевый и полноценный белок, но и в определенной степени обеспечивать азотом последующие культуры севооборота. При благоприятных условиях выращивания эта культура формирует белок без затрат дефицитных и дорогостоящих минеральных азотных удобрений. Поскольку белок - это азот, включенный в биологический синтез, то общий объем производства растительного белка ограничивается уровнем обеспеченности растений азотными удобрениями и содержанием азота в почве. Соя дает сверхлимитированный, дополнительный белок, включая в биологический круговорот азот воздуха, недоступный для других культур.
Объем производства сои в мире с каждым годом увеличивается. Например, в 1998 году он составил около 160 млн т. Основным производителем сои являются США, на долю которых приходится примерно половина всемирного валового сбора, затем Бразилия - 24, Китай — 14,8, Аргентина — 13,4 млн. тонн (данные за 1998 год). Россия в этом ряду занимает весьма скромное место — менее 0,5% мирового объема производства.
К началу реформирования сельского хозяйства — в 1991 году — соеводство в России представляло собой достаточно стабильно развивающуюся отрасль. В этот период площади под соей на Дальнем Востоке занимали 590 тыс. га, валовой сбор соевого зерна превышал 520 тыс. т, урожайность по региону составляла: 7,5 ц/га — в Хабаровском крае,
8,3 ц/га — в Приморском крае и 9,3 ц/га - в Амурской области. Дальневосточная соя является сырьем для перерабатывающих предприятий других регионов. Местная перерабатывающая промышленность была и остается слабо развитой.
В 1995-2000 годах отмечен регресс в соеводстве. Площади под культурой уменьшились до 400 тыс. га, валовой сбор снизился до 200 тыс. т, урожай колеблется от 5,2 до 7 ц/га. Снижение показателей связано с недальновидной политикой девяностых годов, с ошибками реформирования народного хозяйства, а главным образом несовместимостью разделения на производителей сырья и производителей товара в рыночной экономике. Производители сырья, а именно семян сои, вынуждены сдавать результаты своего труда монополистам по переработке его в товар, не имея прибыли. Этот принцип остался от оставшейся плановой социалистической системы и является главной причиной регресса в соеводстве Дальнего Востока.
Производство соевого масла в условиях фермерско-крестьянского хозяйства позволяет производить прекрасный товар, пользующийся высоким спросом — соевое масло и подготовить жмых — как ценный корм для животных.
Анализ основных особенностей процесса маслоотделения прессованием
Промышленность разных стран выпускает множество вариантов маслоотжимающих прессов. Однако по конструкции и рабочему процессу они все однотипны. Геометрические параметры маслоотжимающих прессов, их кинематические и энергетические показатели определяются физико-механическими свойствами маслосодержащих семян или плодов и для сельскохозяйственной культуры создан свой маслоотделяющий пресс.
В Российской Федерации для производства масла прессованием используют шнековые прессы: РЗ-МОА-10, ПШМ-250, МП-10 и др. Маслоотжимающие прессы могут входить в состав маслоотжимающих агрегатов, таких как РЗ-МОА-10 и быть самостоятельными единицами — ГПИМ-250. Все шнековые маслоотжимающие прессы по назначению и принципу работы одинаковы. Для работы в условиях крестьянских хозяйств, как показали эксплутационные данные, наиболее приспособлен пресс-ПШМ-250.
Пресс состоит (рис. 1.4) из следующих основных узлов: цилиндрический корпус, заканчивающийся зеерной камерой, механизма регулирования давления, приводного наборного шнекового вал. Зеерная камера выполнена из стальных пластин, уложенных в каркасе цилиндра так, чтобы между пластинами имелись узкие щели для выхода отпрессованного масла. Шнековый вал состоит из отдельных шнеков. Диаметр шнеков по длине вала увеличивается. В табл. 1.10 приведены технические характеристики ПШМ-250, выпускаемые заводом «Аскольд» (г. Арсеньев).
Семена сои поступают из бункера в приемную часть (рис. 1.4) цилиндра, захватываются первым шнеком и перемещаются в сторону зеерной камеры. За счет сил трения, а главным образом, сжатые витками первого шнека семена сои измельчаются, нагреваются и превращаются в мятку. В зеерной камере обычно стоят два шнека. Первый предназначен для первого съема масла и окончательного перевода мятки в мезгу.
Второй обеспечивает основной съем масла с мезги. Перевод мятки в мезгу начинается при поступлении мятки с первого шнека на второй конусным переходом. За счет сильного сжатия клетки семян частично разрушаются, и свободная влага обеспечивает разогретой мятке влаготепловую обработку. Давление, развиваемое шнековым прессом, достигает 30 Мпа [9], степень уплотнения (сжатия) мезги 2,8-4,4 раза, продолжительность прессования 78-100 с.
Однако, прессовым способом невозможно добиться полного обезжиривания мезги, так как на поверхности жмыха, выходящего из пресса, всегда остаются тонкие слои масла, удерживаемые поверхностными силами, во много раз превышающими давление, развиваемое современными прессами. Масличность жмыха составляет 4...7%. Остаточная масличность шрота после извлечения масла экстракцией — 0,7... 1%, но затраты на производство масла прессованием в 8-10 раз меньше по сравнению с экстракцией.
Нами в 2001-2002 гг. изучалось состояние производства соевого масла прессованием в Приморском крае. По данным Государственной статистики в Приморском крае было официально зарегистрировано на начало 2002 г. тридцать два предприятия по производству сои и соевого масла прессованием. Другие данные отсутствуют. Также удалось установить, что заводами-производителями шнековых прессов в период с 1996 г. по 2003 г. изготовлено и реализовано 76 шт. ПШМ-250. В том числе завод ОАО «Аскольд» (г. Арсеньев) реализовал 52 пресса, а Спасский трактороремонтный - 24 пресса, (см. рис. 1.5). Крупных предприятий по производству соевого масла прессованием нет. Все эти предприятия производят соевое масло для своих внутренних целей. Это такие предприятия: Учебно-опытное хозяйство ПГСХА (с. Воздвиженка, Уссурийского района); ОАО «Примагроснаб»; ООО «Невское» (Дальнереческий район); ООО «Суворово» (Ольгинский район); 000 «Нива» (Пограничный район); ООО «Степное» (Уссурийский район); ЮС «Игнатенко» (Михайловский район); КХ «Ким» (Уссурийский район). Их производственную деятельность в цифрах невозможно представить, так как это вид деятельности для них второстепенный, учета нет и длительность производства не большая. Для определения производительности, количества сжимаемого масла и энергозатрат ПІІІМ — 250, с целью оценки его производственной значимости, нами были выполнены производственные замеры по стандартной методике в цехе по производству соевого масла Учебно-опытного хозяйства ПГСХА. Результаты замеров отражены в приложении 1 и на рис. 1.6. Измерения позволили выявить следующие достоинства: 1. Хорошая возможность сельскохозяйственным производителям се мян перерабатывать сою с получением высокого качества соевого масла и отличного, безопасного высокобелкового корма для животных; 2. Высокая экономическая эффективность по сравнению с реализацией семян сои;
Математическое моделирование энергозатрат процесса пресссования
Изучаемая нами мезга семян сои по своим физико-механическим свойствам ближе всех стоит к витаминной травяной муке. Работой Г.Я.Фарбмана [21], посвященной исследованию процесса гранулирования витаминной травяной муки до плотности 1200-1400 кг/м3, подтверждена зависимость (2.5). На основании этого можно предположить, что взаимосвязь между давлением и плотностью мезги описывается зависимостью (2.5). На уплотнение семян сои первоначальной плотности рі до плотности р2 необходимо затратить некоторое количество энергии (работы), которая определяется по формуле [15]: где Rj - усилие, создаваемое витками, Н; lj - текущее перемещение витка, м; 1о - конечное перемещение витка, когда плотность прессуемых семян достигнет величины р2, соответствующей началу выделения масла, м; Усилие Rj, создаваемое витком, обеспечивает прессование семян сои, превращая их в мезгу и одновременно преодолевает силы трения. Практически выделить силу трения из общего усилия прессования невозможно. Поэтому энергию на преодоление сил трения рассчитываем самостоятельным блоком и это будет в последующих действиях. Усилие, создаваемое витком, определится по формуле: Решая совместно формулы (2.4, 2.6, 2.7, 2.8), нами получено уравнение работы прессования вида:
После интегрирования и преобразования формула примет вид: Несколько другим способом это уравнение впервые было получено С.А. Алферовым [3] при анализе процесса прессования волокнистых материалов. Допускаем, что оно будет справедливо и при уплотнении семян сои до состояния мезги. Удельную работу уплотнения семян сои определили из соотношения работы прессования к массе семян сои, поступающего в камеру: л;= ,Дж/кг (2.10) и регулируемом зазоре 5 происходит истечение мезги по законам истечения вязкопластических веществ через отверстие в тонкой стенке под давлением. Тому подтверждение результаты экспериментальных работ В.А. Гавриченко, А.И. Стасенко, Б.Н.Снов [67, 68, 44, 45, 46, 69]. При этом внутренние и внешние трения мезги будут учитываться коэффициентом местного сопротивления отверстия в тонкой стенке. Потери удельной энергии, т.е. энергии, отнесенной к единице веса при где 4 - коэффициент местного сопротивления отверстия; 9С - скорость истечения жидкости через отверстие, м/с; g - ускорение свободного падения, м/с . Полная работа, затраченная на истечение мезги весом Q через конусный переход (9), с учетом, что Q = М g, определяется по формуле: где М - масса мезги, кг. Из уравнения сплошности среды следует: где S2 - площадь кольцевого зазора между зеерной камерой, диаметром Dn и шнека, диаметром dy,
Экспериментальное исследование фрикционных свойств семян сои, мятки, мезги и жмыха
Важным технологическим показателем зерновой массы является сыпучесть, которая характеризуется углом естественного откоса, статическим и динамическим коэффициентами трения о поверхность какого-либо материала, а также коэффициентом внутреннего трения.
Семена сои и продукты ее переработки являются хорошо сыпучими материалами. Об этом свидетельствуют результаты опытов по определению углов естественного откоса (табл. 3.4). Опыты проводились по стандартной методике [92] методом обрушения при различной влажности.
Результаты опытов показали, что увеличение влажности образцов приводит к возрастанию угла естественного откоса. Одновременно угол естественного откоса сыпучих тел зависит от плотности укладки и формы частиц. Угол трения образцов о различные поверхности также увеличивается с возрастанием влажности. В табл. 3.5 приведены диапазоны изменения углов трения образцов при разном значении влажности от 5 до 15,6 %.
В основе процесса извлечения масла из семян сои является деформация последних под действием силы сжатия. Для установления конкретных величин нами разработана и создана установка (рис. 3.5). Общий вид прибора показан на рис. 3.6. Основными рабочими органами прибора является пуансон, матрица и стакан (рис. 3.7). В матрицу поочередно засыпались с начальной плотностью Р[ семена сои и мятки. Под действием домкрата образцы деформировались. Усилие деформации фиксировалось образцовым динамометром, предварительно оттарированным по стандартной методике, а перемещение пуансона фиксировалось по метрической шкале. Результаты деформации семян сои и жмыха представлены в приложении 2. После деформации образцы извлекались из матрицы и взвешивались. Общий вид образцов, имеющих разную плотность, представлен на рис. 3.8. Анализируя зависимость удельного давления от заданной плотности прессуемых семян сои, можно выделить три области процесса прессования (рис. 3.8) В первой области происходят заметные увеличения плотности семян сои (до 1000-1100 кг/м) при незначительном удельном давлении. Из образцов удаляется воздух, находящийся между частицами, и они вступают в контакт друг с другом. На втором этапе плотность возрастает от 1000 до 1150 кг/м пропорционально росту давления. Из образцов почти полностью вытесняется воздух. Одни частицы вклиниваются в другие. Рассыпной материал превращается в сплошной. В нем происходит деформация, и он становится вязким телом. На третьем этапе происходят незначительные увеличения плотности от 1150 кг/м при весьма быстром увеличении давления. Материал начинает проявлять свойства вязко-упругого тела и при плотности 1100 кг/м начинает выделяться масло. Выравнивание экспериментальных данных по теоретической кривой (компьютерная программа PL Ріс) позволили установить (см. приложение 4), что взаимосвязь между давлением прессования и плотностью семян сои выражено следующей эмпирической зависимостью: Математическая обработка результатов экспериментов позволила найти численные значения коэффициентов сит, входящих в зависимость (2.41). Значения этих коэффициентов для семян сои представлены в табл. 3.6. При теоретическом исследовании была получена зависимость (2.11), определяющая затраты удельной работы по уплотнению семян сои. ила опытным путем подтвердить теоретические выводы и предположения: зависимость давления от плотности, позволяющая установить три области прессования. 2. Физико-механические свойства семян сои Дальневосточного региона в настоящее время изучены недостаточно, нами установлено влияние этих свойств на качественные и энергетические показатели процесса маслоотделения прессованием. 3. Экспериментально установлено, что плотность семян сои, мятки, при влажности не более 15%, имеет несущественные изменения и в расчетах может приниматься постоянной, 4. Экспериментально установлены три области процесса прессования: в первой происходит увеличение плотности семян сои в пределах 1000- -1100 кг/м , во второй плотность возрастает от 1000 до 1150 кг/м пропорционально росту давления; на третьем этапе от 1150 кг/м при быстром увеличении давления. 5. Математическая обработка результатов экспериментального иссле дования позволила определить значения коэффициентов (с) и (т), позволяющих теоретически рассчитать удельную работу прессованием. Сопоставимость экспериментальных и теоретических значений удельной работы прессованием лежит в пределах 5% (0,05).
Экспериментальное исследование процесса маслоотделения прессованием из семян сои на лабораторном стенде
В математическую постановку и решения задач оптимизации процессов включены следующие основные этапы: 1) Подготовка статистических и экономических данных для статистической обработки. 2) Построение математических моделей процессов с определением коэффициента корреляции функций и основных технологических и конструктивных параметров. 3) Формирование функции — критерия оптимальности; математический анализ целевой функции; выбор методов поиска глобального экстремума функции.4) Составление программы расчёта и реализации решения задачи на ЭВМ. Для оценки всего технологического процесса предприятия может быть использован ряд критериев оптимальности. Технологические критерии оптимальности представлены нами как критерии, выраженные через параметры, обеспечивающие вычисление функции без постановки эксперимента для определения качественных показателей целевых продуктов; критерии, представленные параметрами, характеризующие качественные показатели целевых продуктов, численные значения которых определены в результате постановки эксперимента.
Определение оптимальных параметров пресса, на котором осуществляются технологические процессы, произведено на основе блок-схем алгоритма методом Зейделя. После определения оптимальных параметров выделенной системы, решаются задачи динамической оптимизации, т.е. например, определяются оптимальные значения ширины зеерной камеры а, количество зеерных каналов пс, с последующим вводом информации в запоминающее устройство системы оптимального регулирования процесса прессования, находят оптимальные значения количества масла m в зависимости от плотности исходного сырья р, прохождения через зеерную камеру с целью формирования управляющих воздействий системы автоматического регулирования расхода семян сои М. Для получения информации о параметрах объекта на основе математической модели нами использованы аналитические и численные методы моделирования на ЭВМ. По экспериментальным значениям критерия оптимальности, предоставляется возможным определить соответствующие ему наиболее выгодные в технологическом или экономическом плане значения управляющих параметров, таких как, количество масла m после прессования семян сои в шнековом маслоотделяющем прессе. Технологические критерии оптимальности разделены нами на две характерные группы: а) критерии, выраженные через параметры, обеспечивающие вычисление функции без постановки эксперимента для определения качественных показателей целевых продуктов; б) критерии, представленные параметрами, характеризующие качественные показатели целевых продуктов, численные значения которых определены в результате постановки эксперимента. Технологические критерии оптимальности широко используются при решении задач планирования экстремальных экспериментов. Правильный выбор технологического критерия оптимальности с последующей постановкой и решением задач планирования экспериментов позволяет значительно сокращать общую продолжительность экспериментальных исследований при получении высокой точности полученных результатов. Определение оптимальных параметров пресса, на котором осуществляются технологические процессы, произведено на основе блок-схем приведённых ниже. Алгоритмы расчётов содержат следующие основные блоки: 1. Задания исходной информации И. 2. Приближённая оценка вектора выходных переменных Y. 3. Уточнённый расчёт вектора выходных переменных Y0, вариация вектора входных переменных X. 4. Расчёт целевой функции Z . 5. Оптимизация (min Z). Система алгоритмов статического расчёта установок состоит из следующих основных алгоритмов. 1. Алгоритм приближённого расчёта (АПР). 2. Алгоритм уточнённого расчёта (АУР). 3. Алгоритм расчёта зависимостей выходных параметров установки от входных данных (алгоритм расчёта статических характеристик) -АРСХ. 4. Алгоритм расчёта зависимостей технико-экономических критериев эффективности (оптимальности) от независимых параметров -АРКО. 5. Алгоритм оптимизации параметров — АО. Блок схема решения задач установки системы. 1. Алгоритм уточнённого расчёта (АУР) состоит из двух блоков: задания исходной информации и операционного 7, с помощью которого решается система нелинейных уравнений, заданных в явной или неявной форме. Решения производятся итерационными методами. При определении оптимальных параметров проектируемого пресса решаем задачи: а) минимизации длины зеерной камеры; б) максимальный выход масла. При заданной схеме установки эта задача сводится к задачам нелинейного программирования. При небольшом количестве оптимизируемых переменных (например - длины зеерной камеры 1т;п, минимальный расход сырья Мт;п) И Т.Д. (j 5) для определения оптимальных параметров можно использовать алгоритм расчёта статических характеристик. Целесообразно применять схему «отсева» оптимальных значений параметров. Величина критерия оптимальности Zj на і-ом шаге сравнивается с минимальным значением Z, полученном в процессе предшествующих расчётов. Устройство выдаёт на печать минимальное значение критерия эффективности Zmjn и соответствующие оптимальные параметры хоп.
