Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ современного состояния теории, техники и технологии получения масла 12
1.1. Основы теории и обзор техники и технологий производства растительных масел 12
1.2. Анализ существующих математических моделей процессов, происходящих в маслопрессе 40
1.3. Анализ литературного обзора и задачи исследования 44
ГЛАВА 2. Анализ объекта исследования композиций масел из подсолнечника, горчицы, рыжика и кукурузных зародышей 47
2.1. Объекты исследования 47
2.2. Физико-механические и химические свойства семян масличных культур и вторичных продуктов 53
2.3. Исследование подсолнечника, рыжика, горчицы, зародышей кукурузы способом дифференциально-термического анализа 55
2.4 Реологические исследования растительных масел 61
2.5 Изучение реологических характеристик мятки масличных культур 63
ГЛАВА 3. Математическое моделирование процесса отжима масла 67
3.1. Постановка задачи 67
3.2 Вычислительный эксперимент 71
3.3 Математическая модель отжима масла 76
ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования процесса получения растительных масел методом прессования 82
4.1. Экспериментальная установка и методика проведения эксперимента з
4.2. Кинетика процесса получения композиций растительных масел методом холодного прессования 88
4.3 Оптимизация состава композиций растительных масел 96
ГЛАВА 5. Технология получения и комплексная оценка качества композиций масел 104
5.1. Технология получения композиций масел при двухступенчатой переработки масличных культур 104
5.2 Способ получения салатного масла 107
5.3. Определение показателей качества композиции растительных масел 110
5.4. Изучение антиоксидантной активности в композициях растительных масел 113
5.5. Исследование показателя преломления композиции растительных масел 116
5.6. Органолептические показатели качества композиций растительных масел
5.6.1. Определение показателя вкуса композиций растительных масел 117
5.6.2. Определение показателя цвета композиций растительных масел 118
5.6.3 Определение показателя прозрачности композиций растительных масел 119
5.6.4. Определение показателя запаха композиций растительных масел
5.7. Показатели безопасности композиций растительных масел 120
ГЛАВА 6. Разработка новых технологий и оборудования для производства композиций растительных масел 121
6.1 Эксергетический анализ линии комплексной двухступенча той переработки масличных культур 121
6.2. Пресс для получения масла и гранулированного жмыха.. 136
Основные выводы и результаты 139
Литература 141
- Анализ существующих математических моделей процессов, происходящих в маслопрессе
- Исследование подсолнечника, рыжика, горчицы, зародышей кукурузы способом дифференциально-термического анализа
- Кинетика процесса получения композиций растительных масел методом холодного прессования
- Органолептические показатели качества композиций растительных масел
Введение к работе
Актуальность работы. Рынок растительного масла Российской Федерации характеризуется значительным ростом ресурсов масложировой продукции внутреннего производства за счет увеличения перерабатывающих мощностей, площадей посевов и урожайности масличных культур.
По итогам 9 месяцев 2014 года объемы производства растительных масел в стране выросли на 18,8 % в сравнении с аналогичным периодом 2013 года. В частности, выпуск нерафинированных масел увеличился на 24,1 %, а рафинированных – на 9,1 %. В январе–сентябре 2014 года объемы поставок растительного масла за рубеж превысили 1,17 млн т., что на 57,1 % больше, чем за аналогичный период годом ранее.
Центральный федеральный округ занимает второе место по с долей на уровне 31,8 % и объемами производства на 29,2 % превышающими показатели за аналогичный период 2013 года.
В сложившихся экономических условиях в связи со снижением объемов потребления импортных масел и неизбежным ростом цен на импортную продукцию отечественные производители смогут снизить риски от сокращения спроса на внутреннем рынке за счет расширения объемов внутренних поставок.
Купажирование растительных масел является эффективным технологическим приемом достижения заданного соотношения жирных кислот различных типов путем создания многокомпонентных систем из натуральных растительных масел. Данное направление не требует больших финансовых вложений, сложного оборудования и затрат времени, поэтому разработки технологических основ получения смешанных рафинированных и нерафинированных растительных масел с оптимальным или улучшенным составом жирных кислот в настоящее время относятся к наиболее актуальным и перспективным.
Основным резервом существенного наращивания объемов
производства растительного масла в РФ могут стать масличные
культуры, среди которых основная роль отводится традиционно
возделываемому рапсу как озимому, так и яровому
(BrassicanapusL.), горчице (BrassicajunceaL.), подсолнечнику, кукурузе, масличному льну, облепихе, расторопше, рыжику, сое, сафлору.
Исследованием процесса прессования масличного сырья занимались следующие ученые: Е. П. Кошевой, А.А. Схаляхов, А. И. Скипин, Н. С. Арутюнян, В. В. Белобородов, A.M. Голдовский, А. Н. Лисицын, Масликов, Г.В.Зарембо-Рацевич, К.К. Полянский, В.Т. Алымов, Ю.А. Толчинский, А.Ю. Шаззо, B.C. Морозов, Р.В. Торнер и др., а также ряд зарубежных авторов: R.T. Anderson, H.G. Schwartzberg, М.Т. Shirato, V.S. Vadke, F.W. Sosulski, C.A. Shook, G.C. Mrema, P.B. McNulty и др.
Работа проводилась в соответствии с планом НИР кафедры технологии жиров, процессов и аппаратов химических и пищевых производств (ТЖ, ПАХПП) ФГБОУ ВО «ВГУИТ» на 2011-2015 гг. «Разработка новых и совершенствование энергосберегающих технологических процессов и аппаратов в химических и пищевых производствах» (№ гос. регистрации 01.130.2.12440), в рамках гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых (№ МК-2393.2013.4); гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых докторов наук (№ МД-1246.2014.4), также в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» по Соглашению о предоставлении субсидии от 28.11.2014 г. №14.577.21.0139 (уникальный идентификатор научных исследований и экспериментальных разработок RFMEFI57714X0139).
Цель работы – научное обоснование процесса форпрессо-вания масличных культур на одношнековом маслопрессе и разработка композиций растительных масел функционального назначения, сбалансированных по жирнокислотному составу; создание на основе комплексного анализа основных кинетических закономерностей процесса форпрессования совместно с их реологическими характеристиками рекомендаций по совершенствованию технологии производства композиций растительных масел функционального назначения; создание перспективной конструкции
одношнекового маслопресса и технологической линии для комплексной переработки исследуемых видов растительного масличного сырья.
Для достижения поставленной цели решались следующие
основные задачи:
- исследование химического состава и физико-
механических свойств семян подсолнечника, рыжика, горчицы и
кукурузных зародышей;
исследование химического состава, физико-химических свойств и реологических характеристик получаемых масел;
исследование основных закономерностей процесса фор-прессования семян подсолнечника, рыжика, горчицы и кукурузных зародышейи выбор рациональных параметров процесса их переработки;
разработка математической модели процесса форпрессо-вания растительного масличного сырья на одношнековом масло-прессе;
создание и оптимизация рецептуры композиций растительных масел функционального назначения, сбалансированных по жирнокислотному составу;
проведение качественной оценки получаемых композиций растительных масел;
разработка универсальной конструкции маслопресса и технологической линии для комплексной переработки масличных культур;
выполнение энергетической оценки предлагаемой технологической линии для переработки масличных культур посредством эксергетического анализа;
расчет технико-экономической эффективности от внедрения предлагаемой технологии в производство. Выработка опытной партии продукции и проведение дегустации.
Научная новизна. Созданы композиции растительных масел функционального назначения с целью достижения рационального соотношения полиненасыщенных жирных кислот со-6 : со-3 = 10 : 1, необходимых для здорового питания человека.
С помощью метода дифференциально-термического анализа изучен характер связи влаги с масличным сырьем, что позволило определить рациональные температурные режимы форпрессования.
Выявлены основные кинетические закономерности процесса форпрессования масличных культур и определены рациональные параметры процесса их переработки, а именно: частота вращения шнека, величина кольцевого зазора, величина зазора между зеерными пластинами на одношнековом маслопрессе.
Разработана математическая модель, описывающая процесс форпрессования растительного масличного сырья на одношнеко-вом маслопрессе для извлечения масла из семян подсолнечника, рыжика, горчицы и кукурузных зародышей.
Новизна технических решений подтверждена патентами РФ № 2523518, 2560191, 2544377.
Практическая ценность. Доказана целесообразность получения масла из семян подсолнечника, рыжика, горчицы и кукурузных зародышей методом форпрессования.
Определены рациональные параметры процесса форпрес-сования растительного масличного сырья на одношнековом мас-лопрессе. Получены композиции растительных масел функционального назначенияс оптимальным соотношением полиненасыщенных жирных кислот, которые являются незаменимыми для организма человека. Проведено комплексное исследование показателей качества созданных композиций растительных масел функционального назначения.
Выполнен эксергетический анализ технологической системы комплексной двухступенчатой переработки масличных культур, свидетельствующий о термодинамическом совершенстве предлагаемой технологии получения растительных масел.
Разработана оригинальная конструкция одношнекового маслопресса для высоко- и низкомасличных культур. Разработана технологическая линия для комплексной двухступенчатой переработки масличных культур.
Положения, выносимые на защиту:
- результаты экспериментальных исследований основных
закономерностей процесса форпрессования масличного сырья и
разработка метода анализа и принятия решений, включающего
обоснование выбора рациональных технологических параметров
на одношнековом маслопрессе;
- математическая модель извлечения масла из растительно-
6
го сырья с использованием двухзонного шнекового маслопресса, позволяющая рассчитать значения средней продольной скорости в зависимости от давления на входе в зону фильтрования при различных скоростях вращения шнека, влияние давления в зеер-ной камере на отжим масла;
-обоснование высокоэффективной технологии композиций растительных масел функционального назначения с оценкой качества получаемых масел;
-обоснование предлагаемого способа производства композиций растительных масел функционального назначения; подходы по интенсификации процесса форпрессования для повышения его эффективности.
Апробация работы. Материалы и отдельные результаты исследований по теме диссертационной работы докладывались на международных, всероссийских научных, научно-технических и научно-практических конференциях и симпозиумах: (Одесса, 2010); (Воронеж, 2010, 2011, 2012, 2013, 2014); (Новочеркасск, 2011); (Москва, 2013, 2014); (Пермь, 2013); (Алматы, 2014); (Australia, 2014); (Italy, 2014); (Тамбов, 2015); (Иваново, 2015) и на отчетных научных конференциях ВГУИТ (Воронеж, 2011, 2012, 2013).
Результаты работы демонстрировались на региональных, межрегиональных, всероссийских выставках «Воронежский аг-ропром - 2010» (Воронеж, 2010 ), «ВоронежАгро» (Воронеж, 2013), «АгроСезон» (Воронеж, 2014-2015), «Инновационные технологии в производстве кондитерских, хлебобулочных, макаронных изделий и зернопродуктов» (Воронеж, 2014), «Пищевая Индустрия» (Воронеж, 2014); на конкурсах: «Золотой лев», 2010, «Пищевая Индустрия», 2014, «Надежда России», 2011, «Лучший молодой ученый 2013 года», «BIOATLAS 2014», «Лучшая научная статья-2014, 2015», конкурс работников образовательной сферы «Хрустальная сова»,2014, «Инженерные технологии ХХI», 2014, «Лучший изобретатель и лучшее изобретение», 2015, по итогам которых работа награждена дипломами и медалями.
По результатам работы получена премия правительства Воронежской области за лучшую научную разработку (Постановление правительства Воронежской области от 18.12.2013
№ 1108).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, из них 1 монография, 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ и 3 патента РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов и результатов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 158 страницах машинописного текста, содержит 78 рисунок и 35 таблиц. Список литературы включает 135 наименования, в том числе 27 на иностранных языках. Приложения к диссертации представлены на 34 страницах.
Анализ существующих математических моделей процессов, происходящих в маслопрессе
На сегодняшний день масложировой комплекс РФ представляет собой интегрированную систему технологически и экономически взаимосвязанных отраслей и подотраслей растениеводства, перерабатывающей промышленности, торговли и общественного питания, машиностроения для указанных отраслей, а также других отраслей и предприятий АПК, производства и рыночной инфраструктуры, объединенных общей задачей – производством реализацией растительного масла в целях насыщения рынка и удовлетворения нужд государства в этом важном продукте[16,18].
Исторически сложившаяся на рынке масличного сырья монополия подсолнечника на фоне экстенсивного роста его площадей и увеличивающейся год от года урожайности семян не способствовала формированию конкурентного спроса на масличные капустные культуры, делая их производство низкорентабельным и не стимулируя интереса со стороны сельхозтоваропроизводителей. Растущий в настоящее время интерес к масличным культурам, обусловленный увеличением производства и потребления биотоплива в мире, способен привести к значительному изменению структуры посевных площадей в России [20, 47].
Современная технология получения растительных масел включает разнохарактерные воздействия на перерабатываемое масличное сырье.[6, 143, 147, 150] Значительное место в технологии занимают механические процессы. Такие процессы, как очистка семян от примесей, разрушение и отделение плодовых и семенных оболочек от зародыша и эндосперма – ядра, измельчения ядра и промежуточных продуктов его переработки, являются преимущественно механическими, подготавливающими материал к интенсивным физико-химическим превращениям.
Очень важное место в технологии занимают диффузионные и диффузионно-тепловые процессы – кондиционирование семян по влажности, влаготепловая обработка мятка (жарение мезги), экстракция органическими растворителями, отгонка растворителя из мисцеллы и шрота, а также гидромеханические процессы – прессование мезги на шнековых прессах, отстаивание и фильтрация масла[5, 25, 48, 61,77]. Наконец, в последние годы получили применение ферментативные процессы. При обработке мятки препаратами ферментов достигается более глубокое извлечение масла из семян при мягких условиях обезжиривания.
Современный технологический процесс переработки масличных семян состоит из следующих операций: подготовки к хранению и хранения семян, подготовки семян к извлечению масла, собственно извлечения масла методом прямой экстракции или методом прессования и экстракции, первичной и комплексной очистки масла и обработки шрота[78, 153]. Последовательность важнейших операций переработки растительного масличного сырья (рисунок 1.2).
Технология получения растительных масел непрерывно развивается и совершенствуется. Особое внимание уделяется изучению и использованию химических и биохимических процессов, происходящих в масличном сырье под влиянием технологических параметров.
В последние годы все большее внимание уделяется совершенствованию способов обезжиривания масличного сырья при одновременном смягчении технологических воздействий на перерабатываемые семена, а также разработке новых типов технологического оборудования преимущественно большой мощности
Значительный вклад в развитие теории процесса получения и переработки растительных масел внесли такие зарубежные и отечественные ученые, как: Н. С. Ар-утюнян, В. В. Белобородов, А. Н. Лисицын, А. М. Голдовский, В. В. Деревенко, А. И. Скипин, А. П. Нечаев, В. А. Масликов, Г. В. Зарембо-Рацевич, В. П. Кичигин, Е. П. Кошевой, Ю .П. Кудрин, Е. П. Корнена, З .А. Меретуков, В. С. Морозов, Г. Е. Мельник, В. Х. Паронян, В.Г. Щербаков, О.Б. Рудаков, К.К. Полянских, V. S. Vadke, R. T. Anderson, C. A. Shook, H. G. Schwartzberg, M. T. Shirato, F. W. Sosulski, G. C. Mrema, и другие [5, 6, 45, 60, 61, 103, 114, 129, 132, 156].
Эффективно работающий маслопресс должен обеспечивать требуемую производительность и глубокий отжим масла при оптимальных технико-экономических показателях[14, 61, 64, 75, 76, 78]. Маслопресс ПШУ – 4 (рисунок1.3) предназначен для получения растительных масел из семян масленичных культур путём выдавливания с помощью шнеков.
Рабочим органом для измельчения и прессования является шнек, который изготовлен и совмещён с выходным валом.Для передачи крутящего момента от двигателя к валу маслопрес-са установлен редуктор с передаточным отношением 1:25. Двигатель привода пресса для масла однофазный (220 в) конденсаторный.
Загрузочный шнек выполняет функцию измельчения и транспортирует семена в камеру непосредственного прессования. Прессовочная камера включает в себя цилиндр с отверстиями, вал-шнек, конус прессующий и гайку регулировочную.Давление в камере прессования сырья создаётся с помощью крутящегося вал-шнека. Масло в результате прессования вытекает через отверстия в цилиндре прессовочной камеры.
Исследование подсолнечника, рыжика, горчицы, зародышей кукурузы способом дифференциально-термического анализа
На всех кривых (рисунок 2.12) можно выделить три линейных участка (разграниченных конвертиком), которые свидетельствуют о ступенчатом выделении продуктов реакции: – в семенах подсолнечника, при температуре до 353 К идет нагрев и удаление физико-механической влаги, в диапазоне температур 353…496 К наблюдается удаление осмотической влаги, диапазон температур 496…716 К сопровождается высвобождением адсорбционной влаги. При приближении значения температуры к верхней границе диапазона – удаление внутренней осмотической и адсорбционной влаги, при этом возможно частичное или полное разложение семян подсолнечника. – в семенах горчицы, при температуре до 353 К идет нагрев и удаление фи 60 зико-механической влаги, в диапазоне температур 353…473 К наблюдается удаление осмотической влаги, диапазон температур 473…713 К сопровождается высвобождением адсорбционной влаги. При приближении значения температуры к верхней границе диапазона – удаление внутренней адсорбционной и осмотической влаги, при этом возможно частичное или полное разложение семян горчицы. – в семенах рыжика, при температуре до 351 К идет нагрев и удаление физико-механической влаги, в диапазоне температур 351…453 К наблюдается удаление осмотической влаги, диапазон температур 453…713 К сопровождается высвобождением адсорбционной влаги. При приближении значения температуры к верхней границе диапазона – удаление внутренней адсорбционной и осмотической влаги, при этом возможно частичное или полное разложение семян рыжика. – в кукурузных зародышах, при температуре до 347 К идет нагрев и удаление физико-механической влаги, в диапазоне температур 347…486 К наблюдается удаление осмотической влаги, диапазон температур 486…713 К сопровождается высвобождением адсорбционной влаги. При приближении значения температуры к верхней границе диапазона – удаление внутренней адсорбционной и осмотической влаги, при этом возможно частичное или полное разложение семян кукурузы. – в смеси из семян всех вышеперечисленных культур выявлено, что при температуре до 348 К идет нагрев и удаление физико-механической влаги, в диапазоне температур 352…473 К наблюдается удаление осмотической влаги, диапазон температур 473…713 К сопровождается высвобождением адсорбционной влаги. При приближении значения температуры к верхней границе диапазона – удаление внутренней адсорбционной и осмотической влаги, при этом возможно частичное или полное разложение смеси из масличного сырья.
В результате анализа полученных данных были выявлены температурные зоны, в диапазоне которых наблюдается удаление влаги с различной энергией, возникающих при тепловом разложении исследуемых масличных культур.
Качество получаемого готового продукта, а также величина процесса отжима растительного масла зависит от ряда реологических свойств исходного сырья, которые в свою очередь зависят от: давления, создаваемого в маслопрессе; температуры процесса прессования; влажности обрабатываемого сырья; продолжительности процесса прессования [106].
Анализ реологических характеристик исследуемых растительных масел, позволил определить: оптимальные технологические режимы отжима растительного масла, влияние температуры на выход готового продукта и поведение масличного материала внутри рабочей камеры маслопресса [4]. Важнейшей физико-химической характеристикой веществ является вязкость. Молекулярная масса жирных кислот, входящая в состав триглицеридов, определяет вязкость масел и жиров [24, 58, 144, 149]. С увеличением молекулярной массы жирных кислот вязкость увеличивается и снижается с увеличением числа двойных связей. Вязкость натуральных жиров и масел колеблется в относительно узких диапазонах, однако этот показатель имеет существенное значение при установлении природной чистоты жира или масла [130].
Присутствующие в жирах и маслах триглицериды являются основными блоками, которые определяют функциональные свойства. Основными функциями жиров и масел в пищевых продуктах являются смазывающая способность и образование структуры [1, 152]. Смазывающая способность обеспечивает придаваемую мягкость, жирность пищевых продуктов и улучшение органолептических характеристик; она также способствует ощущению сытости после еды [124]. Структурные свойства жиров и масел влияют на консистенцию пищевых продуктов, взбиваемость, обеспечивая аэрирование, намазываемость, характер плавления, удержание влаги, барьерные свойства по отношению к влаге и другие функциональные возможности [74]. Вязкость растительных масел и композиций [58] полученных из них была определена при помощи синусоидального вибровискозиметра серии SV-100 (рисунок 2.13).
Измерение вязкости растительных масел проводилось по следующему способу. Наливали исследуемое масло в чашку так, чтобы уровень поверхности исследуемого масла находился между уровнемерами. Уровнемеры расположены на высоте, соответствующей 35 или 45 мл чашки. Затем устанавливали чашку с образцом на столике по направляющим. Поднимали рычаг, для освобождения сенсорных пластин. Затем сжимали зажимы, придерживая спереди сенсорное устройство и осторожно опуская сенсорные пластины над поверхностью исследуемого растительного масла. Далее опускали рычаг для закрепления сенсорных пластин. Поворачивали рукоятку так, чтобы уровень поверхности исследуемого образца находился в центре узкой части сенсорных пластин. И далее снимали показания с дисплея прибора. Результаты представлены на рисунке 2.14. Рисунок 2.14 - Зависимости вязкости от температуры исходных масел (подсолнечного масла; кукурузных зародышей; рыжикового; горчичного) и полученных композиций
Кинетика процесса получения композиций растительных масел методом холодного прессования
Органолептические показатели качества полученных композиций растительных масел считаются наиболее чувственным методом оценки качества, но результаты этих испытаний не всегда точны и восприимчивы. Чаще всего ухудшение качества готового продукта проявляется в виде привкуса, характеризуемого прогорклостью, который возникает в результате накопления продуктов гидролитического или окислительного процесса разложения [138].
Согласно [30] к органолептическим показателям качества растительных масел относят: цвет, вкус, запах и прозрачность и проводили анализы в соответствии с требованиями ГОСТ 5472-50.
Для определения показателя вкуса берут навеску растительного масла 5-10 см3 в ротовую полость, полностью распределяют по рту, далее выплевывают в посуду для отходов. Комиссия для дегустации, состоящая из опытных дегустаторов, оценивает вкус композиции в соответствии с установленной шкалой интенсивности. Применялась 10-бальная система оценки, и члены дегустационной комиссии определяли количество баллов соответствующее интенсивности вкуса, по которым рассчитывали значение оценки вкуса в баллах [74, 157]. В процессе испытаний были определены вкусовые показатели качества для композиций рас тительных масел, представленных в таблице 5.3.
С точки зрения эстетических соображений контролируют такие показатели как цвет и внешний вид растительных масел, они зависят от вида перерабатываемого масличного сырья, качества готового продукта, а также с восприятия продукта потребителем.
Изменение внешнего вида композиционных масел воспринимается как показатель низкого качества исходного продукта, независимо от причины или влияния на функциональные свойства продукта [151].
Для определения показателя цветности предлагаемых композиций растительных масел использовали метод Вессона. Массу навески масла перемещали в стеклянную пробирку с высотой поглощающего слоя 5,25 мм, затем анализировали пробу и подбирали соответствующий стандарт цвета. Полученные результаты показателя цветности представлены в таблице
Определение показателя прозрачности композиций растительных масел
Показатель прозрачности растительного масла характеризуется отсутствием в масле при температуре 20 С взвешенных частиц и мутности, видимых невооруженным глазом. Отстоявшееся масло считают прозрачным, если оно не имеет взвешенных хлопьев или мути [146].
Прозрачность композиций из растительных масел определяли следующим способом. Навеску композиции масла тщательно перемешивали, доводили до температуры 50 С на водяной бане в течение 27 мин, затем медленно охлаждали до 20 С и перемешивали. Масло навеской 100 см3 наливают в мерный цилиндр и оставляли в покое при температуре 20 С. Масло после отстаивания рассматривали в проходящем и отраженном свете на белом фоне. При исследовании композиций масел в образцах не выявлено присутствия каких-либо посторонних взвешенных частиц или мутности. Таким образом, композиции растительных масел соответствуют требованиям ГОСТ.
Пробу композиции масла помещали тонким слоем на стеклянную пластину и изучали основной запах композиций и наличие постороннего [30]. Результаты проведенных исследований представлены в таблице 5.5. Таблица 5.5 - Запах полученных композиций растительных масел № п/п Вид масла Характеристика 1 Композиция №1 Горьковатый запах свойственный горчице 2 Композиция №2 Специфический запах свойственный рыжиковому маслу 3 Композиция №3 Слегка горьковатый запах, характерный для масел из семейства крестоцветных Согласованность мнений экспертов при определении показателей качества композиций растительных масел оценивали с помощью показателя коэффициента конкордации W, который показывает общую оценку согласованности мнений всех экспертов о ранге одного объекта экспертизы.
Достижения теории, техники и технологии переработки масличных культур подготовили условия для научного подхода к перспективному развитию технологических процессов, обеспечивающих наименьшие затраты энергетических ресурсов при высоком качестве готовых продуктов, в частности, композиционного растительного масла и кормового продукта – экспеллерного гранулированного жмыха.
Для определения возможности направления повышения энергетической эффективности технологических схем необходимо оценивать уровень использования энергетических ресурсов [111].
Важным инструментом оценки термодинамической эффективности технологической системы является эксергетический метод термодинамического анализа [12], перспективный метод оценки термодинамического совершенства теплотех-нологических систем. Этот метод учитывает на основе второго закона термодинамики степень использования различных видов энергии, затрачиваемых в технологических процессах исходя из свойств сырья, осуществленной над системой работы и суммарного количества всех видов энергии, привлеченных извне.
В технологии производства растительных масел тепловые процессы играют важнейшую роль в энергетических и механических превращениях и определяют термодинамическое совершенство системы в целом.
Понятие эксергия и энергия отличаются: энергия определяется фундаментальными свойствами материи, а эксергия характеризует пригодность энергии в данных условиях окружающей среды, параметры которой независимы от воздействия рассматриваемой теплотехнологической системы. Эксергия материального потока – это макисмальное количество полезной работы, которое может быть получено при достижении им состояния равновесия с окружающей средой [131].
Задачей эксергетического анализа является оценка на основе второго закона термодинамики степени термодинамического совершенства технической системы в целом, а также выявление этапов технического процесса, на которых сосредоточены основные потери эксергии, с целью повышения эффективности ее работы. Использование эксергетического анализа позволяет решать широкий круг технических задач на основе унифицированной термодинамической методики.
Эксергетический анализ основан на методике академика Бродянского [12, 107], в соответствии с моделью окружающей среды Шаргута. Теплотехнологиче-ская система переработки масличных культур (рисунок 6.1) условно отделена от окружающей среды замкнутой контрольной поверхностью, а внутри неё с учетом теплообменных процессов выделены контрольные поверхности (таблица 6.1):
Органолептические показатели качества композиций растительных масел
Данные по теплофизическим свойствам воды, пара, сырья, промежуточных и готовых продуктов добавки взяты из справочной литературы [2]. В работе рассмотрено влияние на систему внутренних D1 и внешних De эксергетических потерь. В суммарное количество внутренних эксергетических потерь входят потери от конечной разности температур в результате теплообмена между теплоносителями (паром и водой) и промежуточными продуктами, электромеханические, возникающие при необратимом изменении структурно-механических свойств продукта, и гидравлические потери, обусловленные внезапным увеличением удельного объема пара при его поступлении в рабочую камеру технологического оборудования из подводящих трубопроводов.
Потери, обусловленные конечной разностью температур между потоками, определяли по формуле: т (6.4) где Qто - количество теплоты, переданное от одного потока к другому, кДж; е - среднее значение фактора Карно для двух взаимодействующих потоков. 127 Фактор Карно или эксергетическая температурная функция равна термическому КПД цикла Карно между температурами контрольной поверхности и условно принятой окружающей среды: те=(Ткп-Т0)/Ткп, (6.5) где Ткп - температура теплоносителя внутри контрольной поверхности, К. Эксергетические потери вследствие падения давления пара при его подаче в контрольную поверхность определяли по формуле: Dг=g-AНг-Ткп/Твх (6.6) где Твх - температура, К пара на входе в контрольную поверхность; Нг - гидравлические потери, м. По формуле Дарси-Вейсбаха найдены гидравлические потери при входе теплоносителя в контрольную поверхность: &Нг=&2 g , (6.7) где vвх - средняя скорость прохождения пара по сечению подводящего трубопровода, м/с; - коэффициент сопротивления, определяемый отношением внутреннего объема оборудования, рассматриваемого в качестве контрольной поверхности, к поперечному сечению входного отверстия.
Электромеханические потери эксергии тождественны мощности приводов технологического оборудования, используемого в процессе обработки сырья и промежуточных продуктов.
Внешние потери De связаны с условиями сопряжения системы с окружающей средой. Они обусловлены различием температур теплоносителя и окружающей среды, несовершенством теплоизоляции оборудования. Потери эксергии в окружающую среду, обусловленные несовершенством теплоизоляции были найдены по формуле: De=Qиз-zе, (6.8) 128 где Qиз - суммарные потери тепла в окружающую среду через контрольную поверхность, кДж; те - фактор Карно.
Эксергетические потери готового масла, жмыха и кормовых побочных продуктов при выгрузке из соответствующего оборудования при достижении ими термодинамического равновесия с окружающей средой были вычислены по следующей формуле: Dпр = hпр -hп р-ТQ-с- ln(Тпр / ТІр ) (6.9) где hпр, Тпр - энтальпия, кДж/кг и температура, К продукта, с - средняя удельная теплоемкость продукта между его текущим состоянием в момент выгрузки и в состоянии термодинамического равновесия с окружающей средой, кДж/(кгК).
Оценку термодинамического совершенства теплотехнологической системы переработки масличных культур проводили по эксергетическому КПД, исходя из значения эксергии готовой продукции: ная удельная эксергия (подведенная в систему извне), кДж/кг; Е D- - суммарные эк У=1 сергетические потери, кДж/кг. Обозначение потоков на рисунке 6.3 представлено в таблице 6.2. Эксергия материальных и энергетических потоков, а также внутренние и внешние эксергетические потери, рассчитанные по формулам (6.4 -6.9), составили эксергетический баланс теплотехнологической системы переработки масличных культур (таблица 6.3).
При построении эксергетических диаграмм Грассмана-Шаргута (рисунок 6.3) в качестве абсолютного эксергетического параметра выбрана эксергетическая мощность Е, кДж/ч.
Полученный по формуле (11) эксергетический КПД равен 7,83 %, что на 3,5 выше, чем при использовании технологии-прототипа.
Эксергетический анализ сложной технологической системы комплексной двухступенчатой переработки масличных культур показал ее высокую степень термодинамического совершенства за счет использования отработанных теплоносителей и организации работы системы в замкнутом цикле.