Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Функционально-структурный анализ технологических систем линий производства растительных масел 15
1.1 Анализ на уровне мегамасштаба блочной технологической системы производства растительных масел 18
1.2 Анализ на уровне макромасштаба модульной технологической системы линий производства растительных масел 25
1.3 Анализ на уровне мезомасштаба операторных моделей технологических систем линий для переработки семян подсолнечника и сои 35
1.3.1 Анализ операторной модели технологической системы линии для переработки семян подсолнечника 36
1.3.2 Анализ операторной модели технологической системы линии для переработки семян сои 47
1.4 Анализ на уровне мезомасштаба операторных моделей маслоэкстракционных линий 53
1.4.1 Анализ операторной модели технологической системы маслоэкстракционной линии НД-1250 54
1.4.2 Анализ операторных моделей технологических систем маслоэкстракционных линий Де-Смет и Европа-Краун 63
1.5 Структурная схема исследований 80
Глава 2 Совершенствование и разработка высокоэффективных процессов и технологического оборудования для переработки семян подсолнечника и сои 84
2.1 Совершенствование и разработка процесса центробежного обрушивания и конструкции центробежной рушки для обрушивания подсолнечных и соевых семян 86
2.1.1 Функционально-структурный анализ на уровне микромасштаба аппаратурно-технологической подсистемы центробежного обрушивания... 87
2.1.2 Математическое моделирование движения семянки в роторе центробежной рушки 94
2.1.3 Энергетическая эффективность центробежной рушки 99
2.1.4 Влияние конструктивно-технологических параметров на эффективность функционирования центробежной рушки при обрушивании гибридных семян подсолнечника и сои 107
2.1.5 Методика расчета основных параметров центробежной рушки 114
2.1.6 Совершенствование и разработка центробежной рушки, рекомендации по ее использованию 115
2.2 Совершенствование и разработка процесса отделения лузги воздушным потоком и конструкций аспирационнои камеры семеновеечнои машины и аэросепаратора 119
2.2.1 Функционально - структурный анализ на уровне микромасштаба аппаратурно-технологической подсистемы отделения лузги воздушным потоком 122
2.2.2 Математическое моделирование движения частичек рушанки по рабочим элементам аспирационнои камеры и аэросепаратора 128
2.2.3 Влияние конструктивно-технологических параметров на эффективность функционирования аэросепаратора при отделении лузги из перевея воздушным потоком 143
2.2.4 Методика расчета основных параметров аспирационнои камеры семеновейки 148
2.2.5 Совершенствование конструкций аэросепаратора и семеновеечнои машины, рекомендации по их использованию 150
2.3 Совершенствование и разработка процесса и установки ИК термообработки соевой рушанки для инактивации антипитательных веществ 154
2.3.1 Функцонально-структурный анализ на уровне микромасштаба аппаратурно-технологической подсистемы ИК облучения масличного материала 156
2.3.2 Экспериментальные исследования процесса ИК облучения соевой рушанки 158
2.3.3 Рациональные значения конструктивно-технологических параметров ИК установки для облучении соевой рушанки 163
2.3.4 Развитие методики инженерного расчета установки ИК термообработки соевой рушанки для инактивации антипитательных веществ 169
2.3.5 Разработка установки с ИК энергоподводом и рекомендации по ее использованию 170
2.4 Совершенствование и разработка процесса переработки ядровой фракции семян подсолнечника и соевой рушанки в двухшнековом пресс-экструдере и его конструкции 174
2.4.1 Функционально-структурный анализ на уровне микромасштаба аппаратурно-технологической подсистемы процесса переработки масличного материала в двухшнековом пресс-экструдере 176
2.4.2 Экспериментальные исследования работы двухшнекового пресс-экструдера 181
2.4.2.1 Обоснование экспериментально-статистического метода проведения исследования 181
2.4.2.2 Экспериментальные исследования процесса переработки ядровой фракции семян подсолнечника в двухшнековом пресс-экструдере 182
2.4.2.3 Экспериментальные исследования процесса переработки соевой рушанки в двухшнековом пресс-экструдере 190
2.4.2.4 Потребляемая мощность при переработке ядровой фракции семян подсолнечника и соевой рушанки в двухшнековом пресс-экструдере 197
2.4.3 Развитие методики инженерного расчета двухшнекового пресс-экструдера для отжима масла из масличного материала 200
2.4.4 Совершенствование двухшнекового пресс-экструдера и рекомендации по его использованию 201
Глава 3 Совершенствование и разработка универсальной и высокоэффективных схем линий производства растительных масел отжимом 207
Глава 4 Разработка математических моделей аппаратов маслоэкстракционного производства и оптимизация параметров технологического процесса 217
4.1 Уточненная математическая модель ленточного экстрактора 217
4.2 Математическое моделирование вертикального кожухотрубного аппарата предварительной дистилляции, обогреваемого вторичными парами тостера 223
4.3 Математическое моделирование основных и вспомогательных процессов и аппаратов маслоэкстракционного производства 243
4.4. Оптимизация параметров технологического процесса маслоэкстракционных линий 244
Глава 5 Совершенствование и разработка ресурсосберегающих процессов, аппаратов и схем линий маслоэкстракционного производства 250
5.1 Способ рекуперации теплоты жмыха 250
5.2 Совершенствование и разработка многофункционального тарельчатого аппарата и вертикально-шнекового экстрактора 254
5.3 Разработка энерготехнологической установки для утилизации сточных вод маслоэкстракционного производства 263
5.4 Разработка технических решений исключающих рециклические потоки мисцеллы в маслоэкстракционных линиях НД-1250 и МЭЗ-350 266
5.5 Разработка схемы раздельной конденсации паров растворителя и воды 270
5.6 Разработка ресурсосберегающей схемы линии маслоэкстракционного производства 273
Заключение ...276
Список использованных источников 280
- Анализ на уровне макромасштаба модульной технологической системы линий производства растительных масел
- Влияние конструктивно-технологических параметров на эффективность функционирования центробежной рушки при обрушивании гибридных семян подсолнечника и сои
- Совершенствование и разработка универсальной и высокоэффективных схем линий производства растительных масел отжимом
- Математическое моделирование вертикального кожухотрубного аппарата предварительной дистилляции, обогреваемого вторичными парами тостера
Введение к работе
Производство растительного масла является динамически развивающейся отраслью пищевой промышленности. Это обусловлено возрастающим спросом на растительные масла, связанным с современными требованиями здорового питания и расширяющейся номенклатурой производимой из них продуктов. С другой стороны вступление РФ в ВТО приведет к жесткой конкуренции на российском рынке продуктов питания, в том числе и масложировой продукции. Поэтому эффективное функционирование предприятий отрасли возможно только в том случае, если производимая ими продукция не будет уступать импортным аналогам, а применяемые процессы, оборудование и технологические линии станут высокоэффективными, ресурсосберегающими, отвечающими требованиям промышленной и экологической безопасности.
В РФ переработку масличных семян осуществляют 59 предприятий большой и средней мощности, а также около 1200 маслозаводов малой мощности, на которые приходятся до 20 % от всего объема масличных сырья. Эксплуатируемое технологическое оборудование на большинстве предприятий является низкоэффективным, энергоемким и металлоемким.
В этих условиях решение проблемы базируется на разработке и внедрении высокоэффективных процессов и конкурентоспособной промышленной аппаратуры для производства растительного масла. Поэтому актуальным является научное обоснование разработки и создания ресурсосберегающих процессов, конкурентоспособной промышленной аппаратуры и технологических линий с учетом их сложного взаимодействия между собой и с окружающей средой с привлечением методов системного анализа, математического и физического моделирования.
Большой вклад в области теории, совершенствования и разработки процессов, оборудования и технологических линий для производства растительных масел внесли В.В. Ключкин, В.В. Белобородов, Е.Н. Константинов, Е.П. Кошевой, В.А. Масликов, А.Г. Сабуров, И.М. Василинец, А.Н. Лисицин, А.А. Арти 8 ков, А.Ф. Сафаров, А.Ф. Залетнев, А.К. Фют и ряд других ученых. И в настоящее время вопросы разработки высокоэффективных процессов и создания ресурсосберегающих аппаратурно-технических решений остаются в центре внимания ведущих специалистов и ученых отрасли, как в России, так и за рубежом.
Целью работы является научное обоснование разработки ресурсосберегающих процессов производства растительных масел и создание конкурентоспособной промышленной аппаратуры, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие экономики страны.
В соответствии с поставленной целью сформулированы следующие задачи исследования.
1. Провести системный анализ сложного и многоуровневого производства растительного масла. На всех уровнях иерархии определить и обосновать направления разработки ресурсосберегающих процессов и аппаратурно-технических решений по переработке подсолнечных и соевых семян.
2. На уровне мегамасштаба проанализировать взаимодействие предприятия с окружающей средой и разработать технические решения по созданию установок и аппаратов для бессточного производства и снижения теплового загрязнения биосферы.
3. На уровне макромасштаба проанализировать структуру производства растительного масла, обосновать, разработать и внедрить ресурсосберегающие аппаратурно-технические решения для основных подсистем и установок. Разработать математическую модель сложной технологической системы маслоэкс-тракционного производства, включающую модели аппаратов подсистем экстракции масла, дистилляции мисцеллы и регенерации растворителя, и выполнить оптимизацию параметров технологического процесса. Разработать ресурсосберегающую схему технологической линии маслоэкстракционного производства.
4. На уровне мезомасштаба разработать технические решения по устранению рециклических потоков перевея семеновеечной машины и мисцеллы по контуру экстрактор - очистка мисцеллы - экстрактор, а также по раздельной конденсации паров растворителя и воды.
5. Обосновать, спроектировать и внедрить универсальную и эффективную технологическую линию переработки семян подсолнечника и сои для заводов малой мощности.
6. На уровне микромасштаба:
- разработать математическую модель движения семянки в роторном устройстве центробежной рушки (ЦБР) с учетом особенностей износа рабочих лопаток, изучить закономерности обрушивания подсолнечных и соевых семян, разработать и внедрить эффективные ЦБР;
- разработать математическую модель движения частичек рушанки по наклонной поверхности рабочих элементов в потоке воздуха, разработать и внедрить конструкцию эффективного аэросепаратора для отделения лузги из пере-вея, усовершенствовать конструкцию семеновеечной машины Р1-МС-2Т;
- разработать статистические модели процесса ИК термообработки рушанки соевых семян для инактивации антипитальных веществ, определить оптимальные параметры технологического процесса и разработать установку с ИК энергоподводом;
- разработать регрессионные модели процесса переработки ядровой фракции семян подсолнечника и соевой рушанки в двухшнековом пресс экструдере, определить оптимальные параметры режима, усовершенствовать и внедрить конструкцию пресс-экструдера.
7. Разработать способ и многофункциональный тарельчатый аппарат для рекуперации тепловой энергии жмыха, а также усовершенствовать экстрактор НД-1250.
Научная концепция. В основу научной методологии обоснования и разработки ресурсосберегающих процессов и конкурентоспособной промышленной аппаратуры положен системный подход, использующий логически взаимосвязанные методы анализа многоуровнего производства растительных масел, выявления и изучения инновационных проблем на всех уровнях иерархии, применения математического и физического моделирования для решения поставленных задач, широкого внедрения в производство ресурсосберегающих процессов и конкурентоспособной промышленной аппаратуры с реализацией в технических и охранных документах.
Научная новизна. В процессе проведенных исследований установлены следующие положения, результаты и закономерности.
Научно обоснована эффективность применения методов системного подхода, физического и математического моделирования к иерархической системе производства растительного масла, обеспечивающих ресурсосбережение, в том числе.
Развиты научные представления по динамике движения семянки в роторном устройстве ЦБР на основании экспериментальных и теоретических исследований, которые базируются на разработанной математической модели, учитывающей чередование стадии косого удара и стадии движения под действием центробежной и кориолисовой сил и силы сопротивления движущегося воздуха. Определено влияние конструктивно-технологических параметров на эффективность функционирования ЦБР при обрушивании производственных смесей, как гибридных семян подсолнечника, так и сои.
Углублены научные представления о механизме движения частичек ру-шанки вверх и вниз по поверхности рабочих элементов аспирационной камеры семеновеечной машины и аэросепаратора на основании экспериментальных исследований и разработанной математической модели, учитывающей начальную скорость частички, угол наклона полочек, силы тяжести, трения и сопротивления воздушного потока. Полученные результаты позволили установить параметры процесса и элементов конструкции оборудования для эффективного разделения фракций.
Разработана математическая модель процесса ИК термоподготовки ру-шанки соевых семян для инактивации антипитательных веществ, использованная для определения рациональных параметров процесса и конструкции рабочих элементов установки с ИК энерготодводом.
Разработана математическая модель процесса переработки ядровой фракции семян подсолнечника и соевой рушанки в двухшнековом пресс-экструдере усовершенствованной и разработанной конструкций, на основании которой установлены оптимальные параметры технологического режима и потребляемой мощности.
Развиты представления о физической картине процесса гетерогенной конденсации паров воды и гексана в присутствии воздуха и её изменения по высоте вертикальных теплообменных труб. Разработана математическая модель вертикального кожухотрубного аппарата дистилляции первой ступени, обогреваемого вторичными парами тостера, с учетом тепломассообмена в трех-компонентной смеси при гетерогенной конденсации в присутствии неконденсирующегося компонента.
Разработана математическая модель маслоэкстракционного производства, как сложной технологической системы, в том числе математические модели аппаратов подсистем экстракции масла, дистилляции мисцеллы и регенерации растворителя, с использованием которой установлены оптимальные параметры рабочего режима маслоэкстракционных линий НД-1250, Де-Смет и Европа-Краун.
Развиты положения по ресурсосбережению, которые реализованы в разработанной схеме линии маслоэкстракционного производства, включающей следующие новые технические решения: способ и многофункциональный тарельчатый аппарат для рекуперации тепловой энергии жмыха; энерготехнологическую установку для полной утилизации сточных вод маслоэкстракционного цеха; схему раздельной конденсации паров растворителя и воды; устранение рециклического потока мисцеллы по контуру экстрактор - очистка мисцеллы -экстрактор.
Практическая значимость. В результате проведенных исследований разработаны универсальная линия и технологическое оборудование переработки масличных семян, удостоенные двух золотых медалей на VII Московском международном салоне промышленной собственности «АРХИМЕД-2004» и V Московском салоне инноваций и инвестиций, Москва 2005 г.; серебряной - на Всероссийской выставке - ярмарке научно-исследовательских работ «ИННОВ-2003» в Новочеркасске 2003 году и двух бронзовых - на Российской агропромышленной выставке «Золотая осень» в номинации «Прогрессивные виды техники для АПК», Москва 2002 и 2005 гг. Разработаны и усовершенствованы ЦБР, семеновеечная машина Р1-МС-2Т, аэросепаратор, оборудование с ИК энергоподводом и двухшнековый пресс-экструдер (свидетельства и патенты на полезные модели РФ № 4531, № 4748, № 6797, № 13488, № 13899, № 15476, № 18711, № 25006, № 27593, № 32109 и патент на изобретение РФ № 2103336).
Разработаны способы переработки семян подсолнечника и сои с отжимом масла на двухшнековом пресс-экструдере (патенты на изобретения РФ № 2125086 и №2165959).
Разработаны энергосберегающий способ рекуперации тепловой энергии жмыха (пат. на изобретение № 2027746) и конструкция многофункционального аппарата для его осуществления (пат. на полезную модель № 39136).
Разработана энерготехнологйческая установка для полной утилизации сточных вод маслоэкстракционного цеха (пат. на полезную модель № 52393).
Конкурентоспособность разработок подтверждена следующими внедрениями: центробежные рушки и аэросепараторы - на ОАО «Аткарский МЭЗ», ООО «Светлоградский МЭЗ», ОАО «Орловском маслозоводе», ООО «Светлый путь» ст. Платнировская, ООО «Изба-Агро-Сервис» р\ц Верхний Мамон, ООО «Курень» с. Кочубеевское Ставропольского края, ООО «Анкор-Агро» г. Кропоткин, ООО «Арчединская группа» г. Фролово Волгоградская обл; модернизированная конструкция экстрактора НД-1250 (пат. на изобретение № 1833631) - на маслоэкстракционных заводах в г. Усть-Лабинск, Ереван, Мелитополь, Миллерово, Бийск, с. Богатое и др; линия рекуперации теплоты вторичных паров тостера - на Бельцком МЖК и ЗАО «Бийский МЭЗ»; схема усовершенство-ваной структуры линий НД-1250 и МЭЗ-350 (а.с. № 1479493 , пат. на пм № 30748) - на Невинномысском МЭЗе и ЗАО «Бийский МЭЗ»; линия раздельной конденсации паров растворителя и воды (пат. на пм № 45138) принята к внедрению на ЗАО «Бийский МЭЗ» и ОАО «Комбинат растительных масел» г. Ва-луйки; универсальная линия переработки масличных семян - на маслоцехах ООО КМП «Авангард» ст. Смоленская Краснодарского края, 000 «Виконт» г. Балаково Саратовская область и 000 «Пром-Инвест» с. Петропавловка Воронежской области.
Серийное производство двухшнекового пресс-экструдера (св. на пм № 18711) осуществляет ОАО «Эртильский литейно-механический завод» Воронежской области. Серийный выпуск центробежных рушек (св. на пм № 4531, № 27593) и аэросепаратора (св. на пм № 13488) производят машиностроительные заводы ОАО «Содружество» и 000 «Селена» г. Краснодар.
Продано предприятиям отрасли 11 лицензий на право использования патентов на изобретения и полезные модели (№ 2125086; № 4748; № 13488; № 18711).
Результаты исследований используются в учебном процессе при чтении лекций по дисциплинам «Технологическое оборудование отрасли» для студентов специальности 270700 - Технология жиров, эфирных масел и парфюмерно-косметических производств и «Технологические линии АПК» по специальности 190603 - Сервис транспортных и технологических машин и оборудования (пищевая и перерабатывающая промышленность), а также в курсовом и дипломном проектировании.
На защиту выносятся следующие положения:
- результаты системного анализа сложного и многоуровневого производства растительного масла, а также научное обоснование разработки ресурсосберегающих процессов и технологического оборудования для переработки подсолнечных и соевых семян;
- разработанная математическая модель движения семянки в роторном устройстве центробежной рушки (ЦБР) с учетом особенностей износа рабочих лопаток, закономерности обрушивания подсолнечных и соевых семян и созданные эффективные ЦБР; - разработанная математическая модель движения частичек рушанки по наклонной поверхности рабочих элементов в потоке воздуха, закономерности отделения лузги воздушным потоком, а также созданная конструкция эффективного аэросепаратора для её отделения и усовершенствованная конструкция семеновеечной машины Р1-МС-2Т;
- разработанная статистическая модель процесса РЖ облучения рушанки соевых семян для инактивации антипитальных веществ, рациональные параметры рабочего режима и разработанные конструкции установок с ИК энергоподводом;
- разработанные регрессионные модели процесса переработки ядровой фракции семян подсолнечника и соевой рушанки соответственно в разработанной и усовершенствованной конструкциях двухчервячных пресс-экструдеров, на основании которых установлены оптимальные параметры технологического режима и потребляемой мощности;
- созданное технологическое оборудование универсальной линии переработки семян подсолнечника и сои для заводов малой мощности;
- разработанная математическая модель сложной системы маслоэкс-тракционного производства, включающая модели аппаратов подсистем экстракции масла, дистилляции мисцеллы и регенерации растворителя, а также результаты оптимизации технологического процесса;
- разработанная схема ресурсосберегающей маслоэкстракционной линии, включающая следующие разработанные технические решения:
- способ и многофункциональный тарельчатый аппарат для рекуперации тепловой энергии жмыха, а также усовершенствованный экстрактор НД-1250;
- энерготехнологическую установку для полной утилизации сточных вод маслоэкстракционного цеха;
- схему раздельной конденсации паров растворителя и воды;
- устранение рециклического потока мисцеллы по контуру экстрактор -очистка мисцеллы - экстрактор.
Анализ на уровне макромасштаба модульной технологической системы линий производства растительных масел
На уровне макромасштаба основные направления по совершенствованию и разработке ресурсосберегающих установок и технологических линий для производства растительного масла определены их степенью технического совершенства. Для решения поставленных задач необходимо, во-первых, проанализировать структуру технологической системы производства растительного масла на модульном уровне, обосновать, разработать и внедрить технические решения по ресурсосбережению основных установок и линий. Во-вторых, разработать математическую модель сложной системы маслоэкстракционной линии, включающую модели аппаратов подсистем экстракции масла, дистилляции мисцеллы и регенерации растворителя, и выполнить оптимизацию параметров рабочего режима. В третьих, разработать ресурсосберегающую схему линию МЭП. В четвертых, разработать технические решения, исключающие в системе обратные связи, что повысит ее структурную целостность. При этом за счет уменьшения числа элементов и упрощения связей между ними обеспечивается увеличение степени однородности структуры линий. Такие задачи последовательно распространяются и на уровень мезомасштаба.
Рассмотрим на уровне макромасштаба модули и межмодульные прямые и обратные связи между ними в блоках 1 и 2 технологической системы получения растительного масла из семян подсолнечника по типовой схеме [288].
С учетом функционального назначения блок 1 целесообразно расчленить на три подсистемы - модули А, В и С (рисунок 1.3).
Модуль А - подготовка маличных семян к отжиму масла - объединяет комплекс технологических операций, представляющих совокупность классов механических явлений [34], и включает следующие основные и вспомогательные стадии: производственную очистку масличных семян от сорных примесей, обрушивание семян, отделение плодовой оболочки из рушанки, измельчение ядровой фракции и контроль целяка и недоруша, перевея и лузги на ситах и в воздушном потоке.
Модуль В - извлечение масла отжимом - является центром подсистемы (блока 1), в котором осуществляются самые сложные по стабильности функционирования процессы. Он включает следующие базовые технологические операции: влаготепловую обработку мятки с доведением ее до 100—105С, теп-лофизической основой которой являются закономерности влаго- и теплопере-носа, и отжим масла - гидромеханический процесс.
Вспомогательные технологические операции по первичной очистке растительного масла - отстаивание с механизированной выгрузкой осадка, фильт рование и охлаждение масла - это гидромеханические и теплообменные процессы без изменения агрегатного состояния вещества.
Модуль С - подготовка масличного материала к экстракции - включает следующие этапы: дробление жмыха, кондиционирование, гранулирование и охлаждение до 50-55С - механические, влаго- и теплообменные процессы.
На маслоэкстракционных линиях Де-Смет и Европа-Краун, а также на некоторых линиях НД-1250, эксплуатируемых в РФ, осуществляют переработку крупки размером не более 15 мм, которую получают дроблением жмыха в дробилках. В этом случае модуль С при графическом изображении операторной модели заменяем на технологический оператор - дробление жмыха.
Главный технологический поток - масличный материал - в процессе переработки в модуле В преобразуется в два разветвленных потока: масло и жмых с температурой 100-105С.
При переработке семян подсолнечника, сои и рапса на заводах малой мощности с получением конечных продуктов в виде прессового масла и жмыха технологические этапы осуществляют в блоке 1 по схеме модулей А и В, температура конечных продуктов достигает 115-120С, что значительно ухудшает их качество [72, 287, 331]. Упрощенную схему переработки семян подсолнечника - без отделения плодовой оболочки - не рассматриваем, как не имеющую перспективы. Как видно (рисунок 1.3), обратные связи отсутствуют. Блок 2 (рисунок 1.4) состоит из следующих основных модулей: А - экстракция масла, В - дистилляция масляной мисцеллы, С - регенерация растворителя, D - отгонка растворителя из шрота. Рассмотренная модульная функционально-структурная схема характерна для всех маслоэкстракционных линий. Характеристика связей потоков представлена в таблице 1.2.
Для модуля А - экстракция масла - характерны процессы массообмена путем диффузии в среде масличный материал-растворитель (мисцелла) и теплообмена без изменения агрегатного состояния вещества.
Влияние конструктивно-технологических параметров на эффективность функционирования центробежной рушки при обрушивании гибридных семян подсолнечника и сои
В качестве объекта обрушивания использовались производственная смесь гибридных семян подсолнечника с влажностью 7,4% и производственная смесь соевых семян с влажностью 8,8%. Проведение производственных и стендовых испытаний осуществлялось на разработанной центробежной рушке марки МРЦ-5 [92, 98]. Соевые семена были подсушены в производственных условиях до указанного уровня влажности, обеспечивающего при их обрушивании наиболее полное отслоение оболочки от частичек рушанки, согласно технологических требований переработки.
Исследовали влияние производительности ЦБР марки МРЦ-5 на фракционный состав получаемой рушанки гибридных семян подсолнечника и сои. Минимальная и максимальная производительности ЦБР составили соответственно 0,46 - 2,03 тонны в час для семян подсолнечника при рабочей частоте вращения роторного устройства 2060 об/мин и 0,58 - 2,92 тонны в час для соевых семян при «=1610 и 2060 об/мин.
Графические зависимости фракционного состава рушанки гибридных семян подсолнечника при различной производительности и «=2060 мин"1 представлены на рисунках 2.1.10-2.1.13, производственной смеси соевых семян -рисунках 2.1.14 -2.1.17.
Как видно из рисунков 2.1.10 - 2.1.11 увеличение производительности приводит к снижению содержания свободной лузги, масличной пыли и сечки. При этом увеличивается содержание недоруша, целяка и целого ядра в рушанке. Вместе с тем повышение производительности лимитируется увеличением фракций целяка и недоруша и снижением содержания свободной лузги в рушанке. В качестве основного фактора приняли достижение максимальной производительности с ограничением величины содержания свободной лузги в рушанке (не более 11%), что обусловлено технологическими требованиями по содержанию протеина в жмыхе (не менее 36%). Для рушки марки МРЦ-5 эта производительность составляет 1,3 тонны в час (рисунок 2.1.10). На рисунке 2.1.12 представлена зависимость процентного содержания целяка и недоруша от их размеров в получаемой рушанке при производительности рушки 2,03 тонны/час. Наибольшее процентное содержание целяка и недоруша соответствует сходовым фракциям с сита диаметром 3 и 4 мм. Таким образом, основное количество целяка и недоруша будет поступать в ядровую фракцию, получаемую на аспирационной семеновеечной машине. Сходовые фракции семянок подсолнечника с сита диаметром 3 и 4 мм имеют меньшую массу, чем семянки сходовых фракций сит большего диаметра. Поэтому при обрушивании мелкой фракции получается больше недоруша и целых семян.
Как видно из рисунка 2.1.13 в получаемой рушанке чем больше линейные размеры частичек лузги, тем меньше их количество (в %). В связи с этим, на следующем технологическом этапе при отделении лузги из рушанки в аспирационной камере семеновейки наибольшая нагрузка по свободной лузге будет приходиться на аспирационные каналы, в которые поступают сходовые фракции рушанки с сита диметром 3 и 4 мм, что необходимо учитывать при ее совершенствовании.
При обрушивании семян сои на ЦБР, как видно из рисунков 2.1.14 и 2.1.15, с увеличением производительности снижается содержание в соевой рушанке основных фракций: половинок, четвертинок, восьмиринок и проходовой фракции через сито 3 мм, при этом увеличивается содержание целых семян сои, а количество свободной плодовой оболочки практически остается постоянным. На рисунках 2.1.16 и 2.1.17 представлены зависимости процентного содержания от гранулометрического состава фракций в соевой рушанке. Как видно, изменение процентного содержания фракций в рушанке при частоте вращения ротора 2060 и 1610 об/мин в целом носят общий характер, но имеются некоторые отличия. Прежде всего это касается фракции половинок, количество которых с увеличение частоты вращения ротора резко снижается для сходовых фракций с сита диаметром 6 мм. Увеличение процентного содержания сходо-вой фракции с сита диаметром 5 мм происходит при п=2060 об/мин. Процентное содержание половинок сходовых фракций с сита диаметром 4 мм практически одинаковы.
Следует отметить, что при частоте вращения роторного устройства п=1610 об/мин содержание свободной плодовой оболочки в рушанке составляет около 75% общего ее количества и приходится на сходовые фракции с сит диаметром 3, 4 и 5 мм. При п=2060 об/мин содержание свободной плодовой оболочки в рушанке снижается до 60% от общего ее количества и приходится на проходовую фракцию через сито диаметром 3 мм, из которой плодовую оболочку практически выделить невозможно. Эта особенность имеет важное практическое значение, так как позволяет подобрать сита необходимые для калибровки рушанки. Поэтому на этапе отделения плодовой оболочки воздушным потоком из калиброванной рушанки достигается наибольший эффект удаления аэроуносимых примесей.
Процентный состав фракций четвертинок и восьмиринок в получаемой рушанке после ЦБР при различных частотах вращения роторного устройства имеет небольшие различия, а заметные отличия наблюдаются только для сходовых фракций с сита диаметром 5 мм (рисунки 2.1.16,2.1.17).
Результаты исследований процесса обрушивания соевых семян в центробежной рушке марки МРЦ-5 показали эффективность ее применения. Для получения в рушанке большего содержания свободной плодовой оболочки в сходовых фракциях с сит диаметром 3, 4 и 5 мм, рекомендуется частоту вращения роторного устройства поддерживать равной 1610 об/мин при производительности рушки 50 тонн в сутки по семенам сои. В этом случае свободную плодовую оболочку из этих сходовых фракций реально можно выделить в аспирационной камере семеновеечной машины.
Совершенствование и разработка универсальной и высокоэффективных схем линий производства растительных масел отжимом
Существующие непрерывные технологические линии получения растительного масла из семян подсолнечника, сои и другого маслосодержащего материала являются моно продуктовыми согласно классификации [135], так как позволяют производить только соответствующие сырью виды растительного масла (подсолнечного, соевого и другого) и жмых. С учетом сложившейся производственной инфраструктуры (количество маслопрессовых заводов малой мощности составляет около 1200 предприятий), высокой конкурентной борьбы между предприятиями за рынки сбыта и сырья, а также намеченного вступления РФ в ВТО, возникла острая необходимость реконструкции существующих предприятий малой мощности путем разработки и внедрения новых ресурсосберегающих технологических линий по переработке маслосодержащего сырья с получение высококачественного масла и жмыха [256, 257], а также высокоэффективного оборудования, обеспечивающего переработку различного маслосодержащего материала при минимальной их переналадке. Такие линии будут являться много продуктовыми (с последовательным производством) и иметь либо совмещенную - с полным совпадением технологических маршрутов, либо гибкую, т.е. с возможностью изменения технологической структуры. В состав этой линии входит эффективное оборудование. При этом система будет обладать упрощенной структурой, устойчивостью и интегрированностью.
В данном типе систем предусматриваются различные виды и уровни гибкости [135]. Технологическая гибкость - возможность поддерживать процессы в широком интервале режимных параметров. Конструктивная гибкость - возможность быстрого изменения параметров рабочих органов в соответствии с изменяющимися свойствами перерабатываемого масличного материала. Структурная гибкость - изменение последовательности операций обработки и их на бора путем, например, перекоммутации аппаратурно-технологической подсистемы (АТП).
Разработанное оборудование универсальной линии, реализует следующие базовые технологические этапы: центробежное обрушивание, отделение плодовой оболочки, термоподготовку ИК облучением и отжим масла в двухшнеко-вом пресс-экструдере.
Для оценки технологической гибкости оборудования использовали информацию о интервалах варьировании режимных параметров, на которые рассчитана данная подсистема. Гибкость по отдельному і-му технологическому параметру рассчитывали по следующей зависимости [135]: где Ах, - интервал варьирования данного параметра; Ахтахі - максимально возможное изменение данного параметра определяемое технологическими условиями.
Результаты расчетов по зависимости (116) для подсистем центробежного обрушивания, отделения плодовой оболочки, термоподготовки с ИК-энергоподводом и отжима масла в двухшнековом пресс-экструдере представлены в приложении 3. Наибольшим запасом технологической гибкости обладает подсистема отжима масла в двухшнековом пресс-экструдере, а наименьшей центробежное обрушивание. Это связано с одной стороны разным количеством изменяемых параметров, т.е. чем их больше, тем больше технологическая гибкость. С другой стороны обусловлено различными требованиями к стабилизации режимных параметров на оптимальных для данного вида маслосодержаще-го сырья уровнях. Имеющиеся уровни технологической гибкости достаточны для адаптации этих стадий к возможному изменению свойств входного сырьевого потока. Критерий технологической гибкости подсистемы определили по формуле [135]
На рисунке 3.1 представлена принципиальная схема универсальной линии получения растительных масел из масличного сырья, состоящая из следующих технологических этапов: 1 - центробежное обрушивание; 2 - отделение плодовой оболочки; 3 - термоподготовка; 4 - отжим масла в двухшнековом пресс-экструдере. Возможны следующие варианты переработки маслосодер-жащего материала. Первый вариант предусматривает переработку семян подсолнечника и сои по разработанному автором способу [256, 257], состоящий из последовательных этапов 1-2-3-4. Второй вариант реализует переработку без отделения плодовой оболочки такого маслосодержащего сырья такого как рапс и кукурузные зародыши по следующим этапам 3-4. Третий вариант предназначен для переработки виноградных косточек по этапам 1-3-4. Четвертый и пятый варианты представляют возможную переработку подсолнечных семян соответственно по этапам 1 - 4 и этапу 4, но с низкой технологической эффективностью. По шестому варианту перерабатываются семена кориандра в двухшнековом пресс-экструдере с получением гранул, но без отжима масла. Двухшнековый пресс-экструдер смонтирован с перегонным аппаратом, в котором осуществляется обработка гранул острым водяным паром.
Математическое моделирование вертикального кожухотрубного аппарата предварительной дистилляции, обогреваемого вторичными парами тостера
Вторичные пары тостера характеризуются большим энтальпийным потенциалом [49, 83, 96, 401]. Однако, возможности их рекуперации ограничены из-за снижения температуры конденсации обусловленные тем, что конденсируются пары расслаивающейся жидкости, т.е. происходит гетерогенная конденсация. Известно, что растворитель и вода практически не растворимы друг в друге [286]. В этом случае при гетерогенной конденсации общее давление паров равно сумме упругости паров обеих компонентов при температуре смеси. Т.е. температура конденсации согласно расчетам [156, 341] оказывается значительно ниже температуры конденсации каждого из компонентов. Это ограничивает возможности рекуперации теплоты конденсации соковых паров тостера. Такой подход использован в математических моделях дистиллятора первой ступени, представленных в предшествующих работах [156, 341], где авторы принимают, что раз жидкость растворитель - вода расслаивающиеся, то и пары этой смеси конденсируются при температуре эвтектики. Эта идеология использована и при расчете конденсаторов паровой смеси растворитель - вода (при применении воды в качестве хладагента). Описанные представления приходят в противоречие с показателями работы реальных дистилляционных установок (Де-Смет, Европа Краун). Система растворитель-вода, как указано выше, конденсируется в большинстве конденсаторов модуля рекуперации растворителя, разделяется в водоотделителях и, наконец, подвергается ректификации в разработанной установке переработки сточных вод, содержащих растворитель [250]. Решение, обсуждаемого вопроса, приобретает важное значение при моделировании модулей МЭП, а также при разработке математической модели дистиллятора первой ступени. В этой связи уделено особое внимание разработке математической модели процесса тепло-массообмена дистиллятора первой ступени, обогреваемого соковыми парами тостера. Для получения детальных представлений о механизме процесса была разработана система дифференциальных уравнений процесса тепло-массообмена дистиллятора первой ступени, которая была решена пошаговым методом Эйлера. В результате этого решения получены сведения о процессах, протекающих по высоте теплообменных трубок греющей камеры дистилляционного аппарата [8, 91, 107, 214, 234, 316]. Расчет проводился сверху вниз по длине теплообменных трубок для того, чтобы последовательно наблюдать за протеканием процесса конденсации и за сменой физических условий его осуществления. Предварительно было установлено, что вторичные пары поступают из тостера в теплообменную камеру дистиллятора в перегретом состоянии. После снятия теплоты перегрева начинается конденсация паров воды, что было установлено как теоретически, так и подтверждено экспериментально [208, 209, 297,298]. Поскольку расчет зоны перегрева тривиален, то начнем рассмотрение с зоны конденсации паров воды [8,91,107]. Для бесконечно малой поверхности теплопередачи запишем уравнение общего материального баланса где G - расход потока, моль/с; индексы: у - относится к паровой фазе, х - отно сится к жидкой фазе.
Материальный баланс по конденсирующемуся компоненту (воде) На этой стадии неконденсирующимися компонентами являются воздух и пары гексана. Поэтому необходимо записать уравнение материального баланса по неконденсирующимся компонентам, а также уравнение теплового баланса Схема переноса теплоты и вещества представлена рисунке 4.2. При интегрировании на каждом шаге проверяется условие конденсации только паров воды. Если конденсируются пары воды, то справедливо следующее уравнение Из этого уравнения находится температура конденсации. На каждом шаге интегрирования, полученная температура конденсации, должна сравниваться с температурой конденсации эвтектической смеси t3, которая определяется по В процессе интегрирования учтено, что концентрация инертного компонента возрастает из-за уменьшения количества конденсирующихся паров воды и гексана. Поэтому для каждой концентрации инертного компонента (воздуха) по уравнению (131) рассчитывается температура t на каждом шаге интегрирования. Замыкание системы дифференциальных уравнений (132-134) обеспечивается учетом одновременного тепло-массообмена на границе раздела фаз. Предварительно получим уравнение массоотдачи для обеих рассматриваемых зон. Рассмотрим процесс диффузии и массоотдачу в зоне конденсации паров воды. Это процесс диффузии многокомпонентной смеси при условиях, что при конденсации паров воды потоки гексана и воздуха равны нулю (N2=0, N3=0). Поэтому используем уравнение диффузии Стефана-Максвелла [42,377] где у - мольная доля компонента в парах, моль/моль; N - поток вещества при массообмене, моль/м -с; D - коэффициент диффузии, моль/м-с; rk - координата в направлении переноса, м; нижние индексы: 1 - вода, 2 - растворитель, 3 -воздух.
Похожие диссертации на Научное обоснование разработки ресурсосберегающих процессов производства растительных масел и создания конкурентоспособной промышленной аппаратуры
