Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние теории, техники и технологии переработки свекловичного жома 15
1.1. Характеристика свекловичного жома как объекта двухступенчатого обезвоживания
1.2. Краткий обзор современного состояния технологий и техники обезвоживания свекловичного жома 20
1.3. Анализ современного состояния исследований и разработка технических решений для обезвоживания свекловичного жома и направления их развития 27
1.4. Основные сведения о применении вибрации в массообменных процессах при обработке дисперсных материалов 36
1.4.1. Методология исследования реологических свойств дисперсных систем при вибрационном воздействии и ее аппаратурное оформление 41
1.4.2. Влияние вибрационного воздействия на дисперсные материалы 46
1.4.3. Существующие подходы для математического описания массообменных и тепловых процессов в поле вибрационного воздействия 54
1.5. Цель и задачи работы 56
Г л а в а 2. Исследование свойств свекловичного жома как объекта обез воживания в поле вибрационного воздействия 58
2.1. Определение плотности свекловичного жома 58
2.2. Исследование реологических характеристик комплекса на основе свекловичного жома
Г л а в а 3. Экспериментальные исследования процесса прессования свекловичного жома в поле вибрационного воздействия .. 67
3.1. Описание экспериментальной установки и методика проведения экспериментов 67
3.2. Математическое планирование и обработка результатов эксперимента
3.2.1. Обоснование выбора пределов изменения входных факторов 71
3.2.2. Анализ регрессионной модели 74
3.3. Исследование влияние основных факторов на процесс прессования свекловичного жома в поле вибрационного воздействия 76
3.4. Оптимизация процесса вибрационного прессования свекловичного жома 80
Г л а в а 4. Математическое моделирование движения свекловичного жома внутри двугранного угла конического шнекового вибропресса 86
4.1. Физическая постановка задачи 86
4.2. Определение предела текучести свекловичного жома 91
4.3. Инженерная методика расчета конического шнекового вибропресса 96
4.3.1. Определение радиальной и угловой скоростей движения жома внутри двугранного угла
4.3.2. Определение давления внутри двугранного угла 97
4.4. Анализ результатов математического моделирования 98
Г л а в а 5. Комплексная оценка качества свеїсловичного жома полученного в результате вибрационного прессования 100
5.1. Исследование качественных показателей свекловичного жома 100
5.2. Определение токсичности свекловичного жома 102
4 Г л а в a 6. Практическое применение результатов научных и проектно-технических решений 104
6.1. Организация машинной технологии переработки свекловичного жома в сухой кормопродукт 105
6.1.1. Барабанная сушилка для продуктов подверженных ком-кообразованию 107
6.1.2. Шнековая центрифуга 112
6.2. Способы обезвоживания свекловичного жома в поле вибрационного воздействия 119
6.2.1. Вибропресс для полидисперсных продуктов 119
6.2.2. Вибропресс с плавающей матрицей для полидисперсных продуктов 120
6.2.3. Вибрационная пресс-сушилка для полидисперсных продуктов 122
6.2.4. Способ автоматического управления обезвоживания свекловичного жома в поле вибрационного воздействия 127
Основные выводы и результаты 132
Библиографический список 134
Приложения 151
- Краткий обзор современного состояния технологий и техники обезвоживания свекловичного жома
- Исследование реологических характеристик комплекса на основе свекловичного жома
- Математическое планирование и обработка результатов эксперимента
- Определение предела текучести свекловичного жома
Введение к работе
В современных рыночных условиях конечный результат деятельности основной части предприятий свеклосахарного производства не учитывает величину причиненного экологического ущерба, что исключает их экологическую ответственность за соблюдением нормативов использования природных ресурсов и поддержания лимитов выброса агрессивных веществ, находящихся в отходах производства, а так же нерациональное использование ресурсов ведет к снижению прибыли. Эти недостатки прямо противоречат принципам устойчивого развития и не позволяют обеспечить оптимальные пропорции экономического развития.
На предприятиях при переработке сахарной свеклы получают 80-85 % отходов, главным образом в виде свекловичного жома. Потеря питательных веществ в сыром жоме при хранении, транспортировке и использовании достигает 60 %. Надежный способ консервации жома - его сушка. Отсюда вытекает, что выход питательных веществ в процессе его сушки не ниже, а гораздо выше, чем при использовании сырого жома. Кроме того, сухой жом это не только основной компонент сухих полнорационных кормосмесей на заключительном этапе откорма скота, но и наиболее распространенное сырье для получения пектина и пищевого волокна.
Жом сахарной свеклы выгодно использовать также и ввиду его низкой цены. Никакой другой вид пектиносодержащего сырья не может конкурировать со свекловичным жомом по своей дешевизне. В последнее время на предприятиях, перерабатывающих сахарную свеклу, возникла проблема избавления от вторичных сырьевых ресурсов производства (сырого свекловичного жома).
Скармливание сухого жома по сравнению с кислым неотжатым обеспечивает рост продуктивности откормочного молодняка крупного рогатого скота на 19 %, при уменьшении расхода кормов на кг прироста на 21 %. Широкое использование сухого жома при откорме скота позволит в 8-Ю раз сократить
8 транспортные расходы, улучшить микроклимат в животноводческих помещениях, уменьшить уровень концентратов в рационе на 15-20 %, при той же интенсивности роста животных.
По оценке ИКАР потенциальный рынок сбыта сухого свекловичного жома для имеющегося в России поголовья КРС и свиней превышает 9 млн. тонн в год. В соответствии с увеличением ожидаемого урожая сахарной свеклы в 2009 г. потенциальное производство сухого жома превысит 650 тыс. т. Однако, фактическое производство в текущем сезоне оценивается ИКАР чуть более 20 % от потенциала. Это связано с недостаточным количеством жомосушиль-ных комплексов. Далеко не все заводы имеют линии по грануляции сухого жома, что ограничивает возможности его хранения и географию сбыта.
Создание безотходных, энерго - и ресурсосберегающих технологий и широкое использование при переработке растительного сырья является одним из важнейших направлений повышения эффективности переработки отходов сахарной промышленности. В наибольшей степени этим требованиям отвечает производство пектина, пектинопродуктов и пищевых волокон, предусматривающее производство биологически ценного комплекса и студнеобразователя из свекловичного жома.
Белки сухого жома богаты лизином (6,1 %), аргинином, теонином, лейцином, фенилаланином и валином. В нем много микроэлементов кальция, калия, натрия, магния, железа, марганца, меди и кобальта.
Производство пектина на предприятиях России составляло до 350-400 т в год, а 1,5-2,0 тыс. т ежегодно закупалось за рубежом. Потребность отечественной пищевой промышленности (консервная, кондитерская, хлебобулочная, молочная) в нативном пектине, в настоящее время, превышает объемы его производства в России и объемы закупок за рубежом. Это обусловлено потребностью в пектинопрофилактике населения, проживающего в экологически неблагоприятных условиях, из расчета на 40 млн. человек необходимо 30 тыс. т пектина и пектинопродуктов ежегодно. Согласно медицинским рекомендациям су-
9 точная профилактическая потребность в пектине в условиях радиоактивных загрязнений составляет для взрослых 2-4 г, для детей 1-2 г.
Ухудшение экологических условий во многих регионах России, сопровождающееся загрязнением окружающей среды и пищевых продуктов токсическими веществами и радионуклидами, требует помимо обеспечения безопасности продуктов питания, также проведения профилактических мероприятий, что, в свою очередь, обуславливает необходимость применения пектина, как природного детоксиканта. Результаты, полученные при лечении пектиносодержа-щими препаратами участников ликвидации аварии на ЧАЭС, оказались настолько значительными, что привлекли внимание многих западных фармацевтических компаний и стали объектом пристального внимания и изучения министерств обороны и национальной безопасности.
Пектины обладают многими полезными свойствами: нормализуют количество холестерина, повышают устойчивость организма к аллергии, способствуют восстановлению слизистой оболочки дыхательных и пищеварительных путей после поражений, благотворно влияют на общий обмен веществ, являются иммуноукрепляющими средствами.
По данным различных НИИ медицинского профиля в пектиносодержа-щих продуктах наиболее остро нуждаются жители техногенных районов, некоторые категории военнослужащих и особенно дети, проживающие в экологически неблагоприятных регионах.
Мировое производство пектина в настоящее время составляет 90 тыс. т с ежегодным увеличением на 1-2 тыс. т. Крупнейшими производителями пектина являются фирмы "Gercules Inc." (США), "Herbstreith und Fox К G" (Германия), "Grill & Grossman" (Австрия), "Kopenhagen pectin fabric" (Дания), " Pectowin" (Польша), продукция которых представлена и на российском рынке.
Решить в короткие сроки проблему производства пектина крайне сложно, так как это требует значительных капитальных затрат. Расширить производство пищевых изделий, обогащенных пектиновыми веществами, можно пу-
10 тем освоения технологии жидких пектинопродуктов из различного сырья (свекловичный жом, яблочные, морковные, и др. фруктовые и овощные выжимки).
К жидким пектинопродуктам относятся пектиновый экстракт (содержание пектина 0,5-3,5 %), пектиновый концентрат (содержание пектина 2,5-3,5 %). Помимо непосредственно пектиновых веществ, жидкие пектинопродук-ты содержат также целый комплекс таких биологически активных веществ как аминокислоты, легкоусвояемые углеводы (глюкоза, фруктоза), органические кислоты, макро- и микроэлементы.
Использование пектинового концентрата из яблочных выжимок в качестве студнеобразователя позволяет разрабатывать новые желейные консервные и кондитерские продукты: мармелад, желе, фрукты и овощи в желе, конфитюры. Кроме того, пектиновый концентрат может выступать в качестве загустителя и эмульгатора для получения фруктовых соусов, майонеза, мороженого, в хлебопечении, в молочной промышленности, в составе пищевых биологически активных добавок.
Пищевые волокна (ПВ) - это комплекс, состоящий из полисахаридов (целлюлоза, гемицеллюлоза, пектиновые вещества), а также лигнина и связанных с ними белковых веществ, формирующих клеточные стенки растений. Роль пищевых волокон в питании многообразна. Она состоит частично в том, что они способствуют выведению из организма некоторых метаболитов пищи и загрязняющих ее веществ, регуляции физиологических, биохимических процессов в органах пищеварения.
Оптимальное суточное потребление ПВ по различным данным колеблется в пределах от 40-70 г. Из физико-химических свойств ПВ, прежде всего, выделяются водоудерживающая способность, ионообменные и сорбционные свойства. Способность удерживать воду связана со степенью гидрофильности и количеством присутствующих в них биополимеров (пектиновых веществ), характером поверхности, пористости частиц, их размерами.
Источниками, содержащими ПВ, могут быть различные виды растительного сырья, прежде всего одревесневшего, формирующего побочные продукты переработки зерна, овощей, плодов и др. видов растительного сырья. В качестве источника пищевых волокон возможно использование свекловичного жома. Пищевые волокна, полученные из жома сахарной свеклы, представляют собой порошкообразный продукт с размерами частиц до 150 мкм. Массовая доля сухих веществ составляет 87 % и включает в себя: пектин целлюлозного комплекса 42-45 %, клетчатки 23-25 %, лигнина 7-9 %, белка 8-10 %, минеральных веществ (в т. ч. калий, натрий, кальций, магний) 3,5 -5,0 %. Калорийность ПВ составляет 55-60 ккал на 100 г продукта. ПВ из отходов свеклосахарного производства, характеризуются более развитой удельной поверхностью, средним радиусом пор в сравнении с исходным сырьем, что определяет направление их использования в качестве сорбентов и как биологически активной добавки.
Изучение функциональных свойств ПВ показало, что они обладают высокой водоудерживающей способностью 400-500 % и в меньшей степени жи-роудерживающей 100-120 %. Определены направления использования ПВ в кондитерских изделиях, одним из которых является производство пралиновых конфет. Исследованы физико-химические показатели и реологические характеристики пралиновых конфетных масс с различным содержанием ПВ.
Установлена зависимость между средним размером частиц, удельной поверхностью полуфабриката и реологическими характеристиками конфетных масс. Отработаны оптимальные рецептурные соотношения компонентов пралиновых конфетных масс, установлены пределы введения ПВ от 5-11 %, в зависимости от рецептуры конфет, что позволяет снизить сахароемкость изделий на 5-10 %, калорийность на 40-70 ккал на 100 г продукта, повысить пищевую и биологическую ценность. Разработана НД на новые виды пралиновых конфет с ПВ.
12 Следует отметить рост экспортных возможностей для гранулированного жома. Сложная ситуация с кормами в Европе и простаивающие зерновые перевалочные мощности в портах России позволяют ожидать существенного увеличения экспорта. С учетом планируемого экспорта, внутреннее производство сухого свекловичного жома закрывает менее 1 % потребностей. В связи с напряженной ситуацией с кормовыми культурами в РФ, особенно на Северном Кавказе, ожидается рост цен на гранулированный жом осенью 2009 г.
Большинство существующих заводов укомплектовано высокотемпературными барабанными сушилками, использующими в качестве сушильного агента смесь продуктов сгорания топлива и воздуха. Экономичность работы такой установки определяется не только затратами тепла (или условного топлива) на 1 кг испаренной влаги, но и потерями жома в сушильной установке. Потери жома возникают вследствие сгорания его мелких частиц при высокой температуре, а также вследствие их уноса при выбросе отработанных газов в атмосфе-
РУ-
Для экономного расходования топлива важно добиться минимальных потерь тепла с выбросами в атмосферу, а для достижения этого необходимо, с одной стороны, поддерживать минимально возможную температуру уходящих газов, с другой - достичь максимально возможной их влажности. Задачи эти противоречивы и еще более усложняются теми ограничениями (по температуре и по скорости газов), которые необходимы для минимизации потерь жома.
Сложности умножаются, если учесть, что на практике приходится работать с изменяющимися исходными параметрами (влажность и количество отжатого жома, влажность воздуха и др.). Необходимо также учитывать технические характеристики и конструктивные особенности оборудования, входящего в состав данной конкретной сушильной установки.
При стандартной технологической схеме процесс сушки свекловичного жома делится на две стадии: прессование и собственно сушка. Первая стадия необходима для уменьшения расхода тепла на высушивание. Значительная
13 часть воды из свежего жома, содержащего 5-7 % (мае.) сухих веществ, удаляется при помощи прессов с доведением содержания сухих веществ в жоме до 18-25 %. При прессовании жома удаляется, да и то не полностью, только влага, имеющая физико-механические связи. На второй стадии, когда свекловичный жом нагревается, в основном протекают физико-химические процессы. При высушивании жома происходит коагуляция коллоидных частиц, деформация клеточных оболочек и уменьшение первоначального объема материала из-за удаления влаги, в результате чего образуется сушеный жом влажностью 12-14 %.
В соответствии с вышеизложенным, для управления реологическими характеристиками систем с целью оптимизации и интенсификации технологических процессов получения сухого свекловичного жома необходимо создание вполне определенного динамического состояния системы, на фоне которого должны осуществляться конкретные технологические операции.
Это состояние должно обеспечиваться внешними механическими воздействиями, в большинстве случаев независимо от механических воздействий, непосредственно связанных с осуществлением конкретных технологических операций.
Эти воздействия должны учитывать физическую природу объекта переработки и исходить из того, что связи между частицами дисперсной фазы должны быть разрушены по возможности в равной степени во всех элементах объема системы до любого заданного регулируемого уровня.
Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод, что актуальной задачей является исследование процесса обезвоживания свекловичного жома с применением эффективных средств создания регулируемого динамического состояния системы и разработка способа интенсификации процесса с уменьшением его энергетических затрат.
Работа выполнялась на кафедре машин и аппаратов пищевых производств Воронежской государственной технологической академии. Хотелось бы выразить искреннюю благодарность научному руководителю доктору технических
14 наук, профессору Кравченко Владимиру Михайлович за оказанную помощь и консультации при выполнении диссертационной работы, а также признательность коллективу кафедры МАПП за оказанное содействие при оформлении.
Краткий обзор современного состояния технологий и техники обезвоживания свекловичного жома
На сегодняшний день обезвоживание свекловичного жома на современных сахарных заводах происходит в две стадии: прессование и сушка. Технологическая схема двухстадийного обезвоживания представлена на рис. 1.3.
Выходящий из диффузионного аппарата свежий жом элеватором 4 и шнеком 7 подается к наклонным прессам 6 . Здесь жом отжимается до содержания сухих веществ 12-14 % (мае), после чего ленточным транспортером 5 подается в хранилище. Если жом предназначен для сушки, то он шнеком 7 направляется на вертикальные прессы 8 , где содержание сухих веществ в жоме доводится до 18-25 % (мае). Жомопрессовая вода из прессов 6 и 8 поступает в диффузионную установку.
Отжатый жом, подлежащий сушке, шнеком 9 и питателем 10 подается в сушильный аппарат 15. Здесь жом сушится дымовыми газами, получаемыми при сжигании мазута или природного газа в топке 14. Топливо сжигается с помощью горелок 13, "первичный" воздух в которые нагнетается вентилятором 12. Дымовые газы при сушке жома без добавления мелассы должны иметь температуру 800-850 С, при сушке жома с добавлением мелассы температура газов снижается до 600-650 С. Доведение дымовых газов до указанной температуры и охлаждение стенок топки производятся "вторичным" воздухом, подаваемым вентилятором 11. Смесь дымовых газов и паров воды температурой
Шнековые прессы классифицируются по следующим признакам: - по количеству шнеков: одношнековые и двухшнековые; - по расположению шнеков: горизонтальные (один шнек, два шнека рядом, два шнека один над другим), наклонные и вертикальные; - по степени отжима жома: низкого до 14 % (мае.) сухих веществ, среднего до 22 % (мае.) сухих веществ и глубокого 23-35 % (мае.) сухих веществ [33, 143].
На отечественных заводах для низкого отжатия жома, предназначенного для непосредственного скармливания скоту, применяют наклонные одношне-ковые прессы [1, 150].
Свежий жом из диффузионного аппарата поступает в сепаратор 1, где на сите 2 отделяется часть воды, затем проходит в приемную камеру, захватывается шнеком 5 и продвигается из пространства с большим объемом в пространство с меньшим объемом, сжимаясь при этом. Жомопрессовая вода проходит в камеру 8 через ситчатую поверхность шнека и цилиндрическое сито 4. Отжатый жом выводится через кольцевое пространство 7 и направляется в склад.
Для среднего и глубокого прессования жома до 25 % (мае.) сухих веществ на отечественных заводах применяют вертикальные прессы (рис. 1.4).
Сырой жом поступает в приемную воронку 1 пресса, захватывается вращающимся полым коническим шнеком 4 и перемещается сверху вниз, уменьшаясь в объеме. Отжатая вода отводится через неподвижное сито 3 и перфорированные стенки шнека 4, а отпрессованный жом выводится вращающимися лопастями 6 наружу. Степень прессования жома регулируют поднятием ситчатого конуса 5, изменяющего площадь основания для выхода жома. Контрлапы 2 способствуют перемещению жома сверху вниз [144, 145].
Вертикальные прессы германской фирмы ВМА (шнек показан на рис. 1.5) и горизонтальные двухшнековые прессы норвежской фирмы Atlas-Stord (рис. 1.6) отжимают жом до 35 % (мае.) сухих веществ.
Для сушки прессованного жома наиболее широко применяются прямоточные однобарабанные (ротационные) сушильные аппараты с крестообразными внутренними насадками, работающие на топочных газах с температурой 800-900 С, получаемых в специальных топках при сжигании топлива (в основ ном, мазут или природный газ) с добавлением в отдельных случаях отходящих дымовых газов котельных (с температурой 300-350 С).
Топочные газы в таких аппаратах движутся прямоточно высушиваемому жому и, контактируя с ним, быстро охлаждаются, при этом происходит непрерывное испарение влаги и температура жома не повышается выше точки кипения воды. Прямоточное движение высушиваемого жома и топочных газов в таких аппаратах исключает воспламенение сушеного жома. Сушилка представляет собой барабан 1 с бандажами 2. Бандажи опираются на две пары роликов 3 , которые вращают барабан с частотой 1,65 мин"1. Барабан 1 приводится в движение от электродвигателя 4 через редуктор. В некоторых случаях барабан вращается при помощи венечной шестерни, установленной на нем и зубчатой шестерни, приводимой в движение электродвигателем. В этом случае ролики служат лишь опорами. Для лучшего продвижения жома, барабан можно устанавливать несколько наклонно в сторону движения жома. В этом случае для предотвращения осевого сдвига барабана на одном из бандажей имеются упорные ролики 5.
Весь внутренний объем барабана заполнен крестообразными насадками 6 (рис. 1.9), предназначенными для более полного использования объема барабана и равномерного омывания жома газами. На одном из концов барабана имеется неподвижная часть 7 с впускным патрубком 8 для жома и винтовыми лопастями 9, предназначенными для распределения жома по насадкам. В открытый торец 12 этой неподвижной части поступают газы, получаемые в отдельной топке.
Снаружи топка выложена обычным кирпичом 1, а внутри - огнеупорным кирпичом 2. Потолок топки выполнен в виде свода. В переднюю стенку 3 топки вмонтированы газовые или мазутные горелки 4, а в заднюю - загрузочная каме 26 pa 5 жомосушильного аппарата. Полустенками 6 и 7 топка разделена на три газохода. Газоход 8 служит для сжигания топлива, а газоход 9 - для смешения дымовых газов с воздухом, подаваемым через патрубок 10 и доведения температуры газов до 800-850 С.
При сжигании 1 кг высокосернистого мазута при этом в атмосферу выбрасывается 3 кг СОг и 50 г S02, а при сжигании 1 м3 природного газа -2 кг С02 (SCb отсутствует).
Сушка жома дымовыми газами приводит к загрязнению его канцерогенными продуктами горения топлива, вследствие чего такой жом не может использоваться для производства пищевых добавок и пектина, а направляется лишь на кормовые цели. При этом в атмосферу выбрасываются вредные вещества.
В связи с недостатками, присущими сушке жома дымовыми газами и сушилкам барабанного типа (громоздкость, низкий КПД, большие затраты энергии и др.), а также с целью экономии топлива для сушки жома начинают применять низко- и средне-потенциальные теплоносители [116].
В качестве низкопотенциальных источников используют вторичные энергоресурсы (вторичные пары выпарной станции и вакуум-аппараты с температурой 60-63 С, включая конденсаты выпарной станции), которые нагревают в калориферах воздух, поступающий на сушку жома.
В качестве средне-потенциального теплоносителя используют пар высокого давления. При высушивании жома таким паром образуется вторичный пар, который используется в качестве греющего пара в первом корпусе выпарной установки. При этом затраты топлива снижаются в 3-5 раз, по сравнению с сушкой дымовыми газами.
Исследование реологических характеристик комплекса на основе свекловичного жома
Плотность дисперсных материалов зависит от химического состава, структуры и влажности. Эксперимент по определению плотности свекловичного жома проводился при помощи гидростатических весов, приведенных на рис. 2.4.
Эксперимент проводили следующим образом. Отбирали подряд три навески массой по 5 г каждая. Взвешивали на аналитических весах и помещали каж 65 дую навеску в отдельности в сетчатую корзину, изготовленную из белой жести толщиной 0,5.. .0,7 мм, и закрывали крышкой из того же материала.
Перед началом испытания определяли массу корзинки с подвесами. Затем корзинку опускали в мерный цилиндр, заполненный этиловым эфиром, с находящейся в термостате водой с температурой 20 ± 0,5 С. Жидкость в цилиндре перемешивали с целью удаления из корзинки с продуктом пузырьков воздуха. Отмечали показания весов с помощью гирь, навешиваемых на плечо коромысла.
Зависимость плотности свекловичного жома от его влажности представлена на рис. 2.5. Приведенные данные показывают, что с увеличением влажности плотность частиц уменьшается, что, видимо, обусловлено уменьшением количества межкапиллярной жидкости и уплотнением пористой структуры свекловичного жома.
Анализ процесса прессования свекловичного жома в поле вибрационного воздействия необходим для установления количественной взаимосвязи между амплитудно-частотными параметрами вибровоздействия, свойствами перерабатываемого материала и параметрами давления в полости рабочей камеры пресса, а так же для выявления оптимального сочетания указанных параметров.
Для точных расчетов процессов и аппаратов прессования, а также оптимизации и интенсификации процесса недостаточны знания только свойств свекловичного жома.
Необходимо изучить процессы, происходящие в прессе при воздействии вибрации, которые базируется на рациональном сочетании экспериментальных данных и методов математического анализа. Большое значение при этом уделяется установлению совокупности взаимосвязанных величин, оказывающих наибольшее влияние на процесс вибропрессования.
Проведенные теоретические исследования по выявлению закономерностей обезвоживания свекловичного жома при статическом прессовании требуют получения эмпирических коэффициентов для уточнения зависимостей при вибрационном прессовании, таких как влажность жома на выходе из пресса от давления внутри пресса, частоты и амплитуды колебаний шнекового вала. Для выявления этих коэффициентов нами была разработана экспериментальная установка рис. 3.1 и рис. 3.2.
Схема экспериментальной установки для определения закономерности процесса обезвоживания свекловичного жома под воздействием давления и вибрации соединительного элемента 6; корпуса привода вибропресса 7; патрона 8; молотка 9; рабочего цилиндра 10; приводной шестерни 11; электродвигателя 12; крышки привода 13; крышки станины 14; станины 15; каскадного шнекового вала 16; регулировочной гайки 17; электродвигателя 18; махового колеса 19; шатуна 20; поршня 21; ведущего цилиндра 22; соединительной трубки высокого давления 23; вольтметра 24; регулятора частоты вращения шнекового вала 25; кнопки ПУСК — СТОП 26; регулятора частоты колебаний шнекового вала 27; амперметра 28.
Из загрузочного бункера 2 продукт поступает в корпус вибропресса 1 и попадает в межвитковую полость транспортирующего каскадного шнекового вала 16, которым равномерно подается в перфорированную камеру 3, где происходит его отжим за счет перемещения в более узкое пространство перфорированной камеры 3. Вращательное движение шнека 16 осуществляется за счет электродвигателя 12 через систему передач привода и патрона 8, а возвратно-поступательное - за счет пневмовибратора, соединенного с приводом и состоящего из махового колеса19, шатуна 20, поршня 21, ведущего цилиндра 22 и молотка 9. За счет вращения и возвратно-поступательного движения шнека 16 осуществляется перемещение и обезвоживание продукта при статическом давлении прессования в поле направленного вибрационного воздействия.
Конструкция привода предусматривает возможность регулирования частоты вращения и частоты колебаний шнекового вала с помощью регуляторов 25 и 27 соответственно. Регулирование амплитуды колебаний происходит за счет изменения радиуса вращающейся оси шатуна 20 на маховом колесе 19 пневмовибратора. Включение и выключение вибропресса осуществляется с помощью кнопки 26.
Мощность привода вибропресса - 3 кВт. Кроме того, в состав экспериментальной установки входит измерительная аппаратура: - измерение давления прессования на выходе из вибропресса; - измерение температуры в различных точках одновременно; - измерение напряжения и силы тока сети. Измерение основных технологических параметров процесса прессования при проведении экспериментальных работ проводились при помощи приборов, отградуированных и прошедших поверку. Для измерения давления в предматричной зоне был установлен датчик - преобразователь давления (13) КРТ-СТ-25-0,5, который позволяет измерять давление, в предматричной зоне пресса до 25 МПа, обеспечивая точность измерения ± 1 кПа. Температура обрабатываемой массы по зонам пресса измерялась двухканальным измерителем (12) с универсальным выходом фирмы ОВЕН ТРМ200 температурными датчиками (хромель-копелевыми термопарами с интервалом температур от - 200 до 800 С), погрешность составляла 1 %. Датчики давления соединялись с ПЭВМ.
Основным рабочим органами вибропресса является каскадный шнек диаметром 0,1 м с длиной рабочей части 0,15 м (отношение диаметра шнека к его длине рабочей части 2:3). Шаг винтовой нарезки шнека постоянный, равный 0,02 м, глубина нарезки постоянная. При этом массу продукта взвешивали на весах. При проведении экспериментальных исследований была использована следующая методика проведения опытов. Перед началом эксперимента производился разогрев рабочей камеры вибропресса. При достижении температуры в камере и корпусе, близкой к рабочей (328-333 К), загружали исходную смесь, массой 3 кг, и обрабатывали продукт в установленном режиме при определенном значении влажности сырья и частоты вращения шнека, амплитуды и частоты колебаний шнекового вала. После опустошения бункера засыпались опилки массой 0,1 кг, для проталкивания остатков предыдущей загрузки и процесс повторялся. При этом в каждом эксперименте фиксировали значения величины давления в рабочей камере и температуры продукта. Каждый раз, после прохождения порции, равной трем килограммам, замерялась масса полученной, жомопрессовой воды и определялся выход по отношению к первоначальной массе. Полученные экспериментальные данные позволили достаточно полно охарактеризовать процессы, происходящие при вибрационном прессовании свекловичного жома, на одношнековом вибропрессе.
Окончательную влажность жома определяли высушиванием продукта в сушильном шкафу СШ-ЗМ согласно ГОСТ 28561-90, по методике предусмотренной ТУ ОСТ 18-22-81 «Жом сушеный».
Математическое планирование и обработка результатов эксперимента
Исследование процесса вибрационного прессования свекловичного жома проводилось на экспериментальной установке, представленной на рис 3 Л.
Для изучения взаимодействия различных факторов, влияющих на процесс вибрационного прессования, были применены математические методы планирования эксперимента. Данный процесс имеет уравнение регрессии, найденного статистическими методами на основе экспериментов.
Для исследования и постановки опытов с целью определения оптимального режима вибрационного прессования было применено центральное композиционное униформ-ротатабельное планирование и выбран полный факторный эксперимент типа 23 [36, 37, 101, 113]
С целью определения интервалов изменения факторов была проведена серия экспериментов. На основании экспериментальных данных построены следующие графические зависимости: зависимость частоты вращения шнекового вала от давления вибрационного прессования (рис. 3.3); зависимость влажности готового продукта от частоты вращения шнекового вала, частоты и амплитуды колебаний шнекового вала (рис. 3.4). Анализ зависимостей показал, что зависимость давления и влажности от частоты вращения шнекового вала носит прямолинейный характер, при этом с увеличением частоты вращения увеличивается создаваемое давления вибрационного прессования и снижается влажность готового продукта. Кроме того, процесс вибрационного прессования имел место при достижении значения амплитуды и частоты колебаний шнекового вала 1 мм и 10 Гц, соответственно.
Выбор критерия оценки обусловлен его наибольшей значимостью для процесса вибрационного прессования. Влажность готового продукта W, % определяет качество, скорость и энергозатраты процесса вибрационного прессования (табл. 3.1).
Все изучаемые факторы были совместимы и некоррелируемы между собой, а пределы их изменений приведены в табл. 3.1. Выбор интервалов изменения факторов обусловлен технологическими условиями процесса вибропрессования и техническими параметрами вибропресса [36, 37, 40, 44]. 3.2.2 Анализ регрессионной модели
При обработке экспериментальных данных до уровня значимости q = 0,05 применялись следующие статистические критерии [36, 37]: проверка однородности дисперсий - критерий Кохрена, представляющий отношение наибольшей из дисперсий к их сумме; проверка отдельных коэффициентов регрессии на значимость - критерий Стьюдента, который брался из соответствующих таблиц, в зависимости от уровня значимости и числа степеней свободы; адекватность математической модели - критерий Фишера, равный отношению большей оценки дисперсии к меньшей.
После статистической обработки данных, приведенных в таблице 3.2, с учетом значимости коэффициентов получено уравнение регрессии, адекватно описывающее процесс вибропрессования под влиянием исследуемых факторов: у = 59,784-1,965х, - 1,445х2 - 1,286х3 -1,4х,2 +1,187х22 +0,75х32. (3.1) Анализ уравнения регрессии позволяет выделить факторы, наиболее влияющие на рассматриваемый процесс вибропрессования. На влажность конечного продукта наибольшее влияние оказывает частота вращения шнекового вала, наименьшая частота колебаний шнекового вала. Степень влияния параметров относительно друг друга Ъх: Ь3 = 1,36, причем знак плюс перед коэффициентом при линейных членах указывает на то, что при увеличении входного параметра значение выходного параметра увеличивается, а знак минус — убывает [112].
Полученное уравнение (3.1) нелинейно. Таким образом, в результате выполнения 20-ти опытов получена информация о влиянии факторов и построена математическая модель процесса, позволяющая рассчитать влажность свекловичного жома внутри выбранных интервалов варьирования входных факторов., 3.3. Исследование влияние основных факторов на процесс прессования свекловичного жома в поле вибрационного воздействия
На рис. 3.5-3.10 представлены зависимости влажности свекловичного жома от частоты вращения п (рис. 3.5, 3.6), частоты f (рис. 3.7, 3.8) и амплитуды колебаний А (рис. 3.9, 3.10) шнекового вала, соответствующие опытам 1...20 (см. табл. 3.2).
Анализируя зависимости рис. 3.7-3.10, выделяются точки перегиба, в которых влажность жома минимальна при различных значениях частоты вращения вала.
Так, из обработки экспериментальных данных следует, что увеличение давления оказываемого на продукт в шнековом прессе возможно только при снижении эффективной вязкости в поверхностном слое системы, обеспечиваемого наложением низкочастотных колебаний.
Потеря адгезионной связи полидисперсной системы (свекловичного жома) с вибрирующей поверхностью возможна лишь при определенной зоне колебаний, которая локализуется в тонком поверхностном слое. Следствием такой концентрации энергии в пограничном слое является его переход в вынужденное высокоэластичное состояние. Пограничный слой материала приобретает, отличные от основной массы материала, адгезионно-фрикционные свойства. Снижение пристенного скольжения объясняется миграцией в наружный слой связующего компонента.
Уменьшение эффективного коэффициента внешнего трения относительно вибрирующего шнекового вала способствует увеличению степени равноплот-ности и проницаемости свекловичного жома.
Определение предела текучести свекловичного жома
Сохранение ценных компонентов входящих в состав свекловичного жома является важной задачей при его обезвоживании, что обеспечивает качественный состав кормов с высокой питательной ценностью. Технологические параметры процесса вибрационного прессования свекловичного жома должны быть такими, чтобы предотвратить необратимые изменения в жоме, которые могут привести к ухудшению качества продукта. Поэтому, наряду с интенсификацией процесса и снижением энергетических затрат, оптимальный режим обезвоживания должен обеспечивать высокое качество готового продукта.
Объектами исследований были образцы прессованного свекловичного жома, полученного стандартным и предлагаемым способами. Качественные показатели сухого жома исследовались в АНО НТЦ» Комбикорм» г. Воронежа, согласно государственным стандартам, представлены в таблице 5.1.
Потребительские свойства свекловичного жома формируются в процессе обезвоживания. Новые физические, вкусовые и ароматические свойства, образующиеся при обезвоживании, обусловлены существенными изменениями состава сырья, происходящими в результате физико-механических процессов.
Отбор проб проводили по ГОСТ 13586.3-83; органолептические показатели, размеры частиц - при дневном естественном освещении, при комнатной температуре, визуально по ГОСТ 13340.1-77; определение влажности - по ГОСТ 28561-90; определение углеводов - по ГОСТ 8756.13-79; определение золы - методом сухого сжижения по ГОСТ 26226-95; определение белка - по методу Кьельдаля по ГОСТ 1349.4-93; определение массовой доли жира по ГОСТ 10857-64; определение зараженности и поврежденности вредителями по ГОСТ 13586.4-83. Клетчатку определяли методом, который основан на удалении из продукта кислото-щелоче-растворимых веществ и количественном определении остатка.
Органолептические показатели свекловичного жома, полученного по заводской и предлагаемой технологиям, приведены в табл. 5.1. Таблица 5.1 Органолептические показатели свекловичного жома Показатель Характеристика свекловичного жома обезвоженного по заводскойтехнологии по предлагаемой технологии Внешний вид Рассыпной продукт Цвет От светло серого до коричневого Запах Свойственный свекловичному жому, без посторонних примесей Представленные данные свидетельствуют о том, что свекловичный жом, обезвоженный по предлагаемой технологии, по внешнему виду, консистенции, запаху, вкусу, цвету соответствует требованиям ГОСТ «Сухой свекловичный жом», а по некоторым показателям обладает рядом существенных преимуществ, приведены в табл. 5.2.
Как видно, из приведенных данных, качественные показатели свекловичного жома, полученного способом вибрационного прессования выше, что обосновывает актуальность применения предложенного способа. Высокая сохраняемость ценных питательных веществ в свекловичном жоме, полученного предлагаемым способом, объясняется меньшей продолжительностью механического воздействия, а так же поддержанием при этом относительно невысокой температуры материала.
Показатели безопасности (содержание токсичных элементов, микотокси-нов, нитратов, нитритов и т.п.) должны быть всегда ниже предельно-допустимых значений, обозначенных в соответствующих нормативных документах.
Экологически чистый продукт не должен содержать или иметь ограниченное количество токсикантов, определение которых является актуальной задачей.
Для комплексной оценки качества исследуемого жома, как кормопро-дукта готового к употреблению, в аккредитованных испытательных лабораториях определяли показатели безопасности: содержание тяжелых металлов, ми-котоксинов, нитратов, нитритов. Содержание токсичных элементов в обезвоженном свекловичном жоме представлено в таблице 5.3.
Одним из наиболее распространенных и, следовательно, наиболее важных процессов пищевой и химической технологии являются процессы предварительного и окончательного обезвоживания, т. к. они во многом определяют качество готовой продукции.
Технология прессования и окончательной сушки с совокупностью технических устройств, средств и приемов обработки обезвоживаемого материала обеспечивает наиболее выгодные условия осуществления процесса.
Рациональная технология обезвоживания подразумевает выполнение двух главных условий: соответствие кинетики процессов обезвоживания балансовым соотношениям; соответствие гидромеханических и термодинамических условий процессов обезвоживания изменяющимся состояниям и свойствам обезвоживаемой среды.
Кроме этих условий, при выборе способов обезвоживания и аппаратурного процесса, необходимо руководствоваться следующими принципами: минимизация стоимости процесса, полная безопасность процесса, обеспечение технологичности процесса.
Для уменьшения себестоимости высушиваемого продукта необходима интенсификация процесса обезвоживания за счет введения дополнительного энергоподвода.
Одним из наиболее эффективных способов увеличения интенсивности процесса является использование вибрационного воздействия. Это обусловлено тем, что при наложении вибрационного поля на обрабатываемый материал повышается производительность оборудования и энергонапряженность процесса, значительно снижаются эксплутационные затраты и улучшаются санитарно-гигиенические условия труда.
105 На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований, анализа конструкций оборудования для обезвоживания можно сделать вывод о целесообразности дальнейших научных разработок аппаратурно-технологического оформления процесса обезвоживания, оригинальных конструкций, а также способа автоматического управления с целью интенсификации процесса, достижения оптимальных энергозатрат на его осуществление и получение высококачественного продукта.
На основании результатов исследования было разработано оригинальное машино-аппаратурное оформление технологической линии переработки сырого свекловичного жома в сухой кормопродукт [48, 49].
На рис. 6.1 схематично изображен общий вид разработанной линии, позволяющий получать сухой свекловичный жом. Технологическая линия включает магистрали для подвода сырого свекловичного жома и отвода жидких и твердых продуктов ее переработки, связанные между собой средствами межоперационной передачи, транспортирующие шнеки 1, 7, 9; эксгаустер 2; циклон 3; элеватор 4; ленточный транспортер 5; пресс предварительного обезвоживания 6; вибропресс 8; питатель 10; вентилятор 11, 12; горелки 13; топка 14; сушильный аппарат 15.
