Содержание к диссертации
Введение
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ПОИСКОВЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ 9
1.1. Способы и технические средства для получения протеиновой пасты 11
1.1.1. Получение протеиновой пасты флотацией ... 11
1.1.2. Получение протеиновой пасты фильтрованием . 14
1.1.3. Получение протеиновой пасты центрифугированием 17
1.1.4. Получение протеиновой пасты путем механического отжима 19
1.1.5. Сравнительный анализ способов и технических средств для получения протеиновой пасты . . 22
1.2. Анализ теоретических исследований по механическому обезвоживанию двухфазных капиллярно-пористых дисперсных продуктов 25
1.3. Цель и задачи исследований . 333
2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПРОЦЕССА МЕКАНИЧЕСКОГО ОБЕЗВОЖИВАНИЯ ПРОТЕИНОВОЙ ПАСТЫ 35
2.1. Модель процесса отжима пасты на базе теории фильтрационной консолидации 36
2.2. Модели процесса на базе теории линейной вязкоупругости 45
2.2.1. Модель Кельвина-Фойгта 4б
2.2.2. Трехэлементная линейная реологическая модель 50
2.3. Модель процесса отжима протеиновой пасты, основанная на нелинейной теории вязкоупругости . . . 57
2.4. Выводы по разделу 62
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ОТЖИМА ПРОТЕИНОВОЙ ПАСТЫ 64
3.1. Описание экспериментальной установки 64
3.2. Эксперименты для нахождения коэффициентов теоретических моделей процесса отжима 67
3.2.1. Методики проведения экспериментов 67
3.2.2. Анализ результатов экспериментов 71
3.3. Сравнительная оценка теоретических моделей процесса отжима протеиновой пасты 80
3.4. Экспериментальное определение структуры эмпирических коэффициентов нелинейной модели 84
3.4.1. Результаты экспериментов с учетом основных. факторов, характеризующих процесс ...... 87
3.5. Выводы по разделу 90
4. ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ ПРОЦЕССА ОБЕЗВОЖИВАНИЯ 91
4.1. Критерии оценки процесса механического обезвоживания 92
4.1.1. Технологические показатели процесса 92
4.1.2. Связь режимов процесса с характеристиками исходного продукта и технологическими показателями процесса отжима 99
4.2. Оценка режимов процесса обезвоживания и вывод основных расчетных уравнений 104
4.2.1. Режим отжима с постоянной скоростью деформации 109
4.2.2. Энергоемкость процесса отжима при скорости деформации, заданной в виде VgC^otfT .... ПО
4.2.3. Энергоемкость процесса отжима скорости. деформации, заданной в виде
4.2.4. Энергоемкость процесса отжима при У скорости деформации, заданной в виде
4.2.5. Энергоемкость процесса отжима при скорости . . деформации, заданной
4.2.6. Энергоемкость процесса отжима при скорости. деформации, заданной в виде:
4.2.7. Энергоемкость процесса отжима при скорости деформации, заданной в виде
4.3. Оценка расчетных уравнений
4.4. Выводы по разделу
5. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ОТЖИМА ПРОТЕИНОВОЙ ПАСТЫ 120
5.1. Исходные данные 121
5.2. Расчет параметров процесса отжима при постоянной нагрузке 121
5.2.1. Определение относительной деформации 122
5.2.2. Определение технологических параметров процесса 123
5.3. Расчет параметров процесса при постоянной скорости отжима Ї27
5.3.1. Определение конечной относительной деформации слоя 127
5.3.2. Определение технологических параметров процесса 128
5.4. Расчет параметров процесса при комбинированном. режиме деформации 131
5.4.1. Расчет деформации слоя протеиновой пасты при комбинированном режиме отжима 131
5.4.2. Определение технологических параметров процесса 133
5.5. Пример расчета параметров процесса отжима протеиновой пасты с использованием предлагаемой. методики. 134
5.5.1. Исходные данные и. расчет параметров процесса 134
6. РАЗРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ ОТЖИМА
ПРОТЕИНОВОЙ ПАСТИ 138
6.1. Анализ схем прессового оборудования 138
6.1.1. Схемы устройств, обеспечивающих заданный режим нагружения 138
6.1.2. Схемы устройств, обеспечивающих заданный режим деформации 140
6.2. Экспериментальный пресс ленточного типа *41
ОБЩИЕ ШВОДИ 151
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 154
ПРИЛОЖЕНИЯ 165
- Способы и технические средства для получения протеиновой пасты
- Модель процесса отжима пасты на базе теории фильтрационной консолидации
- Описание экспериментальной установки
- Технологические показатели процесса
- Расчет параметров процесса отжима при постоянной нагрузке
- Схемы устройств, обеспечивающих заданный режим нагружения
Введение к работе
В решениях ХХУІ съезда КПСС и в Продовольственной программе поставлена задача обеспечить разработку и внедрение новых технологий производства высококачественных кормов /I, 2/. К их числу относится технология переработки зеленых растений с применением влажного фракционирования (ВФЗР) и получением сухого протеинового концентрата (ПЗК) /3, 4, 5/. По сравнению с традиционными способами заготовки сена и сенажа технология позволяет ограничить влияние погодных условий, снизить потери питательных веществ, уменьшить затраты горючего при производстве травяной муки, получить из зеленой массы качественно новый кормовой продукт, заменяющий в рационах сельскохозяйственных животных дорогостоящие концкорма (обрат, рыбную муку и так далее) /6, 7/.
В настоящее время в данном направлении в СССР и за рубежом широко ведутся работы по выбору оптимального варианта технологии, определению рациональных режимов отдельных процессов и созданию соответствующего оборудования /8, 9, 10, II/.
Разработанные в последние годы экономически приемлемые варианты технологии ВФЗР включают следующие базовые процессы: дезинтеграцию зеленой массы, отжим сока из дезинтегрированной зеленой массы, коагуляцию зеленого сока, выделение протеиновой пасты (ПП), сушку ШІ. Однако при практической реализации технологии имеется ряд трудностей, связанных с получением протеиновой пасты.
Способ выделения ПП определяет уровень содержания в ней сухого вещества (СВ), удельную энергоемкость технологии ВФЗР и кон-струшщю сушильных установок, обеспечивающих получение сухого протеинового концентрата /12/. Минимально необходимый уровень СВ в выделяемой механическим путем ПП с учетом последующего формирования рыхлого слоя или влажных гранул требуемый для реализа- ции процесса сушки, составляет 35...40$ /13,14/. Применяемые на некоторых опытно-промышленных предприятиях способы выделения ЇЇП /15, 16/ позволяют получать продукт с необходимым уровнем содержания СВ, но при этом значительны потери ШІ с коричневым соком (СК) - до 22$, что существенно снижает выход сухого ПЗК. Поэтому возникает необходимость в изыскании способа выделения ПП и определении его параметров, обеспечивающих выход продукта с содержанием СВ 35...40$ и потерями ПП не более 3$ /17/.
Сказанное выше определяет актуальность настоящей работы и позволяет сформулировать цель исследования: Обосновать способ получения ПП из скоагулированного сока зеленых кормов с содержанием СВ 35...40$ и потерями ПП с СК не более 3$, а также определить параметры технологического режима реализации данного способа *
В соответствии с поставленной целью в диссертации разработаны: теория процесса механического обезвоживания пастообразных продуктов, построенная на базе нелинейной реологической модели; аналитическая модель процесса отжима протеиновой пасты, основу которой составляют результаты теоретических и экспериментальных исследований; теоретические зависимости, устанавливающие связь между физико-механическими характеристиками протеиновой пасты, степенью деформации слоя продукта и технологическими показателями процесса отжима; метод выбора режимов деформации слоя продукта, обеспечивающий реализацию процесса отжима с минимальными энергозатратами.
Практическая ценность результатов исследований заключается в том, что на основе полученной аналитической модели разработана инженерная методика расчета процесса отжима протеиновой ласты.
8 Методика позволяет определить степень обезвоживания, выход жидкой фазы, влажность продукта, а также осуществить выбор режима деформации слоя ПП с минимальным уровнем энергозатрат. Расчетные значения параметров процесса отжима протеиновой пасты проверены на опытной установке в макетном цехе КЗК РЙСХМа.
Работа выполнялась в соответствии с плановой тематикой НИР: "Исследование и обоснование комплекса оборудования для индустриальной заготовки кормов с возможным получением пищевого белка из зеленой массы" (Задание ГКНТ при Совете Министров СССР 001.51.10.02 на 1976-1980 гг.) и "Комплект оборудования по производству протеинового концентрата из зеленых растений" (план ОКР и НИР Минживмаша на I98I-I985 гг., шифр темы 1.501.101.3.80).
Материалы исследований переданы во Всесоюзный научно-исследовательский институт комплексных проблем машиностроения для животноводства и кормопроизводства (ВНИИКОМЖ) и использованы при разработке комплекта оборудования для получения протеиновых концентратов из зеленых кормов. Экономический эффект от внедрения результатов исследований в одном комплекте оборудования производительностью 4...6 т/ч по зеленой массе составит 8225 руб/год. Результаты исследований внедрены также во Всесоюзном научно-исследовательском биотехническом институте (ВНИИбиотехника) при разработке оборудования для получения протеиновых концентратов из зеленых отходов высших растений, что позволило снизить энергоемкость процесса на 30$.
Способы и технические средства для получения протеиновой пасты
Способ заключается в том, что сок зеленых растений, подвергнутый пароконтактной коагуляции, обладает способностью саморасслаиваться. В результате белковые агрегаты в основном всплывают на поверхность и лишь частично выпадают в осадок. Это объясняется тем, что при нагреве сока из него выделяются растворенные газы, и белковые частицы образуют агрегаты насыщенные газом. Агрегаты флотируют и занимают до 40$ от объема всего сока /20, 21/. В то же время часть белковых частиц оседает, образуя осадок. Основные размеры белковых частиц и агрегатов, вязкость СК определены нами в работах /22, 23/. После отделения ПП коричневый сок содержит 2,5... 4,0$ примесей протеиновой пасты (от сухих веществ коричневого сока). Потери ПП в СК могут быть снижены до 0,4...0,8$ сепараторами тарельчатого типа /24/, но это значительно усложняет процесс выделения ПП из скоагулированного сока.
Для оценки процесса флотационного выделения Пїї нами был разработан и испытан флотационный разделитель (ФР) периодического действия /20/ (рис.1.2).
Установка включает поворотную емкость, смонтированную на раме, поддон для слива коричневого сока, датчики уровня и температуры. Испытания ФР показали, что выход ІШ составляет 35...40% от исходного количества скоагулированного сока. Содержание СВ в выделенной ЇЇП составляло до 16...18$, а в СК-7%. Производительность одной установки составляла 750 кг/ч по исходному продукту /19/.
Способ флотационного разделения был использован также в технологии, разработанной Западной региональной НЙЯ МСХ США /25/ для первичного выделениям. Процесс получил название Рго-Х(Щ ("Проксан"). Зеленый сок, отжатый на вальцевом прессе,смешивался с воздухом и паром, после чего ШІ выбиралась из отстойника фильтрующим транспортером.
В технологии "Проксан" (вариант 1970 г) /21, 26, 27/ зеленый сок коагулируется паром, а для лучшей флотации белковых частиц дополнительно с паром подается воздух. Паста отделяется последовательно на конвейерном и барабанном сепараторах.
Конвейерный сепаратор состоит из емкости и транспортера с решетчатыми планками для выгрузки ПИ. Очистка планок транспортера от пасты осуществляется сжатнм.воздухом.
Барабанный сепаратор диаметром 0,458 м и длиной 0,712 м включает продольные планки, установленные внутри барабана, на которых закреплена фильтр-ткань. Угол наклона барабана к горизонтальной шюскости 5, частота вращешш 0,017 с"1.
Производительность системы (конвейерно :-барабанный сепараторы) составляет до 0,094 кг/с по исходному продукту, содержание СВ в ШЫ8...20%, потери ШІ с СК составляют 1,6...6,5$.
Модель процесса отжима пасты на базе теории фильтрационной консолидации
Модель процесса отжима протеиновой пасты на базе теории фильтрационной консолидации была разработана нами в работе /73/.
При построении модели были приняты следующие допущения:
- зависимость деформация-напряжение (для слоя пасты) имеет линейный характер и приложенные напряжения вызывают мгновенную деформацию твердой фазы;
- давление, прикладываемое к слою, в первый момент времени передается только на жидкую фазу (коричневый сок);
- в процессе отжима фильтрация жидкой фазы в порах скелета пасты подчиняется закону ламинарной фильтрации Дарси.
Рассмотрим одномерную задачу сжатия слоя пасты между двумя параллельными влагопроницаемыми плоскостями, что идентично сжатию пасты в компрессионной камере с проницаемым дном без учете трения на её боковых стенках.
Дифференциальное уравнение фильтрационной консолидации для одномерной задачи, позволяющее описать деформацию слоя пасты при его уплотнении в случае фильтрации жидкой фазы через влаго-проницаемую поверхность,можно представить в виде /53/ соке); Р - внешнее давление; V - время; Кк=Кф/йй" - коэффициент консолидации; Кф - коэффициент фильтрации; Q - коэффициент уплотнения твердой фазы; Г - объемный вес жидкой фазы (коричневого сока). При этом для произвольного момента времени Т (рис.2.1) на глубине z от дренирующей поверхности сумма порового давления в жидкой фазе Ра? и давления в твердой фазе (скелета) rz равна внешнему давлению Р , приложенному к слою материала, то есть
Рассмотрим процесс обезвоживания слоя пасты, когда влияние начальных условий практически не сказывается на распределение давления внутри слоя в момент наблюдения, то есть задачу, удовлетворяющую только граничным условиям. Для этого проведем решение уравнения (2.1) с учетом основных схем нагружения материала. Механическое обезвоживание белковой пасты зеленых кормов может осуществляться разными типами рабочих органов, при этом их конструктивные особенности в принципе позволяют получать требуемую закономерность изменения давления.
title3 Описание экспериментальной установки title3
В соответствии с программой исследований была разработана экспериментальная установка (рис.3.1), состоящая из компрессионной камеры и универсальной гидравлической испытательной машины Р-10.
Компрессионная камера (рис.3.2, 3.3) представляла собой цилиндр (диаметр 75 I0"3 м) с жесткими стенками для обеспечения сжатия слоя ШІ только в одном направлении (без возможности бокового расширения). Материал сжимался между поршнем и дренажной поверхностью, обеспечивающей сток жидкости. Дренажная поверхность состояла из перфорированной решетки толщиной 2 10 3 м с диаметром отверстий перфорации І,5 І0 3м и живым сечением 0,4, на которую укладывалась фильтр-ткань ТТ-1Ь6.Перфорированная решетка с фильтр-тканью устаналивалась на решетчатый упор неподвижно и фиксировалась.диаметр отверстий упора (Ь#10 3м) и его "живое" сечение превышали аналогичные параметры перфорированной решетки.С нижней стороны упора имелась полость, из которой жидкость стекала через боковые прорези.
title4 Технологические показатели процесса title4
Предположим, что протеиновая ласта является двухфазной дисперсной системой, состоящей из двух фаз: сухого вещества (СВ) и воды. Каждая из получаемых в процессе отжима фракций, обезвоженная паста ПП и коричневый сок (СК), также вклкяает две указанные фазы. Сухое вещество каждой из полученных в процессе отжима фаз состоит из ряда химических соединений (белка, каротина, Сахаров и других), которые распределяются в тех или иных соотношениях по ним. Поэтому технологический процесс выделения ПП из скоагулиро-ванного сока следует рассматривать с учетом разделения как фаз, так и химических компонентов, что ранее не выполнялось.
Как показала практика, наиболее удобными являются относительные массовые показатели. К относительным массовым показате-лт относятся влажность В шш содержание сухого вещства С . содержание Хс того или иного химического соединения в сухом веществе одной из фракций. Рассмотрим связь характеристик исходного продукта с названными показателями, а затем исследуем этот комплекс в зависимости от режимов ведения процесса.
class5 РАЗРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ ОТЖИМА
ПРОТЕИНОВОЙ ПАСТИ class5
Схемы устройств, обеспечивающих заданный режим нагружения
Прессовое оборудование, работающее по заданной программе нагружения, подразделяется на два основных типа: камерное и ленточное.
Камерный автоматизированный фильтр-пресс ФПАКМ с горизонтальными камерами (рис.б. а) используется для отжима дисперсных продуктов в химической промышленности. Исходный продукт подается в камеру фильтрации, при этом жидкая фаза продукта проходит через фильтровальную ткань ,а образовавшийся осадок на поверхности ткани отжимается резиновыми диафрагмами. Отжим осадка осуществляется при постоянном давлении. После этого ткань выводят из камеры и обезвоженный продукт снимают ножом. При забивании пор фильтровальной ткани осадком производят ее регенерацию.
Недостатком оборудования такого типа являются значительная его стоимость и трудоемкость технического обслуживания и ремонта. В эксплуатации эти пресса требуют высокой квалификации обслуживающего персонала.
