Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. цель и задачи исследований 7
1.1. Характеристика соевых белковых кормов и анализ способов их приготовления 7
1.2. Существующие прессы для отжатия жидкости и их анализ 30
1.3. Обзор проведенных исследований по изучению процесса отжима жидкости из продуктов 49
1.4. Цель и задачи исследований 54
2. Теоретические исследования процесса отжима влаги из кормовой массы 57
2.1. Элементарные представления об отжиме жидкости 57
2.2. Общие уравнения отжима жидкости 59
2.3. Анализ влияния отдельных факторов на процесс отжима жидкости. 66
2.4. Анализ процесса сжатия материала 69
2.5. Теоретическое обоснование параметров ленточного пресса
2.5.1. Анализ процесса отжима влаги из кормовой массы 70
2.5.2. Мощность затрачиваемая прессом для отжима жидкости 95
2.5.3. Производительность ленточного пресса 101
3. Программа и методика экспериментальных исследований 109
3.1. Задачи экспериментальных исследований 109
3.2. Лабораторная установка и оборудование для установления зависимостей AW = ДР) и W =Дт) 110
3.3. Установка и оборудование для проведения экспериментальных исследований по обоснованию оптимальных параметров ленточного пресса 112
3.4. Методика проведения эксперимента 112
Методика планирования экспериментальных исследований 116
Результатызкспериментальных исследований и их анализ 121
Определение физико-механических свойств нерастворимого соевого остатка 121
Исследование влияния давления прессования на выход жидкой фракции 122
Исследование влияния продолжительности прессования на конечную влажность продукта 123
Определение зависимости влажности от высоты продукта и давления прессования 124
Исследования по определению оптимальных параметров ленточного пресса 127
Производственные испытания, экономическая эффективность результатов исследований и методика расчета линии производства сухого соевого продукта из окары .142
Производственные испытания 142
Экономическая эффективность результатов исследований 160
Методика расчета линии производства сухого белкового продукта из окары 165
Общие выводы 169
Список литературы .171
- Существующие прессы для отжатия жидкости и их анализ
- Анализ процесса сжатия материала
- Лабораторная установка и оборудование для установления зависимостей AW = ДР) и W =Дт)
- Исследование влияния продолжительности прессования на конечную влажность продукта
Существующие прессы для отжатия жидкости и их анализ
Как показал проведенный обзор и анализ литературных источников, а также практика, вопрос рационального использования соевого нерастворимого остатка как побочного продукта производства жидкой соевой основы, в настоящее время не решен. Попытки обеспечить сушку данного продукта после разделения на центрифуге положительных результатов не дали.
Как показали поисковые опыты, проведенные нами, эффективную сушку данного продукта можно обеспечить лишь при удалении из него части влаги. При этом удаление части влаги можно осуществить прессованием полученной массы до определенного значения влажности.
Решение вопроса сушки нерастворимого остатка при производстве соевого молока, особенно в больших объемах, позволит обеспечить хранение сушенного белкового продукта и эффективное последующее его использование на кормовые цели.
Анализ литературных источников /2, 66 - 68, 75, 82, 83, 109, 126/ показал, что процесс отжатия жидкости из влажных материалов используется во многих отраслях народного хозяйства страны. Наибольшее распространение прессы получили в сельскохозяйственном производстве при разделении навоза на фракции /83/, в перерабатывающей отрасли /126/, при производстве растительного масла и вина /66-68/, а также в производстве продуктов питания /2, 75, 82, 109/.
Наиболее широко процесс отжатия жидкости используется в виноделии. При этом жидкая фракция от твердой отделяется самыми различными способами и техническими средствами. Прежде всего, это обусловлено существенным различием физико-механических свойств перерабатываемого сырья, а также необходимостью переработки большого его количества. Как показал проведенный обзор и анализ литературных источников, все прессы для отжатия жидкой фракции из материала можно разделить на две группы: периодического действия и непрерывного.
По способу создания давления прессы первой группы разделяются на механические, гидравлические и пневматические. Прессы второй группы, как правило, механические.
В качестве рабочих органов в прессах первой группы, чаще всего используются корзины и поршни в некоторых случаях - ленты и пневматические баллоны. В прессах непрерывного действия рабочими органами служат шнеки, ленты, цилиндрические, и конические перфорированные барабаны, эксцентрики, вальцы и т.д. /2, 66-68, 75, 82, 83, 109, 126/.
Несмотря на общие недостатки, присущие всем процессам периодического действия (низкая производительность, большие затраты труда), эти прессы обеспечивают получение жидкого продукта высокого качества. В этой связи они широко используются в винодельческой промышленности. Ниже приведены некоторые конструкции прессов периодического действия, которые на наш взгляд заслуживают определенного внимания.
Пакпресс РОК-200с (Польша) с тремя платформами показан на рис. 1.15. Мезга прессуется, когда платформа устанавливается в положение І. В положении II на платформе ведется загрузка мезги, а в положении III -разгрузка. Поворачивается платформа каруселью 13, точность останови после поворота контролируется фиксатором 5. Для облегчения загрузки платформы могут перемещаться по вертикали гидроподъемником 2.
Прессование начинается, когда пакет (дренажные решетки и салфетки с мезгой сырья) прижимается к опорной плите 8. Плита является деталью жесткой рамной конструкции, состоящей из двутавров 3, швеллеров 6 и связующих стоек 4.
Сок стекает в поддон-ванну 9 и, процеживаясь через цилиндрический фильтр, попадает в нижний сборник. Для исключения перекосов платформы при прессовании площадка 10 снабжена направляющей 1.
Давление на мезгу повышают постепенно. После прекращения вытекания сока давление снижают до 0 и выгружают выжимки.
Горизонтальный корзиночный пресс «Бухер HP» (рис. 1.16, 1.17) представляет собой сплошной цилиндр, закрытый с двух сторон дисками 1 и 3, один из которых приводится в движение гидросистемой, а второй закреплен неподвижно. Между дисками размещена дренажная система из гибких желобчатых стержней 2, покрытых снаружи синтетической фильтрующей тканью. Через центр неподвижного диска проходит трубопровод для подачи мезги в пресс. Подвижной диск 3 перемещается валом 4 от привода.
Прессование осуществляется без вращения цилиндра. Мезга подается внутрь его, и заполняет пространство между дренажными стержнями 2, которые при прессовании сгибаются.
При прессовании подвижной диск 3 вдвигается внутрь цилиндра и создает давление на мезгу. При этом отделившийся сок проходит через фильтрующую ткань и по желобам стержней стекает в общий трубопровод. По окончании одного цикла прессования подвижной диск отодвигается назад, при этом стержни распределяются и разрыхляют мезгу. Каждая партия загруженной мезги прессуется за 4.. .5 циклов.
Анализ процесса сжатия материала
В ходе отжима объём материала уменьшается главным образом вследствие сближения внешних и внутренних поверхностей частиц и отжима жидкости. Возможно так же изменение плотности материала в результате химических превращений в ходе отжима /32/, что может оказывать влияние на изменение объёма материала.
При прессовании очень важно знать упругие свойства деформируемой кормовой массы (мезги), так как это позволяет определить давление, которое создаётся в прессе. Эти свойства кормовой массы позволяют также определить работу, затрачиваемую на её прессование.
Упругие свойства мезги изучают по диаграмме прессования, координатами которой являются удельное давление - степень сжатия.
Степень сжатия , - это отношение первоначального объёма мезги к конечному. Эта безразмерная величина, показывающая во сколько раз уменьшается объем мезги под действием определённого давления.
Изучение подобных диаграмм прессования для подсолнечной мезги /113/ показало, что зависимость между давлением, которое испытывает мезга, и степенью сжатия при определённых температуре и влажности описывается уравнением степенного вида р = а п (19) Из этих же диаграмм установлено, что между давлением и влажностью W существует зависимость показательного вида _kw пі P = m e = ;Ew (20) Поэтому удельное давление p, влажность W и степень сжатия мезги связаны между собой соотношением m-a-n Р = —мг- - 2)) С Из формулы (21) можно сделать вывод: поскольку между действующим удельным давлением и влажностью мезги существует убывающая функциональная зависимость, то при повышении влажности мезги для сжатия её до определённой степени потребуется меньше удельного давления. Иными словами, с увеличением влажности мезги упругие свойства её уменьшаются, а пластичные свойства повышаются.
Схема пресса представлена на рисунке 1. Пресс представляет собой два ленточных транспортёра: нижний длиной L и верхний длиной 1 (L 1). Направления движения транспортёров изображены на рис.1. Скорости движений лент транспортёров равны по величине: Vi=V2=V.
На верхнюю ветвь нижнего транспортёра подаётся кормовая масса в виде непрерывного слоя толщиной h. Этот слой движется со скоростью V]=V слева направо до встречи с верхним транспортёром. Крайний левый коней нижней ветви верхнего транспортёра расположен несколько выше уровня расположения верхней ветви нижнего транспортёра (занимающий горизонтальное положение) на расстоянии h (рис.2.2). Нижняя ветвь верхнего транспортёра расположена под некоторым небольшим углом а0 (рис.2.2) к верхней ветви нижнего транспортёра (в том случае, когда кормовая масса между этими ветвями отсутствует). После соприкосновения с верхним транспортёром кормовая масса, двигаясь слева направо, постепенно сжимается. Толщина слоя кормовой массы постепенно уменьшается. При этом происходит следующий процесс.
Сжатию слоя препятствует нижняя часть АВ прямолинейной ветви верхнего транспортёра. На эту ветвь транспортёра действует давление со стороны сжимаемой кормовой массы. При этом ветвь АВ поворачивается вокруг точки А против часовой стрелки. Повороту ветви АВ препятствуют силы, передаваемые со стороны пружин прижимающих нижнюю ветвь верхнего транспортёра к сжимаемой кормовой массе.
При установившемся режиме работы пресса нижняя ветвь ленты (как и весь верхний транспортёр) верхнего транспортёра занимает некоторое постоянное, установившееся положение, определяемое некоторым постоянным углом а наклона по отношению к горизонтальному положению верхней ветви нижнего транспортёра.
Рассмотрим установившееся равновесное положение нижней ветви АВ верхнего транспортёра. Для этого проведём мысленно два поперечных сечения ленты в точках А и В и рассмотрим (участок) часть АВ ленты. Прежде всего, установим силы, действующие на часть АВ ленты.
Пусть на АВ действует ряд пружин сжатия следующим образом. В промежутках А и В действует п пружин, одинаковых по своим конструктивным характеристикам - одинаковой длины и с одинаковыми жесткостями. Пусть пружины расположены по отношению друг к другу на одинаковом расстоянии і In а = І! = - (22) п
Лабораторная установка и оборудование для установления зависимостей AW = ДР) и W =Дт)
Анализ данной зависимости показывает, что длина прессующего транспортера функционально зависит от заданных технологическим режимом пропускной способности линии производства продукта Q, начальной и допустимой конечной его влажности WH и [Wk], а также физико-механических свойств прессуемого продукта р.
В конечном итоге задача сводится к тому, чтобы экспериментальным путем установить зависимость W =Дт).
1. В результате теоретического анализа на основе базовых законов Пуазейля и Дарси; получено общее уравнение отжима жидкости (16) из продукта в критериальной форме. Анализ данного уравнения позволил установить, что остаток отжимаемой жидкости зависит от общего и гидродинамического давлений, толщины слоя продукта, вязкости отжимаемой жидкости, продолжительности прессования, степени уплотнения продукта и проницаемости деформируемого продукта. Рассмотрена роль каждого из факторов, влияющих на процесс отжатия жидкости.
2. Силовой анализ давления на деформируемый продукт прессующего транспортера позволил установить зависимости давления Р от количества отжатой жидкости AW (69) и наоборот - количества отжатой жидкости ДW от давления Р (75) с учетом конструктивных особенностей и параметров ленточного пресса.
3. Теоретический анализ процесса отжатия жидкости из продукта позволил получить аналитическую зависимость (96), позволяющую рассчитать мощность, затрачиваемую на работу ленточного пресса, которая в значительной степени зависит от фактора - AW.
4. С учетом фактора - AW получены выражения, позволяющие расчетным путем определить массовую поизводительность ленточного пресса (100) и производительность по отжатой жидкости (113).
Теоретическим путем обоснована длина прессующего транспортера, являющегося основным структурным элементом ленточного пресса. Получена аналитическая зависимость длины прессующего транспортера (120) от технологических (Q, h , WH, [AW]), и конструктивных (b) факторов, а также физико-механических свойств продукта (р).
Экспериментальные исследования процесса получения соевой белковой добавки из соевого зерна, в процессе производства соевой жидкой основы, проводились в три этапа. На первом этапе необходимо провести исследования по изучению физико-механических свойств нерастворимого соевого остатка, получаемого при приготовлении соевой жидкой основы (соевого молока).
На втором этапе необходимо проверить гипотезу о влиянии давления Р на количество отжимаемой жидкости AW, Р =/(ДW), установить зависимость влажности окары W от продолжительности пресования W=/(T) и определить интервалы варьирования факторами.
На третьем этапе необходимо провести экспериментальные исследования по обоснованию оптимальных конструктивно-режимных параметров ленточного пресса, обеспечивающего отжим жидкости из нерастворимого соевого остатка для последующей его сушки в сушильной установке типа ВС-150 КПИ.
В соответствии с программой и поставленными задачами исследований необходимо осуществить отбор проб исходного сырья, полученного нерастворимого остатка до прессования, после прессования и после сушки.
В процессе подготовки к экспериментальным исследованиям необходимо разработать лабораторную и пилотную установки по изучению процесса отжима жидкости как в лабораторных условиях, так и с помощью ленточного пресса непрерывного действия.
На заключительном этапе получить результаты, провести их обработку и анализ. Установление данных зависимостей проводилось на установке, представленной на рис.3.1., которая включила емкость 1 с перфорированным сменным дном 0 190 мм и отверстиями 0 0,5 мм, 1 мм, 2 мм, 2,5 мм. М \ I IU1HI / , = г =_ 0- 1- емкость; 2- диск; 3 - окара; 4 - дно с перфорацией; 5 - емкость для сбора жидкости. Рис. 3.1 Схема устройства для отжатия жидкости из окары.
Емкость 1 установлена на поддон 5 для сбора отжатой жидкости. Для установки груза на отжимаемый материал, с целью изменения давления на него, использовался диск 2 из пластмассы.
Влажность материала до прессования и после прессования определяли по известной методике с помощью сушильного шкафа СЭШ-ЗМ и весов ВЛТК-500М, представленных на рис.3.2 и 3.3.
Установка и оборудование для проведения экспериментальных исследований по обоснованию оптимальных параметров ленточного пресса Для изучения процесса отжима жидкости из нерастворимого соевого остатка, была разработана специальная экспериментальная установка, которая позволяла в необходимых пределах варьировать значениями исследуемых факторов. Схема и общий вид экспериментальной установки представлены на рис.3.4 и 3.5.
Установка включает подающий ленточный транспортер 1, тяговый элемент которого имеет перфорацию. Над ним наклонно установлен прессующий транспортер 2, содержащий прижимное устройство 3 с помощью которого регулируется давление на прессуемую массу. Скорость движения транспортера 1 регулировалась с помощью смены приводных звездочек привода 4.
Для загрузки исходного сырья и сбора отжатого продукта и жидкости использовались емкости 5-7. В процессе экспериментальных исследований отжатый продукт и жидкость взвешивались. При этом нерастворимый соевый остаток равномерным слоем необходимой высоты распределялся вручную на перфорированной ленте транспортера 1. Для замеров мощности использовался ваттметр Д-566, а для определения частоты вращения ведущего барабана транспортера - тахометр часового типа ТЧ-10-Р ГОСТ 14915-69.
Исследование влияния продолжительности прессования на конечную влажность продукта
Для приготовления раствора NaHC03 используется питьевая вода, отвечающая требованиям ГОСТ 2874-89, нагретая до температуры (55±5)С. Концентрированный 10%-ый раствор NaHC03 А16 (см.рис.5.1) приготавливался в баке для раствора NaHC03 путем растворения сухой питьевой соды, взвешенной предварительно на весах, с расчетным количеством воды (157,7л.).
Приготовление раствора проводилось при постоянном механическом перемешивании. Контроль концентрации приготовления раствора выполнялся лабораторией. Рабочий раствор NaHC03 (0,15 ± 0,05)% приготавливался в смесителе А17, путем разбавления 10%-ного раствора NaHC03 питьевой водой, подаваемой насосом А19 из подготовительного отделения.
Активная кислотность (рН) приготовленного рабочего раствора (7,0 -8,0) определялась лабораторией по отобранной из А21 пробе.
Приготовленный в смесителе А17 рабочий раствор NaHC03 направлялся в ванну для замачивания сои А13 или в бункер для сои A3.
Дозирование семян сои Предварительно взвешенные на весах А20 и очищенные семена сои подавались в моечную машину А15, в которой промывались водопроводной водой и делаются в ванну для замачивания сои А13 вертикальным транспортером АН. В ванне А13 семена сои замачиваются в растворе NaHCCb требуемой концентрации и рН. Одновременно с семенами в барботер подавался острый пар, давление которого контролировалось манометром (0,3 МПа). Время нахождения семян в ванне - 2 часа. Очистка семян сои
После замачивания семена сои перекачивались насосом А4.1 в бункер A3 для смешивания с раствором ИаНСОз. Соотношение расходов «семена : растворитель» устанавливалось в диапазоне от 1:8 до 1:8,6 в расчете на исходную массу семян. Конкретное соотношение расхода семян и растворителя зависает от количества раствора №НСОз, использованного на стадии подготовки семян к извлечению соевого белка.
Из бункера A3 семена сои с раствором NaHC03 подавались через затворы, находящиеся в конической части, на дробилку А2.
Требуемое качество дробления достигалось за счет регулирования зазора между жерновами и количеством подаваемого раствора NaHC03. Отделение нерастворимого остатка от соевой основы
Суспензия накапливалась в ванне А22 и насосом А4.2 подавалась на отделение нерастворимого остатка от соевой основы. Отделение производилось на одной из центрифуг А5.1 и А5.2 (см.рис.5.3). Нерастворимый остаток после центрифуг А5.1 и А5.2 собирался в емкости А6.1 и разбавлялся водой, нагретой до температуры (55±5)С. Насосом А8.1 он возвращался в бункер A3 или в ванну А22. Соевая основа после центрифуг А5.1, А5.2 собиралась в емкости для молока А7.1 и далее насосом А8.2 направлялась на третью центрифугу А5.3.
Нерастворимый остаток после третьей центрифуги собирался в емкости для отходов А6.2, разбавлялся водой, нагретой до температуры (55±5)С и насосом А8.3 подаевался в ванну А22.
Соевая основа после центрифуги А5.3 поступала в емкость для молока А7.2 и насосом А18.1 подавалась в промежуточный резервуар А9. Пастеризация соевой основы Пастеризация соевой основы производилась в трубчатом пастеризаторе А10 (см.рис.5.4). Соевая основа, нагнетаемая насосом А 18.2 во время пастеризации проходя последовательно по всем трубам нижнего и верхнего цилиндров и нагревалась паром, который поступал в межтрубное пространство цилиндров до температуры (100-110)С. Конденсат из межтрубного пространства верхнего и нижнего цилиндров автоматически удалялась термодинамическим конденсатоотводчиком в заводской конденсатосборник. Пастеризованная соевая основа накапливалась в резервуарах для соевого молока А12 и выдерживалась в течении 30 минут при температуре пастеризации, которая поддерживалась путем подачи пара в рубашки резервуаров. Конденсат автоматически удалялся кондесатоотводчиком в заводской конденсатосборник.
Далее, соевая основа насосом А18.3 подавалась на охладитель All, где с помощью рассола охлаждалась до температуры 4С и подавалась в резервуар для готового продукта А1, из которого направлялась для приготовления различных продуктов в зависимости от рецептуры.
Нормы технологического режима производства соевой основы и нерастворимого соевого остатка представлены в таблице 5.3., материальный баланс производства - в таблице 5.4 и сводный баланс - в таблице 5.5.
В результате производства соевой основы, так называемого «соевого молока» на молочном комбинате «Благовещенский» был получен продукт, характеристика которого приведена в таблице 5.6.
