Содержание к диссертации
Введение
2. Объекты и методы исследования
2.1 Объекты исследования 17
2.2. Методы исследования.
2.2.1. Методы определения количественно-качественных характеристик зерна и продуктов размола 18
2.2.2 Оценка эффективности технологических процессов 19
2.2.3 Моделирование технологических процессов 29
3. Экспериментальное исследование структуры мукомольного завода .
3.1 Общий подход к исследованию структуры 34
3.2 Иерархия проектных процедур 35
3.3 Исследование структуры зерноочистительного отделения 38
3.4 Исследование структуры размольного отделения 44
4. Совершенствование процессов зерноочистительного отделения мукомольного завода .
4.1 Формирование потоков и составление помольных смесей 49
4.2 Очистка зерна от примесей
4.2.1. Основные положения 60
4.2.1 Делимость смесей 62
4.2.2 Моделирование процесса сепарирования 63
4.3 Кондиционирование
4.3.1 Основные положения 68
4.3.2 Исследование влияния режимов кондиционирования на структурно-механические свойства зерна 70
4.3.3 Исследование теплового эффекта кондиционирования... 81
4.3.4 Эксперимент&чьное определение оптимальных значений режимов холодного кондиционирования 83
4.3.5 Экспериментальное определение оптимальных режимов кондиционирования зерносмеси 93
5. Совершенствование технологии размола зерна
5.1 Основные положения ..96
5.2 Теоретические основы моделирования размола зерна
5.2.1 Размерная характеристика продукта размола 98
5.2.2 Закономерности распределения частиц по размерам 100
5.2.3 Методика анштиза гранулометрических характеристик продуктов размола 103
5.2.4 Методика оценки гранулометрического состава продуктов размола 104
5.3 Экспериментальные исследования измельчения дисперсного состава продуктов размола
5.3.1 Ситовой метод 107
5.3.2 Микроскопический метод 110
5.3.3 Статистический анализ уравнений дисперсного состава 112
5.3.4 Теоретическое обоснование закона распределения частиц продукта размола по размерам 115
5.3.5 Влияние основных параметров вальцового станка на дисперсный состав продуктов размола 116
5.4 Расчет циркулирующих потоков в размольном отделении мукомольного завода.
5.4.1 Простой циркулирующий поток 133
5.4.2 Сложный циркулирующий поток 135
5.5 Исследование качественных характеристик продуктов размола
5.5.1 Основные положения 138
5.5.2 Зависимость зольности от размера частиц 141
5.5.3 Зависимость содержания эндосперма от формы частиц. 158
6. Проектирование технологических процессов .
6.1 Разработка технологических схем товарных мельниц 164
6.2 Разработка технологических схем малых и минимельниц .
6.2.1 Общие принципы разрботки схемы подготовки зерна... 173
6.2.2 Разработка схем подготовки зерна 174
6.2.3 Общие принципы разработки схемы размола зерна 176
6.2.4 Технологическая схема размола зерна с использованием одного вальцового станка 178
6.2.5 Технологическая схема размола зерна с использованием двух вальцовых станков 180
6.2.6 Технологическая схема размола зерна с использованием трех вальцовых станков 183
7. Исследование по совершенствованию технологии производства ржаной муки .
7.1 Общая характеристика ржи 187
7.2 Оценка технологических достоинств зерна ржи
7.2.1 Современное состояние вопроса 190
7.2.2 Экспериментальное исследование технологических свойств зерна ржи 196
7.3 Совершенствование технологии подготовки и размола зерна ржи с использованием интенсивного шелушения 203
7.4 Совершенствование технологии подготовки зерна к помолу. 7.4.1 Статистические исследование эффективности подготовки зерна ржи 204
7.4.2 Исследование эффективности фракционирования зерна ржи на концентраторе 207
7.4.3 Технологическая схема подготовки зерна ржи к помолу с использованием фракционирования зерна 215
7.5 Совершенствование технологических процессов размола зерна ржи 216
7.6 Разработка технологии производства муки из ржано-пшеничных смесей 220
Основные выводы 236
Список использованных источников 238
Приложения.
- Методы определения количественно-качественных характеристик зерна и продуктов размола
- Очистка зерна от примесей
- Теоретические основы моделирования размола зерна
- Разработка технологических схем малых и минимельниц
Введение к работе
1.1 Актуальность проблемы.
Зерноперерабатывающая отрасль, являясь важнейшей отраслью народного хозяйства, служит основным поставщиком продовольствия для населения России. Анализ состояния отрасли указывает на острую необходимость модернизации производства по причине не только существенного отставания технического уровня технологических процессов от зарубежного. Необходимость модернизации производства диктуется стабильным ростом спроса на высокосортную продукцию. Это характеризуется долей сортовой муки в общем объеме, которая уже в настоящее время составляет более 96%. Наиболее высокие темпы роста наблюдаются в производстве муки пшеничной высшего сорта. Если в 1980г. доля муки высшего сорта составляла 21.2% к объему пшеничной сортовой муки, то в 1990г. составила 39.7%, а в 1999г. уже 46.2%. Таким образом, с общим ростом производства сортовой муки, доля муки высшего сорта растет в еще более высоком темпе.
1.1. Производство муки в России.
Производс тво,т.тонн г о Д ы 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 Товарные мельницы 17449 14741 12739 11252 10785 10929 12024 12212
Минимель ницы 2500 2850 2800 Следует отметить, что объем производства муки на минимельницах составляет не менее 20% от общего объема производства.
Рост спроса на пшеничную муку высшего сорта сопровождается негативной тенденцией снижения качества зерна пшеницы при общем недостаточном объеме ее производства, что неоднократно отмечалось на различных научных конференциях и съездах мукомолов России. Средняя самообеспеченность страны зерном остается на уровне 82 - 87% (7,43,63). Более того, только 60% производимой пшеницы соответствует требованиям на продовольственное зерно. Существенно изменились качественные характеристики зерна Северного Кавказа, значительно уменьшились содержание клейковины и стекловидность, ухудшилось качество клейковины, что объясняется целым комплексом негативных явлений, что связано, прежде всего, с продуктивностью природных факторов (7,26,43,63,66,116,118,206).
В качестве примера можно привести данные по содержанию клейковины и стекловидности зерна пшениц южных и восточных районов России, которые были получены при оценке мукомольных свойств зерна в экспериментальной лаборатории ОАО «Мелькомбинат в Сокольниках», всего обследовано партий - 48 в 1959-бЗг.г. и 54 партии в 1997 - 99 г.г.
1.2. Средние значения показателей качества партий зерна пшеницы.
Период,гг. Пшеница 1 типа Пшеница 4 типа
Содержание клейковины% Стекловидность,% Содержаниеклейковины% Стекловидность,%
1959-1963 27.5 38 26.8 59
1997-1999 26.4 52 24.6 46
Как видно из приведенных данных, ухудшение как хлебопекарных, так и мукомольных достоинств наблюдается для зерна 4 типа.
Еще более трудное положение сложилось с производством ржаной муки, когда недостаток производства зерна ржи сопровождается значительными колебаниями качественных характеристик, особенно амилолитической активности.
Безусловно, важнейшим фактором разумного использования продовольственной пшеницы и ржи является адресное использование зерна, т.е. соответствие качественных признаков зерна, перерабатываемого в муку, требованиям к качеству конкретных готовых изделий. Возможность мукомольной промышленности решать задачу обеспечения потребности в муке с заданными качественными характеристиками определяется, прежде всего, ее техническими возможностями (7,59,70,116,206,220,233).
Совершенствование технологии, безусловно, связано с повышением уровня использования зерна на основе модернизации производства и совершенствования производства как системы (7,13,42,116,118). Анализ технического состояния мукомольных заводов показывает, что интенсивное обновление производственных мощностей за счет нового строительства и реконструкции действующих предприятий в период с 1981 по 1990гг позволило ввести в действие более ста заводов, производящих более 50% муки. Особенно интенсивное введение новых мощностей имело место в период с 1986 по 1990гг, когда было введено более 25000тонн /сутки. Таким образом, к 1991 г сложилось положение, когда мукомольная промышленность России, обладая в целом избыточной мощностью, представляла собой две группы предприятий -современные предприятия и устаревшие, технически отсталые, причем около 30% общей производственной мощности мельниц еще сегодня приходится на предприятия, построенные до 1917г. Уровень технологических процессов отечественных типовых мукомольных заводов значительно уступает современным разработкам ведущих иностранных фирм, что объясняет интенсивный рост импорта оборудования и технологий в зерноперерабатывающей промышленности России.
Структура мощности мукомольных заводов России показана в таблице 1.З., где приведенные данные характеризуют различные периоды развития отрасли.
1.3. Структура мощности мукомольных заводов России.
Мощность,т/сут. Го д ы 7 8 19 9 0 19 9 Кол-во % Кол-во % Кол-во %
0-50 46 12 37 10.3 29 8.2
51-100 61 15.7 50 13.9 50 14.1
101-150 31 8 37 10.3 40 11.3
151-200 50 13.1 45 12.5 45 12.7
201-250 61 15.7 50 13.9 53 14.9
251-400 69 18 70 19.5 71 20
401-600 41 10.5 57 15.9 54 15.2
Йз таблицы 1.3. видно, что тенденция сокращения количества заводов сопровождается и изменением структуры мощности. Производственная мощность мельниц варьирует в достаточно широком диапазоне, однако, основными видами мукомольных заводов являются предприятия мощностью 250 - 400т/сутки, т.е. предприятия, имеющие многопоточную схему подготовки зерна и одно - двухсекционное размольное отделение. Устойчивая тенденция сокращения предприятий малой мощности до 1992года была нарушена кардинальными структурными изменениями, связанными с приватизацией предприятий и другими причинами. К сожалению, отсутствие учета и контроля за минипроизводствами не позволяет оценить то количество минимельниц, которое установлено, начиная с 1992г. По самым приблизительным оценкам их количество в настоящее время составляет несколько тысяч, однако, низкий уровень использования зерна на предприятиях такого типа подтверждает временный характер тенденции их развития.
Данные, приведенные в работах (42,153), достаточно наглядно характеризуют техническое состояние мукомольных заводов. Так, характеристикой диспропорции в развитии мощности мукомольных заводов является то., что «около 30% общей производственной мощности мельниц приходится на предприятия, построенные до 1917г, на которых невозможно применение рациональных технологических процессов, технических решений» (153) .В той же работе отмечается, что уровень технологических процессов отечественных типовых мукомольных заводов значительно уступает современным разработкам ведущих иностранных фирм, что обьясняет интенсивный рост импорта оборудования и технологий в зерноперерабатывающей промышленности России.
Тенденция проведения реконструкции действующих предприятий в последние годы получила дальнейшее развитие. Так, по данным президента Союза мукомольных и крупяных предприятий В.И.Ефремова (43) в 1998-99гг таким образом было введено более 5000т/сутки новых мощностей за счет, в основном, реконструкции 18 товарных мельниц.
Итак, уже краткий анализ состояния мукомольной промышленности России позволяет сделать некоторый прогноз ее развития.
Прежде всего, нельзя ожидать роста производственной мощности товарных мельниц, суммарная суточная производительность которых составляет около 90т.тонн, что превышает ожидаемый спрос. Анализируя данные прогноза численности населения России до 2016г можно полагать, что возможно сокращение потребления муки примерно на 6% (ФЗ №201 «О потребительской корзине в целом по Российской Федерации»).
Очевидно, сохранится тенденция к росту производства муки пшеничной высшего сорта, кроме того, наблюдается тенденция увеличения ассортимента за счет разработки технологий по производству муки из нетрадиционного сырья и создания новых сортов для производства продуктов функционального, детского и диетического питания. Следует отметить, что в этом направлении ведется большая часть исследовательских работ.
Основным способом обновления основных фондов останется реконструкция действующих предприятий. Учитывая средний срок службы оборудования и то, что с 1992г резко сократилось строительство и реконструкция товарных мельниц, следует ожидать их существенного увеличения в ближайшее время. Одновременно, следует отметить, что наиболее крупные проекты реконструкции осуществлены только зарубежными фирмами, что связано с состоянием машиностроения в России.
Очевидно, что состояние и развитие мукомольной промышленности оказывает безусловное влияние на состояние и развитие проектирования. Сопоставляя этапы развития мукомольной промышленности и проектные разработки можно констатировать их тесную взаимосвязь. Так, разработанные типовые проектные решения ЦНИИПЗП характеризуются следующими этапами. В 1967-70гг разработаны типовые проекты мельниц производительностью 200 - 245 т/сутки и выходом муки высоких сортов до 60%, в 1975 - 1977гг проекты мельниц 300 - 600 т/сутки и выходом муки высоких сортов до 70%, 1979 - 89г.г. проекты мельниц производительностью 130 - 250 - 500 т/сутки с выходом муки высшего сорта до 75%, что было связано с конверсионной программой производства оборудования по лицензии фирмы Бюлер. Последние типовые разработки легли в основу программы реконструкции мукомольной промышленности в период с 1981 по 1990гг. Однако, после 1989г разработка типовых решений прекратилась, стали преобладать проекты предприятий малой мощности.
Следует отметить, что создание технологии для типового проекта базируется на методе физического моделирования на пилотных установках, что для индивидуального проектирования выполнить трудно.
Таким образом, очевидна необходимость в научно обоснованных методах расчетов технологических процессов, которые обеспечивают проектировщиков инструментом при разработке оригинальных решений при создании нового и модернизации существующего производства. При этом создание технологий, обеспечивающих эффективное использование природных свойств зерна, возможно при условии адресного использования зерна и знании основных закономерностей технологических процессов.
1.2. Цель и задачи исследования.
Для мукомольного производства, как и для любого производства продуктов питания, основной целью является создание безопасного продукта с требуемыми потребителем свойствами при условии разумного использования сырья, что, учитывая ограниченность зерновых ресурсов, имеет существенное значение. Поиск оптимальных решений при разработке технологий заключается, прежде всего, в выборе принципиального подхода, что, по нашему мнению, является соответствие принимаемых технологических решений потенциальным возможностям сырья, а эффективность технологии уровню использования этих потенциальных возможностей.
Таким образом, основным из направлений совершенствования мукомольной технологии является создание производства, где наиболее полно достигалось бы разделение на анатомические части зерновки. Практическое решение задачи разработки более совершенных производств определяется состоянием проектирования. Причем понятие «проектирование» имеет достаточно широкое толкование, которое охватывает вопросы разработки технологических процессов на основе выявленных закономерностей, создания технологических схем этапов и операций, проведения необходимых технологических расчетов при модернизации и реконструкции существующих производств, при наладке оборудования.
Задачу создания более совершенных технологий переработки зерна невозможно решить без знаний основных закономерностей технологических процессов и операций, представляемых в виде математических моделей, характеризующих изменение количественно-качественных показателей получаемых продуктов.
Учитывая многофакторность технологических процессов, сложную многоуровневую структуру производства муки и постоянную изменчивость свойств зерна, был использован дифференцированный подход к разработке детерминированных моделей с использованием как теоретического, так и статистического методов при планировании и обработке экспериментальных исследований.
Разработка математических моделей процессов мукомольного производства, являясь основным элементом в системном подходе к созданию высокоэффективных технологий и машин, рассматривается как необходимый элемент программного обеспечения системы автоматизированного проектирования зерноперерабатывающих производств (САПР). Для САПР разработка моделей рассматривается на двух уровнях:
уровень функциональных моделей, т.е. графических моделей в виде технологических схем,
- уровень моделей расчета материальных потоков.
Разработка математических моделей в проектировании преследует цель прогнозирования величин материальных потоков в процессах переработки зерна. По своей сути модели представляют собой уравнения материального баланса. Для решения задач такого уровня теоретической основой является закон неразрывности потока.
Итак, целью настоящего исследования явилась разработка основ методов для инженерных расчетов, необходимых как при создании новых, так и модернизации существующих технологий мукомольного производства. Кроме того, математические модели расчета материальных потоков являются основой для создания обучающих программ для подготовки специалистов всех уровней, для создания АРМ проектировщика.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи.
1. Разработать общий, формальный подход к созданию технологических схем.
2. Разработать метод расчета материальных потоков зерноочистительного отделения мукомольного завода на основе:
- модели процесса очистки от примесей,
- модели кондиционирования при подготовке зерна к помолу,
- модели прогнозирования хлебопекарных свойств при составлении помольных смесей.
3. Разработать метод расчета материальных потоков размольного отделения мукомольного завода на основе:
- модели дисперсного состава продуктов размола,
- модели циркулирующего потока,
- методики расчета теоретического баланса размола зерна,
- модели качества (зольности) продуктов размола.
4. Показать возможность использования моделей в практике проектирования.
5. Разработать варианты технологии рационального использования зерновых ресурсов.
6. Разработать нормативную документацию на продукты и технологию. Таким образом, рассматривая решение данной проблемы с позиций системного подхода, можно представить последовательность действий с помощью следующей схемы (97).
Актуальность проблемы. Рост спроса на высокосортную продукцию. Неполное использование потенциальных возможностей зерна Необходимость модернизации производства Ограниченность зерновых ресурсов.
Цель.
Совершенствование технологий на основе повышения эффективности использования потенциальных возможностей зерна.
Задачи.
Установление закономерностей процессов мукомольного производства.
Методы решения.
Математическое моделирование технологических процессов мукомольного производства.
Внедрение.
Разработка конкретных технологий и НТД Проектирование мукомольных заводов.
1.3. Научная новизна.
В результате комплексного исследования процессов подготовки зерна разработаны детерминированные математические модели для расчетов потоков при подготовке зерна. Установлена функция, характеризующая распределение частиц по размерам для продуктов размола зерна пшеницы и ржи. Доказано, что закон распределения продуктов размола по размерам един для всех этапов измельчения, носит нелинейный характер и имеет вид степенной функции, коэффициенты которой определяются параметрами процесса. Однозначной характеристикой дисперсного состава продуктов размола может являться средневзвешенная величина размера частиц. Подтверждено, что размерная характеристика продуктов размола зависит от метода ее определения.
Качественная сторона процессов, определяемая зольностью продуктов измельчения, может быть характеризована законом распределения частиц оболочек в зависимости от их дисперсности. В результате исследования установлено, что содержание оболочек в зависимости от размера частиц описывается показательной функцией. Установлена связь между формой частиц продуктов измельчения и содержанием эндосперма. Выявлено, что частицы, имеющие вытянутую форму, содержат значительную часть оболочек и характеризуются высокой зольностью.
Как было установлено, различия в ИК-спектрах пшеницы и ржи позволяют разработать метод оперативного контроля состава ржано-пшеничных смесей.
1.4. Практическая значимость.
На основании проведенных исследований разработаны методы расчета материальных потоков в зерноочистительных и размольных отделениях мукомольных заводов. Практическое применение этих методов показало их эффективность при проектировании реальных технологических процессов, а внедрение (строительство целого ряда предприятий) полностью подтвердило их достоверность.
Показана возможность рационального использования зерновых ресурсов за счет адресного использования зерна в соответствии с его свойствами.
Выявлены основные факторы, определяющие оптимальные значения параметров кондиционирования для зерна пшеницы и ржи. Установлена роль основных технологических операций при подготовке зерна к помолу. Разработанные алгоритмы позволили создать компьютерные программы по расчету ЧП, структурной схемы подготовки зерна к помолу, расчету потоков в зерноочистительном отделении мукомольного завода.
Разработаны технологии (ТУ и регламент) переработки зерна ржи и ржано-пшеничных смесей, которые позволяют более рационально использовать зерновые ресурсы.
Разработаны оригинальные методики:
- оценки эффективности технологических процессов,
- анализа структурно-механических свойств зерна,
- определения гранулометрического состава продуктов размола и зерна,
- определения состава продуктов размола зерносмеси,
- расчета циркулирующих потоков,
- расчета зольности продуктов размола.
1.5. Апробация работы.
Основные результаты исследования выполнены автором в 1984 - 2000 гг., докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях:
«Пути совершенствования технологических процессов и оборудования для производства, хранения и транспортирования продуктов питания» (Москва, 1984); « Научное обеспечение хранения и переработки растительного сырья в пищевой промышленности» (Москва, 1991); Международная конференция «Современное мукомольно-крупяное производство и перспективы его развития» (Москва, 1993); «Научно-технический прогресс в перерабатывающих отраслях АПК» (Москва, 1995); 4-е Международное совещание-семинар «Инженерные проблемы новой техники» (Москва, 1996); « Пищевая промышленность России на пороге 21 века» (Москва, 1996); Вторая Международная конференция «Современное состояние мукомольно-крупяного производства и перспективы его развития» (Москва, 1997); Юбилейная научная конференция , посвященная 75-летию специальности «Технология хранения и переработки зерна» ( Москва, 1997); «Инженерно-физические проблемы новой техники» (Москва, 1998); Международная конференция « Индустрия продуктов здорового питания - третье тысячелетие» (Москва, 1999); « Качество и безопасность продуктов питания» (Москва, 2000).
Методы определения количественно-качественных характеристик зерна и продуктов размола
Определение показателей качества зерна и продуктов переработки производилось стандартными методами: ЧП на приборе FN-1800, структурно-механические свойства на приборе конструкции автора (104) и И.А.Наумова (94), размер и форма отдельных зерновок и частиц продуктов размола на приборах ГИУ-1 и ГИУ-2 (49,123,127,191,192).
Технологические исследования проводили на лабораторных стендах и установках «Нагема», МЛУ202, Квадрумат- Юниор, лабораторной установке конструкции автора , размол отдельных зерновок на приборе конструкции Й.А.Наумова. Производственные исследования проводились на мелъзаводах московских мелькомбинатов(47,104,134). Учитывая высокие требования к стабильности работы вальцового станка (156,157), специальная конструкция станка обеспечивала точность установки зазора с погрешностью менее 0.05мм . Методика определения технологической эффективности отдельных операций, снятие материальных балансов проводили по методике ВНИИЗ (52),для оптимизации значений параметров использовали методы планирования эксперимента (71,93,100). Обработка данных осуществлялась стандартными методами математической статистики с использованием программ Kwiksat и Matstat. При использовании литературных данных для оценки достоверности полученных результатов применяли критерий Колмогорова-Смирнова (37,71,173,187,196, 197). Оценка эффективности технологического процесса необходима при разработке моделей. Во многих случаях определение технологической эффективности позволяет решить задачу оптимизации процесса, прогнозирования результатов помола. Анализ подходов к оценке технологической эффективности показывает, что в соответствии с поставленной задачей само определение эффективности имеет большое количество подходов. Так, в работе (ИЗ) приводятся данныф том, что эффективность производства по одним только официальным методикам, инструкциям, методическим указаниям насчитывает более 500 вариантов, причем, более десятка различных методик используют для оценки эффективности процессов мукомольного производства. По существу, подходы к оценке эффективности можно подразделить на два класса. Первый -заключается в том, что основой в построении методики оценки эффективности является конъюнктура на рынке муки. Такой подход был использован в оценке эффективности технологии, который предложил В.В.Вашкевич (19), полагая, что стоимость готовой продукции должна корректироваться в соответствии с ее показателями качества.
Другой подход заключается в оценке степени достижения чисто технологической задачи. Например, по степени извлечения эндосперма можно оценить эффективность мукомольного производства (40,99,174).
Однако, основной трудностью в выборе критерия эффективности является то, что невозможно рассматривать эффективность в отрыве от свойств зерна, его особенностей поведения при переработке. Не менее важным является и то, что сами показатели качества являются функцией количества полученного продукта (33,85,109,113).
Многочисленные попытки увязать количество полученной продукции и качество привели к созданию многочисленных показателей, которые служат для оценки эффективности тхнологических процессов и операций. К показателям такого рода относятся коэффициенты, предложенные П.П.Тарутиным, В.М.Цециновским, И.Т.Мерко, Ю.Г.Цибулевским и многими другими исследователями, которые использовали зольность как критерий качества. Использование И.Е.Мамбишем, Г.А.Егоровым и др. в качестве критерия вместо зольности содержание крахмала или суммы крахмала и клейковины не нашло широкого применения в силу трудоемкости определений, да и по существу предложенные критерии мало отличались от предыдущих. Предложенный в последнее время Г.А.Егоровым комплексный критерий эффективности Е = И А, где И -выход муки,%, а А- относительное снижение зольности муки (40) по существу мало, чем отличается от ранееіпредложенного. Следует отметить, что все критерии, в которых фигурируют количество и качество (зольность) муки в виде деления одного на другое или в виде произведения, имеют один принципиальный недостаток, который заключается в том, что величина зольности функционально, причем нелинейно, связана с выходом муки. Собственно к такому выводу приходит Г.А.Егоров, который в результате исследования заключил, что Е зависит только от одного показателя.
Попытки использовать функциональную зависимость зольности от извлечения муки были реализованы многими исследователями, главным образом, зарубежными (99,202,223). Количественная оценка, характеризующая форму кумулятивной кривой зольности муки (длина, величина прогиба) весьма условно описывают зависимость, что ограничивает возможность использования такого подхода.
Известно, что впервые кумулятивную кривую зольности муки для оценки эффективности технологического процесса ипользовал X Моос. На основании анализа работы многих мукомольных заводов им была предложена кумулятивная кривая зольности образцового процесса (кривая Мооса), которая используется практически до настоящего времени. Преимущество подобного подхода к оценке эффективности процесса помола заключается в том, что анализируется не только конечный результат, но и сам ход процесса, что позволяет судить о правильности его организации и степени совершенства. Следует отметить, что кумулятивная кривая зольности характеризует качество зерна, его подготовку, размол, т.е. процесс в целом. Тем не менее, обладая наглядностью, подобный подход не дает количественной оценки.
Методы количественной оценки эффективности помола на основе кумулятивной кривой зольности муки были предложены рядом исследователей и достаточно подробно рассмотрены в работе Л.Ю.Орешкиной (99) и целом ряде других работ (33,78,99,113,202).
Исследуя данную проблему, мы пришли к выводу, что сама функциональная зависимость зольности от выхода является основой для разработки критерия эффективности, который бы учитывал не только организацию технологического процесса, но и потенциальные возможности зерна (112,113).
Анализ кумулятивных кривых зольности муки многочисленных исследований, приведенных в литературе, показывает, что форма кривой зольности реальных процессов совпадает с формой кривой эндосперма (112). На рис. 2.2.1 показаны кумулятивные кривые зольности эндосперма зерна различных пшениц.
Анализ кумулятивной кривой зольности муки хлебопекарных помолов пшеницы и ржи показывает, что (dZ/dU) имеет нелинейный характер(33,112). Это позволяет предположить:(dZ/dU) = a(U)Ap\ (2.2.1),где а,Р - опытные коэффициенты, характеризующие зольность центральной части эндосперма и скорость прироста зольности по мере извлечения эндосперма, U.Z - выход муки и средневзвешенная зольность соответственно.Полагая, что с = Zo, р +1 =В, можно представить уравнение кумулятивной кривой зольности муки :
Очистка зерна от примесей
Для решения задач подготовки зерна к помолу служит ряд технологических процессов, цель и задачи которых хорошо известны, тем более, что они определены численно - в виде допустимых и рекомендуемых значений показателей свойств зерна на 1 драной системе.
Итак, рассмотрим процесс очистки от примесей, который включает основную операцию - сепарирование, математическое описание которой возможно на основании теории вероятностей.
Следует отметить, что разработанная теория сепарирования, главным образом В.В.Гортинским и его школой, явилась основой для конструирования целого ряда машин, схем, технологий.
Однако, задача чисто технологического прогноза эффективности выделения примесей, количества и состава отходов, которые могут быть получены в результате очистки зерносмеси, на сегодня не решена, да и не может быть решена в силу существующей классификации примесей и методики их определения. Основой классификации примесей является их оценка с позиций возможности или невозможности использования для питания (54).
Технологический аспект задачи определения степени выделения тех или иных видов примесей, состав получаемых при этом отходов, заключается в разработке модели процесса сепарирования зерносмеси по тому или иному признаку. Таким образом, суть задачи состоит в количественной оценке степени делимости смесей на компоненты. Постановка и решение подобного рода задач заключается в необходимости разработки новых машин, технологий и обучающих программ для специалистов всех уровней.
Другой, не менее важной стороной является правильное определение технологической эффективности сепарирующей машины, которое рассчитывается как относительное снижение содержания отделяемой примеси. Следовательно, другой задачей является определение содержания примесей, которые могут быть выделены.
Для решения данной задачи необходима информация по составу примесей (по физическим признакам), характеру распределения, значениям параметров сепарирующих органов.
В основе всех расчетов материальных потоков лежит закон неразрывности потока или закон сохранения массы: 2 Mi = I MJ, где Z Mi -сумма масс входящих потоков, Е MJ - сумма масс выходящих потоков.
Что касается показателей качества, то для большинства из них характерно свойство аддитивности, однако, для показателей хлебопекарных свойств, натуры расчет по средневзвешенным значениям дает существенную ошибку, т.е. не может быть использован.
Полное разделение смеси на компоненты возможно в том случае, когда диапазон варьирования какого - либо признака одного компонента не совпадает с диапазоном другого компонента. Однако, на практике имеет место частичное совпадение интервалов варьирования. В этом случае возможно неполное деление, степень которого может быть определена с помощью коэффициента трансгрессии (15,71).
Расчет коэффициента трансгрессии - Т достаточно прост и может быть продемонстрирован с помощью рисунка 4.2.1, на котором показано распределение по размерам компонентов смеси.представляет труда. В этом случае можно пользоваться таблицей значенийнормируемой функции Лапласа. X2 min - Xlcp 0 И Xlmax - X2cp 0.
На основании приведенного выше можно количественно оценивать теоретически возможное деление смесей, полагая, что извлечение проходовои фракции не может быть больше суммы площадей дифференциальных кривых распределения компонентов смеси в диапазоне от минимального значения до граничного значения (размер отверстий сит, размер ячейки триера и т.п.).
Таким образом, теоретически возможное количество и состав получаемых фракций можно рассчитать, пользуясь табличными значениями функции Лапласа, при условии, что рапределение по данному признаку соответствует нормальному закону. Реальный физический процесс
Теоретические основы моделирования размола зерна
Первоначально необходимо остановиться на оценке размерной характеристики частиц, полученных в результате размола зерна или промежуточных продуктов в вальцовом станке. Характер формы частиц такого рода определяется как произвольный, т.е. такой, которой не может быть описан одним параметром, как это имеет место для тел правильной формы. Поэтому величина размера частицы определяется методами измерения, которые подразделяются на прямые ( ситовой и микроскопический) и косвенные. Так, при ситовом измерении размером частицы будет X = (XI + Х2)/2, где XI и Х2 размер отверстий сита прохода и схода соответственно. При микроскопическом методе измерения величина размера (X) пропорциональна.где S - площадь проекции частицы, V - объем частицы.
Косвенные методы основаны на уравнении Стокса (седи-ментометрические способы), гидроаэродинамические способы ( скорость витания), кондуктометрические ( изменение электропроводности), оптические ( рассеяние света ), определение удельной поверхности ( воздухопроницаемость, сорбция). Характеристики методов достаточно подробно рассмотрены в ряде работ (6,30,31,62,78,86,164, 170, 186,188,216).
Таким образом, гранулометрическое распределение измельченного материала, определяемое условиями измельчения, зависит и от применяемого метода анализа.
Анализ методов определения размера частицы, проведенный рядом исследователей, отмечает безусловный приоритет за микроскопическим методом, широкое применение которого было ограничено трудоемкостью проведения измерений. Использование современной телевизионной и вычислительной техники позволило решить эту задачу. В настоящее время существует целый ряд приборов телевизионной микроскопии (164,191,192,216).
В своем исследовании мы использовали приборы ГИУ-1 и ГИУ-2, разработанные Центром прикладной физики МГТУ имени Н.Э.Баумана. Описание и основные технические параметры приборов приведены в публикациях (46,48,49,119,123,127,128). Размерными характеристиками частицы служили - X размер частицы, Ф - вытянутоеть, определяемая как отношение длины к ширине ,\/ - гладкость, определяемая как отношение фактического периметра частицы к периметру круга равной площади, F -яркость, у.е., определяемая как отношение коэффициента отражения светового потока для данной частицы к эталону.
Исследования статистических характеристик метода позволили установить необходимый минимальный обьем измерений. Стабилизация значения размерных характеристик начиналась при объеме измерений от 2000 (для предварительно отсортированного продукта, т е при измерении частиц отдельного размерного класса) и 6000 ( без предварительного сортирования), дальнейшее увеличение количества измерений до 10 - 15 тысяч не влияло на величину коэффициента вариации.
Естественно, что одновременно с микроскопическим методом был использован ситовой, что позволило с одной стороны сопоставить результаты двух методов, с другой получить информацию для практического использования.
В работе автора совместно с В.А.Ивановым (48,128,133) было показано, что расчетный средневзвешенный размер, измеренный ситовым способом, не совпадал с размером, полученным микроскопическим способом, и он составил:1 др.с. сито - 712 мкм, микроскоп - 1198мкм 2др.с сито-266 мкм, микроскоп-581 мкм
Такое расхождение объясняется формой частиц, которая характеризуется коэффициентом вытянутости для Ідр.с. - 1.6, для 2 др.с. - 1.7. Однако, коэффициент корреляции между распределениями составляет для Ідр.с —0.99, 2 др.с - 0.73, 1 р.с. - 0.88, что позволяет сделать вывод об идентичности характера распределения,т.е. различия будут только в численных значениях коэффициентов (128).
Установление закономерности распределения частиц по размерам является основой для создания детерминированной модели размола зерна. В наших исследованиях были использованы только прямые методы определения размера - ситовой и микроскопический, что обеспечивало объективность оценки распределения массы частиц по размерам. Итак, функции распределения по размерам частиц продуктов измельчения могут быть представлены в виде уравнений, полученных теоретически, или эмпирических формул.
К числу эмпирических относятся формулы Вейнига, Годэна, Андреазена, Розина-Раммлера, Роллера, Свенссона, Авдеева и др.
В основе всех формул, описывающих распределение количества или массы частиц, полученных в результате размола, лежит большой статистический материал, полученный при изучении гранулометрического состава самых разнообразных продуктов и материалов. Практически все формулы описывают распределения как нелинейные с ассиметрическим, в сторону меньших размеров, максимумом.
К формулам, полученным теоретически, относят логарифмически нормальное распределение (ЛНР), формула Загустина, формула Гриффитса, формула Ромашова и др (6,31,62,164,170,186,188),
Полагая, что для большинства физических процессов справедлив закон Максвелла, говорящий о том, что изменение во времени параметра пропорционально самому параметру. А.И.Загустин предположил: где -D(x) - проход сита с размерами отверстий х, q - масса фракции крупнее х , X - текущий размер частицы , Хо- начальный размер частицы ,к - постоянная, характеризующая размалываемость исходного продукта. Гриффите принял, что распределение частиц измельченного материала аналогично распределению числа молекул газа по их энергии:где В, m .с - эмпирические коэффициенты.
Закон ЛНР - теоретически доказан А.Н.Колмогоровым , исходя из положений - первое, что вероятность разрушения частиц данного размера пропорциональна их содержанию в измельчаемом материале и второе , что процесс измельчения имеет достаточную длительность. Распределение частиц по размерам в этом случае может быть описано Гауссовой функцией, где вместо X, Me, (У - следует подставлять их логарифмы.Г.И.Ромашов показал, что для пылей распределение частиц по высоте в спокойной газовой среде следует закону распределения Эйнштейна-Смолуховского. Таким образом, по скорости осаждения (w) распределение количества частиц (Rn) может быть представлено следующим уравнением: Rn(w)-100(e)A-aw, (5.2.4),где а - коэффициент.
Разработка технологических схем малых и минимельниц
Итак, возникшая потребность в мукомольных заводахпроизводительностью 50 - 1500 кг/час, поставила задачу разработкисоответствующей технологии. Дело в том, что уже при производительности50т/сутки сохранение технологии (прежде всего в размоле),предусматривающей деление на 4-5 фракций продуктов размола крупообразующих систем, становится нерациональным, т.к. мощность отдельных потоков становится очень незначительной и нестабильной.
В настоящее время можно рассматривать три варианта решения данной проблемы (34).Первый вариант - создание специального оборудования с уменьшенными размерами рабочих органов, но копирующих как схему, так и само оборудование. Это направление получило свое развитие в виде агрегатных мельниц. Эти мельницы обладают рядом преимуществ - не требуют сложного монтажа (сборка готовых модулей), не требуется наладка, как для больших мельниц. Однако, схемы данных мельниц дают очень ограниченные возможности по уровню использования зерна и переналадке при изменении спроса и свойств сырья.
Второй вариант создание мельниц с принципиально новым оборудованием и принципиально новым технологическим процессом. Примером такого подхода может служить технология переработки зерна с использованием дисковых измельчителей (237). Производство «зернового» хлеба, еще более революционная технология, предусматривает превращение зерна в тесто, используя специальные машины - диспергаторы. Имеет место использование специальных ударных измельчителей и центробежных просеивателей для производства сверхтонкой муки и т.п (168,229,241). Это направление связано с производством нетрадиционных изделий и имеет ограниченный спрос.
Третий вариант - мельницы малой производительности на серийном оборудовании. К сожалению, данный тип мельниц также имеет целый ряд недостатков. Главный недостаток заключается в том, что каждая технологическая система минимельницы должна выполнять функции двух или более систем обычного производства. Это приводит к тому, что системы работают в режимах более низких, чем это требуется для достижения оптимального результата.
В разделе 2 настоящей работы сделан принципиальный анализ структурных схем подготовки зерна к помолу. Основной вывод заключался в том, что низкая эффективность технологических операций приводит к их многократному повторению. Для минипроизводетва повторение операций нерационально, т.к. снижается экономическая эффективность таких установок., поэтому принципиальной основой таких схем является максимальное упрощение за счет устранения повторов операций.
Например, воспроизвести структурную схему подготовки зерна к помолу, которая предусматривает 3-х кратное увлажнение и отволаживание зерна, крайне трудно, т.к. процесс в этом случае становится трудноуправляемым в условиях дискретного режима работы, наиболее характерного для минипроизводств.
Самый оптимальный граф схемы подготовки зерна к помолу для минипроизводств должен выглядеть как граф Гамильтона (см. раздел 3). Практические схемы, соответствующие приведенным графам, показаны нарис 6.2.1, которые используются в схемах минимельниц Италии и Турции.
При использовании серийного отечественного оборудованиятехнологический процесс подготовки зерна пшеницы к сортовому помолу на минимельницах соответствует графу подготовки зерна ржи к сортовому помолу на товарных мельницах.
Исследование эффективности отдельных технологических операций при подготовке зерна к помолу, как это было показано в главе 4 настоящей работы, позволяет сделать вывод о необходимом минимуме операций:- очистка от всех видов примесей,- кондиционирование,- очистка поверхности зерна после кондиционирования при сухом способе подготовки.
Полагая при этом, что при очистке на сепараторе будет выделяться мелкая фракция зерна.Режим кондиционирования предусматривает более мягкие режимы, что связано с малым количеством систем измельчения, поэтому величина влажности на Ідр.с. не превышает 15.5%.
Эффективность и целесообразность шелушения зерна после увлажнения с последующим отволаживанием подтверждена рядом исследований, что показано в разделе 7.3. Не менее важным является соблюдение санитарно-гигиенических требований при производстве муки, что может быть обеспечено при интенсивной очистке поверхности зерна после отволаживания (212).
Таким образом, граф подготовки зерна к помолу для минимельниц производительностью до 24т/сутки на отечественном технологическом оборудовании может иметь следующий вид.
