Мониторинг ферропримесей и совершенствование методов их извлечения в технологии переработки злаковых, крупяных и других продуктов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.18.01, кандидат технических наук Полисмакова, Мария Николаевна

• Полисмакова, Мария Николаевна
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Полисмакова, Мария Николаевна

ГЛАВА 1. Состояние вопроса о контроле ферропримесей и магнитных аппаратах для их удаления. Задачи исследования.

1.1. Ферропримеси как опасный фактор качества и надежности работы оборудования. О критических размерах ферропримесей.

1.2. О спектре размеров ферропримесей пищевых сред.

1.3. Анализ методов определения содержания ферропримесей.

1.3.1. Методы, основанные на измерении физических характеристик.

1.3.2. Магнитная локализация феррочастиц жидкости.

1.3.3. Неоднократный фильтрационный магнитофорез (с измерением выходных концентраг^ий).

1.3.4. Определение фракции ферропргшесей с использованием закономерностей магнитофореза (обратная задача).

1.3.5. Неоднократный магнитофорез (с измерением суммарной массы осадка).

1.4. Характеристики рабочих зон магнитных сепараторов.¿>

1.4.1. О модуле магнитного сепаратора (с противостоящими магнитными элементами).

1.4.2. Основные имеющиеся данные испытаний модуля.

ГЛАВА 2. Изучение ферропримесей пищевых сред на их соответствие допускаемым размерам (по данным количественных и объемных гистограмм).

2.1. Размеры ферропримесей как регламентируемый параметр.

2.2. Получение количественных гистограмм ферропримесей различных пищевых сред.

2.2.1. Данные по муке.

2.2.2. Данные по манной и кукурузной крупе.

2.2.3. Данные по какао-порошку и другим пищевым средам.

2.3. Получение объемно-долевых гистограмм ферропримесей различных пищевых сред.

2.3.1. Данные по муке.

2.3.2. Данные по манной и кукурузной крупе.

2.3.3. Данные по какао-порошку и другим пищевым средам.

ГЛАВА 3. Проведение исследований и разработка нового прецизионного метода контроля содержания ферропримесей пищевых сред.

3.1. О сравнительных характеристиках устройств-анализаторов для контрольного выделения ферропримесей.

3.2. Разработка метода неоднократных операций магнитофореза (с функционально экстраполируемой характеристикой пооперационных масс осадка ферропримесей).

3.3. Методика неоднократного, функционально экстраполируемого, магнитофореза.

3.4. Результаты проведения неоднократного, функционально экстраполируемого, магнитофореза для определения достоверной концентрации ферропримесей пищевых сред.

3.4.1. Данные по муке.

3.4.2. Данные по манной крупе.

3.4.3. Данные по другим пищевым средам.

ГЛАВА 4. Исследование характеристик рабочих зон магнитных сепараторов

4.1. Экспериментальные характеристики индукции: о возможности использования принципа суперпозиции.

4.1.1. Характеристики в приосевом направлении. Теневое перекрытие магнитных элементов.

4.1.2. Характеристики в неосевом направлении. Частичное теневое перекрытие магнитных элементов.

4.2. Выявление пассивных зон по «излому» (в полулогарифмических координатах) характеристики индукции.

4.3. Выявление пассивных зон по заниженным значениям силового фактора.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Мониторинг ферропримесей и совершенствование методов их извлечения в технологии переработки злаковых, крупяных и других продуктов»

Актуальность работы. Последствием переработки злаковых, бобовых культур, крупяных и других продуктов являются ферропримеси, образующиеся вследствие износа и коррозии оборудования, а также после его ремонта и обслуживания. Своевременный и объективный контроль этих ферропримесей, их эффективное удаление являются одной из актуальных задач в решении проблем обеспечения экологичности и безопасности пищевых систем, что в соответствии с «Доктриной продовольственной безопасности.» входит в принципиальную стратегию государственной политики.

Постоянное наличие этих примесей в пищевых продуктах, (мука, крупа, какао, сахар, чай и многих других) зачастую повышенное, не позволяет квалифицировать эти продукты как экологически чистые и безопасные для здоровья. К тому же такие примеси дестабилизируют работу, оборудования; вызывая повреждения, повышенный износ его элементов, а также способствуют опасному искрообразованию (в частности при размоле муки), способному спровоцировать разрушительный взрыв.

Все это говорит о том, что «фактор ферропримесей» - начиная с необходимости получения достоверной информации о содержании таких примесей (их размерах, дисперсном составе, концентрации) и заканчивая разработкой технико-технологических решений по их эффективному удалению - обязан входить в число ключевых вопросов технологии переработки злаковых, крупяных, бобовых и других пищевых сред.

Вместе с тем, в настоящее время существующие методы контроля ферропримесей не обеспечивают получение объективных результатов: показатели, полученные методами, регламентируемыми действующими ГОСТами, существенно занижены по сравнению с реальными. А из-за отсутствия соответствующих характеристик (свидетельствующих об особенностях силового воздействия на феррочастицы) продолжает оставаться недостаточным и уровень технико-технологической проработки магнитных сепараторов (как отечественных, так и импортных), потребность в которых для оснащения и переоснащения различных линий технологической переработки зерновых, крупяных и других пищевых сред неуклонно возрастает.

Цель и основные задачи исследования. Целью настоящей работы явилась разработка прецизионного способа контроля содержания ферропримесей (металломагнитных примесей) в муке, крупе и других продуктах, разработка объективного подхода к анализу размеров ферропримесей на соответствие их фактических размеров нормативным требованиям, а также получение достоверных диагностических характеристик (с выявлением пассивных зон) магнитных сепараторов, предназначенных для удаления ферропримесей.

В связи с этим в работе решаются следующие основные задачи:

1. Посредством как обычных (количественных), так и объемно-долевых гистограмм провести мониторинг ферропримесей пшеничной и ржаной муки, манной и кукурузной крупы, какао-порошка и других сред, в том числе проверку на соответствие установленным нормам по размерам. Оценить истинный вклад феррочастиц определенных размеров в их концентрацию.

2. Проанализировать регламентируемые ГОСТами методы контроля содержания ферропримесей в пищевых средах, разработать более объективный метод контроля, расширив число операций магнитофоретического извлечения ферропримесей из пищевых сред, практикуя функциональное представление пооперационной массы извлекаемых ферропримесей от порядкового номера операции - для получения возможности последующей экстраполяции получаемых зависимостей и нахождения совокупной массы и концентрации ферропримесей. Показать наличие существенной доли остаточного (ранее в лабораторной и промышленной практике, к сожалению, не оцениваемого и игнорируемого) содержания ферропримесей и тем самым обосновать необходимость его учета. Оценить погрешность для случая проведения ограниченного числа операций (в сравнении с данными, получаемыми с учетом оценки остаточного содержания ферропримесей).

3. Получить данные по влиянию угла наклона желоба (используемого в механических устройствах контроля ферропримесей, например, приборах типа ПВФ) на величину препятствующей магнитному захвату кинетической энергии потока анализируемой среды.

4. С использованием типичного модуля магнитного сепаратора, состоящего из противостоящих магнитных элементов, получить и проанализировать соответствующие развернутые характеристики индукции поля (при обязательной визуализации силовых линий магнитной индукции), в том числе с использованием принципа суперпозиции. Найти также развернутые характеристики ее градиента и магнитного силового фактора (как наиболее объективной, по существу - арбитражной, характеристики). На примере детализированной характеристики индукции выявить те ее особенности, которые бы позволяли напрямую (до получения данных силового фактора) идентифицировать пассивные зоны.

5. Разработать и осуществить промышленную апробацию методов и средств контроля ферропримесей, а также опытно-промышленных образцов магнитных сепараторов для их удаления из злаковых, крупяных и других продуктов (и тем самым повышения их качества и безопасности).

Научная новизна работы

Посредством объемно-долевых гистограмм осуществлен мониторинг ферропримесей (металломагнитных примесей) пшеничной и ржаной муки, манной и кукурузной крупы, какао-порошка и других продуктов, в том числе контроль на соответствие их фактических размеров нормативным требованиям.

Разработан прецизионный метод контроля содержания ферропримесей, основанный на их неоднократном магнитофоретическом извлечении. В т.ч.: - получены опытные данные масс осадка ферропримесей пищевых систем, предложено представлять эти данные в виде функциональной зависимости пооперационных масс от порядкового номера операции магнитофореза - с установлением ее аналитического (экспоненциального) вида;

- на основании объективной экстраполяции такой зависимости впервые получены выражения для оценки любой операционной, постоперационной и совокупной (с учетом остаточной) массы ферропримесей;

- по полученным выражениям и необходимым контрольным экспериментальным данным найдены истинные значения содержания ферропримесей в пробах муки, манной крупы и других пищевых сред.

Исследованиями, выполненными на модуле магнитного сепаратора (с визуализацией хода магнитных силовых линий), получены развернутые «пошаговые» характеристики индукции поля (в том числе найденные с использованием принципа суперпозиции), развернутые характеристики ее градиента и силового фактора. Впервые предложен подход к получению развернутой информации о потенциальных возможностях модуля сепаратора, в том числе информации о его пассивных зонах. Предложен и реализован также несколько упрощенный, оперативный подход, основанный на детализации характеристик индукции в модуле - с выявлением функциональных особенностей линеаризованных в полулогарифмических координатах «участков» этих характеристик и, как следствие, выявлением пассивных зон.

Практическая ценность работы

Для многочисленных пищевых систем (пшеничная и ржаная мука, манная и кукурузная крупа, какао-порошок и др.) на основании объемно-долевых гистограмм показан фактический вклад феррочастиц определенных размеров в их концентрацию.

Критически проанализированы регламентируемые ГОСТами методы контроля содержания ферропримесей в муке, крупе и других продуктах, основанные на проведении кратных (как правило, трехкратных) операций маг-нитофоретического накопления ферропримесей и использовании механических средств с неоправданно большими углами наклона рабочих желобов.

Путем измерения и соответствующего представления пооперационных масс осадка ферропримесей показано наличие существенной доли остаточного (ранее в лабораторной и промышленной практике, к сожалению, не оцениваемого) содержания ферропримесей.

В соответствии с разработанным методом контроля найдены истинные значения массы и концентрации ферропримесей в пшеничной и ржаной муке, манной крупе и др. Оценена погрешность определения содержания ферропримесей при проведении ограниченного (регламентируемого) числа операций магнитофоретического накопления ферропримесей, которая в известной мере компрометирует официальную (основывающуюся на традиционных методах контроля) информацию о присутствии ферропримесей в пищевых средах, в том числе поступающих в розницу.

По выявленному стремительному росту кинетической энергии потока анализируемой среды (в зоне магнитного захвата) в зависимости от угла- наклона желоба показано, что практикующийся- «свободный» выбор угла наклона рабочего желоба в механических устройствах контроля ферропримесей (например, приборы типа ПВФ) неправомочен.

Исследованиями показано, что:

- для получения объективных характеристик магнитного поля в рабочей зоне магнитного сепаратора (прежде всего, для правильного текущего позиционирования измерительного датчика) исключительно необходимой является предварительная искусственная визуализация силовых линий магнитной индукции;

- полноправными характеристиками работоспособности магнитных сепараторов являются характеристики силового фактора, а характеристики индукции поля - лишь в случае их кусочной линеаризации (в полулогарифмических координатах): с выявлением пассивных зон.

Осуществлена промышленная апробация разработанных (и имеющих патентную защиту) методов и средств контроля, опытно-промышленных образцов магнитных сепараторов (на пищевых предприятиях - 16 аппаратов) для удаления ферропримесей из злаковых, крупяных и других продуктов и тем самым - для повышения их качества и безопасности.

Апробация работы, внедрения, публикации.

По теме диссертации опубликовано 11 работ (в т.ч. патенты РФ на изобретение и полезную модель). Результаты работы докладывались и обсуждались на научно-практическом семинаре при МГУПП по актуальным вопросам продовольственной безопасности (2010), на научно-практических семинарах в рамках выставки «Зерно-комбикорма-ветеринария» (Москва, 2008, 2010 гг.), на 10-й юбилейной международной научно-практической конференции «Техносферная безопасность, надежность, качество, энерго- и ресурсосбережение», (Туапсе, 2008), на Всероссийской научно-технической конференции «Современные проблемы экологии» (Тула, 2008), используются в 2-х учебных курсах.

В диссертации использовались результаты научно-исследовательской работы «Исследование и разработка новых методов магнитофоретической очистки жидкостей и сыпучих сред от феррозагрязнений при эксплуатации машин в производстве хлебных, полимерных и керамических изделий», выполнявшейся автором (в соавторстве с молодыми учеными А.А.Сандуляк, В.А.Ершовой) в 2006-08 гг. в МГТУ «МАМИ», прошедшей обсуждение научно-технической общественностью (МГУПП, Хлебозавод ПЕКО, Одинцовская кондитерская фабрика А.Коркунов, машиностроительный завод оборудования сельхозпереработки «ФРЕГАТ» и др.) и удостоенной Премии Правительства РФ 2008г. в области науки и техники для молодых ученых.

Осуществлена промышленная апробация разработанных (и имеющих патентную защиту) методов и средств контроля, опытно-промышленных образцов магнитных сепараторов (на пищевых предприятиях - 16 аппаратов) для удаления ферропримесей из пищевых продуктов и тем самым - для повышения их качества и безопасности. Они демонстрировались на международных выставках «Агропродмаш» (Москва, 2008, 2009гг.), «Зернокомбикорма-ветеринария» (Москва, 2008, 2010 гг.), «Росупак» (Москва, 2009г.). Экономический эффект от внедрения разработок составил 1,2 млн. рублей.

Заключение диссертации по теме «Технология обработки, хранения и переработки злаковых, бобовых культур, крупяных продуктов, плодоовощной продукции и виноградарства», Полисмакова, Мария Николаевна

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Выполнен мониторинг ферропримесей (металломагнитных примесей) пшеничной и ржаной муки, манной и кукурузной крупы, какао-порошка и других продуктов с позиций соответствия их фактических размеров нормативным требованиям. Посредством перехода к объемно-долевым гистограммам оценен истинный вклад феррочастиц определенных размеров (в том числе и «запредельных») в их концентрацию.

2. Проанализированы регламентируемые ГОСТами методы контроля содержания ферропримесей в пищевых средах, основанные на проведении неоднократных операций их магнитного накопления. Путем измерения и соответствующего представления пооперационных масс осадка ферропримесей муки, манной крупы и других продуктов показано наличие существенной доли остаточного (ранее в лабораторной и промышленной практике, к сожалению, не оцениваемого) содержания ферропримесей.

3. Разработан прецизионный метод контроля ферропримесей в пищевых продуктах, предложены решения, связанные с установлением аналитического (как показали эксперименты — экспоненциального) вида зависимости пооперационных масс, последующей экстраполяцией этой зависимости для оценки этих масс и совокупной, включая остаточную, массы ферропримесей.

4. В соответствии с разработанным прецизионным методом контроля сред найдены истинные (отличающиеся от значений, получаемых при формально декларируемом числе операций) значения массы и концентрации ферропримесей в пшеничной и ржаной муке, манной крупе и других продуктах. Вскрыта и оценена погрешность при проведении ограниченного числа операций магнитофоретического накопления ферропримесей.

5. Путем изучения влияния угла наклона желоба на величину кинетической энергии потока анализируемой среды (в зоне магнитного захвата) и выявления ее стремительного роста показано, что имевший до настоящего времени место «свободный» выбор угла наклона рабочего желоба в механических устройствах контроля ферропримесей (например, в приборах типа ПВФ) неправомочен.

6. Проведены исследования модуля магнитного сепаратора, состоящего из противостоящих магнитных элементов, получены и проанализированы развернутые экспериментальные (с соблюдением условий текущего позиционирования измерительного датчика и искусственной визуализации силовых линий поля) характеристики индукции поля (в том числе найденные с использованием принципа суперпозиции). Получены также развернутые характеристики ее градиента (графическим и/или аналитическим дифференцированием) и магнитного силового фактора — как основы для выявления пассивных зон.

7. Выполнен анализ рабочих зон магнитного сепаратора, основанный на детализации характеристик индукции в модуле - по функциональным особенностям линеаризованных в полулогарифмических координатах «участков» этих зависимостей - позволяющий осуществлять упрощенную процедуру выявления пассивных зон модуля.

8. Осуществлена промышленная апробация разработанных (и имеющих патентную защиту) методов и устройств контроля, опытно-промышленных образцов магнитных сепараторов для удаления ферропримесей из злаковых, крупяных и других продуктов и тем самым - для повышения их качества и безопасности. Экономический эффект от внедрения составил 1,2 млн. руб.