РАЗВИТИЕ НАУЧНО - ПРАКТИЧЕСКИХ ОСНОВ РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ ПРОЦЕССОВ КОМПЛЕКСНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ СЕМЯН МАСЛИЧНЫХ КУЛЬТУР (теория, техника и технология) тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.18.12, доктор наук Фролова Лариса Николаевна

• Фролова Лариса Николаевна
• доктор наук
• 2016

Оглавление диссертации доктор наук Фролова Лариса Николаевна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Анализ современного состояния теории, техники и технологии получения растительного масла

1.1 Основы теории и обзор техники и технологий производства

растительных масел

1.1.1 Сушка как важнейший этап в технологии производства растительных масел

1.1.1.1 Тепло- и влагообменные свойства семян масличных культур

1.1.1.2 Влияние технологических характеристик семян на процесс сушки

1.1.1.3 Физико-химические превращения в процессе сушки семян масличных культур

1.1.1.4 Краткий обзор современных технологических решений и аппаратов для сушки растительного сырья и масличных культур

1.1.1.5 Моделирование процессов тепло- и массообмена при тепловой обработке

1.1.1.6 Обзор сушилок для сушки масличных и зерновых культур

1.2 Экструзионная обработка при переработке семян масличных культур

1.2.1 Анализ существующих математических моделей процессов, происходящих в формующем канале экструдера

1.2.2 Обзор экструдеров для семян масличных культур

1.3 Процесс прессования при переработке масличных культур

1.3.1 Анализ существующих математических моделей

процесса прессования

1.3.2 Обзор конструкций маслопрессов при переработке

масличных культур

1.4 Анализ литературного обзора, научная концепция,

формулировка цели и основных задач исследований

Глава 2. Анализ исследования семян масличных культур и растительных масел как объектов для получения смесей из растительных масел

2.1 Исследование семян масличных культур льна, рапса, рыжика, сафлора как объектов комплексной переработки

2.2 Физико-механические и химические свойства семян масличных культур

2.3 Тепло- и влагообменные свойства семян масличных культур

2.4 Исследование термоустойчивости и форм связи влаги в семенах масличных культур методами термического

и термогравиметрического анализов

2.5 Исследование растительных масел из семян льна, рапса, рыжика, сафлора как объектов производства

2.6 Определение реологических параметров мятки масличных культур

2.7 Исследование реологических характеристик растительных масел

Глава 3. Научное обоснование осциллирующих режимов сушки семян масличных культур

3.1 Экспериментальная установка и методика проведения исследований

3.2 Исследование кинетических и гидродинамических закономерностей процесса сушки семян масличных культур

в осциллирующих режимах

3.3 Математическое моделирование процесса сушки семян масличных культур в осциллирующих режимах

3.3.1 Обоснование допустимой области термовлажностных условий при сушке семян масличных культур

в осциллирующих режимах

3.3.2 Численно-аналитическое решение математической модели процесса сушки семян масличных культур

в осциллирующих режимах

Глава 4. Теоретические и экспериментальные исследования процесса экструзии масличного сырья

4.1 Экспериментальная установка и методика проведения исследований

4.2 Исследование кинетических закономерностей процесса

экструдирования масличных культур

4.3. Моделирование неизотермического течения гетерофазного расплава в кольцевом и цилиндрическом каналах экструдера

4.3.1 Теоретические основы моделирования движения вязкой жидкости

4.3.2 Результаты моделирования и оценка адекватности модели реальному эксперименту

Глава 5. Теоретические и экспериментальные исследования процесса получения растительных масел

5.1 Экспериментальная установка и методика проведения эксперимента

5.2 Исследование смесей растительных масел, полученных методом прессования

5.3 Математическое моделирование процесса прессования масличного сырья

Глава 6. Комплексная оценка качества сырья при переработке и готовых смесей растительных масел

6.1 Оценка качества экструдированных семян масличных культур

и полученных из них масла

6.2 Оптимизация состава смесей растительных масел

6.3 Химический и жирнокислотный состав смесей

из растительных масел

6.4 Определение показателей качества смесей

из растительных масел

6.5 Изучение антиоксидантной активности в смесях

из растительных масел

6.6 Исследование показателя преломления смесей

из растительных масел

6.7 Органолептические показатели качества смесей

из растительных масел

6.8 Показатели безопасности смесей из растительных масел

Глава 7. Практическая реализация технологических решений

по переработке масличных культур

7.1 Разработка конструкции сушилки для семян масличных культур

7.2 Конструктивные особенности аппарата для гидротермической обработки масличных культур

7.3 Совершенствование конструкции экструдера -маслоотделителя

7.4 Разработка конструкции пресса для получения растительного масла

7.5 Реализация способа осциллирующей сушки семян масличных культур

7.6 Реализация способа сушки семян масличных культур

в осциллирующих режимах и установка для его осуществления

7.7 Линия производства растительного масла с использованием парокомпрессионного теплового насосом

7.8 Линия производства растительного масла с использованием пароэжекторной холодильной машины

7.9 Линия гидротермической обработки семян масличных культур

7.10 Линия производства растительных масел с предварительной экструзионной обработкой сырья

7.11 Технология получения смесей растительных масел при переработке масличных культур

7.12 Автоматическая оптимизация процесса прессования семян масличных культур по технико-экономическому показателю

7.13 Реализация способа получения салатного масла

7.14 Реализация способа получения растительного масла

и белкового продукта

7.15 Эксергетический анализ технологии осциллирующей сушки семян масличных культур

7.16 Эксергетический анализ производства растительных масел предварительной экструзионной обработкой сырья

7.17 Эксергетический анализ линии комплексной переработки масличных культур

Глава 8. Разработка ресурсосберегающих технологий переработки масличных культур и отходов масложировой промышленности

8.1 Линия производства псевдокапсулированных аквакормов

для прудовых рыб на основе отходов маслосодержащего сырья

8.2 Способ производства функциональных экспандированных аквакормов для карповых рыб различных возрастных групп

на основе отходов маслосодержащего сырья

8.3 Способ производства функциональных псевдокапсулированных аквакормов на основе отходов маслосодержащего сырья

8.4 Способ производства псевдокапсулированных биопрепаратов

на основе отходов масложировой промышленности

8.5 Создание амидо-витаминно-минерального концентрата направленного действия для крупного рогатого скота на основе отходов масложировой промышленности

8.6 Способ производства белково-витаминных концентратов на основе отходов масложировой промышленности в кормлении поросят

8.7 Способ производства кормов для страусов на основе отходов масложировой промышленности

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Т О М II

ПРИЛОЖЕНИЕ А Методика проведения эксперимента при определении теплофизических характеристик и плотности семян

масличных культур

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Методика расчета для определения термодинамической эффективности рассматриваемых теплотехнологических

систем

ПРИЛОЖЕНИЕ В Методика инженерного расчета экструде-

ра

ПРИЛОЖЕНИЕ Г Методика инженерного расчета масло-

пресса

ПРИЛОЖЕНИЕ Д Численное решение задачи по сушке се-

мян масличных культур в осциллирующем режиме

ПРИЛОЖЕНИЕ Е Протокол проведения серии опытов процесса экструдирования семян

ПРИЛОЖЕНИЕ Ж Протоколы экспериментальных данных процесса прессования без предварительного эктрудирования и с

предварительным экструдированием масличного сырья

ПРИЛОЖЕНИЕ И Объемно-планировочные решения цехов

по производству растительных масел

ПРИЛОЖЕНИЕ К Технико-экономическая оценка получения растительного масла на предприятии суточной производительностью 50 т

ПРИЛОЖЕНИЕ Л Результативность экспонирования научных разработок в области комплексной переработки масличного сырья

ПРИЛОЖЕНИЕ М Акты производственных испытаний и внедрений, технические условия, технологические регламенты и лицензионные договоры на использование изобретений

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «РАЗВИТИЕ НАУЧНО - ПРАКТИЧЕСКИХ ОСНОВ РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ ПРОЦЕССОВ КОМПЛЕКСНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ СЕМЯН МАСЛИЧНЫХ КУЛЬТУР (теория, техника и технология)»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность избранной темы. Масложировая отрасль в агропромышленном комплексе России занимает ведущее место. Предприятия отрасли, перерабатывающие семена масличных культур, производят растительное масло и жировые продукты пищевого, технического и кормового назначения, в том числе и стратегического. Поэтому с этим состояние масложировой отрасли определяет развитие целого ряда отраслей АПК. В настоящее время перед масложировой промышленностью стоят новые задачи, которые связаны не только с количественным наращиванием объемов производства, но и требующие принципиально новых подходов и решений как в создании инновационных технологий и оборудования, так и с выпуском продуктов питания функционального назначения.

Сфера переработки семян масличных культур в процессе производства растительных масел является наиболее развитой из всего агропромышленного комплекса. Однако слабая материально-техническая база и неразвитая инфраструктура большинства предприятий масложировой промышленности не позволяет обеспечить высокоэффективную комплексную переработку семян масличных культур, что ведет к дополнительным потерям при получении растительного масла, увеличивает издержки производства, что в итоге отражается на качестве конечной продукции и ее себестоимости.

Производство растительных масел в РФ выросло на 14, 1 % (или 268,1 тыс. т) за 2015 год (рисунок 1). В течение последних трех лет посевные площади, урожайность и валовые сборы масличных культур сохраняются на достаточно высоком уровне (рисунок 2, 3, 4). Объемы поставок растительного масла за рубеж превысили 1,17 млн т, что на 57,1 % больше, чем за 2014 г. (рисунок 5).

Основными технологическими стадиями производства растительных масел являются сушка или влаготепловая обработка и прессование семян масличных культур [15, 16].

Рисунок 1. - Динамика производства растительных масел (нераф.), тыс. тонн

Рисунок 2. - Валовые сборы масличных культур по РФ

Рисунок 3. - Посевные площади масличных культур по РФ

масличный лен рапс рыжик сафлор

■ 2012 6,9 10,6 6,1 6,2

■ 2013 7,8 12,5 7,8 6,4

1 2014 9,3 13,8 6,6 7,6

Рисунок 4. - Урожайность масличных культур по РФ

Январь Февраль Март Апрель Май Июнь Июль Август Сентябрь Октябрь Ноябрь Декабрь

2013 в 2014 "¡2015

Рисунок 5. - Динамика экспорта масел из России, тыс. тонн

В настоящее время специалистами отрасли предпринимаются попытки экс-трузионной обработки масличных культур, которые требуют научного обоснования.

Многостадийность современных технологических процессов накладывает строгие требования, предъявляемые к качеству получаемого продукта, четкому согласованию производительности различного оборудования технологического потока при комплексной переработке семян масличных культур.

Однако недостаточная изученность этих процессов, неоправданное опасение за сохранность пищевой ценности и вкусовых качеств готовой продукции препятствуют разработке общей методики расчета взаимосвязанных процессов, затруд-

няют выбор оптимальных режимов обработки и сдерживают внедрение этих процессов в производство.

Реализация программ по переводу пищевой промышленности на наукоемкий тип технико-технологического развития опирается на эндогенные и экзогенные факторы развития научно-технического потенциала страны.

В этой связи научная и инновационная деятельность по созданию энергоэффективных процессов получения функциональных растительных масел является актуальной проблемой.

Научная работа проводилась в рамках:

- гос. контракта № П459 «Разработка ресурсосберегающих технологий комплексной переработки сельскохозяйственного сырья» на 2010 г.;

- гос. контракта № 14.740.11.0980 «Разработка энергосберегающих технологий и оборудования для их реализации на основе новых теоретических и экспериментальных данных в гидродинамике, кинетике и тепломассообмене» на 2011 г.;

- гос. контракта № П1489 «Разработка ресурсосберегающих технологий и оборудования для получения функциональных биологически полноценных и экологически чистых комбикормов для различных групп животных на основе новых теоретических и экспериментальных данных по гидродинамике, кинетике и тепломассообмену с использованием основных принципов энергосбережения» на 2009-2011 гг.;

- гос. контракта № 14.В37.21.2098 «Мониторинг и прогнозирование состояния окружающей среды в местах переработки сельскохозяйственного сырья, предотвращение и ликвидация ее загрязнения за счет комплексной переработки отходов промышленного производства» на 2012 г.;

- государственного задания № 2014/22 проект № 1964 на тему «Разработка энергосберегающих процессов сушки капиллярно-пористых коллоидных материалов при программированном теплоподводе»;

- ФЦП № 14.577.21.0046 «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2014-2020 годы» на тему «Создание и трансфер зеленых технологий глубокой переработки

зернового и масличного сырья с целью снижения потерь от социально значимых заболеваний»;

- гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых для докторов наук МД-1246.2014.4 на 2014-2015 гг. «Формирование научных основ энергоэффективных и экологически безопасных технологий производства биотоплива»;

- гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых МК-2393.2013.4 на 2013-2014 гг. «Разработка энергосберегающей и экобиотехнологии получения биопрепаратов для предотвращения незаразных заболеваний сельскохозяйственных животных»;

в соответствии с планом госбюджетной НИР кафедры технологии жиров, процессов и аппаратов химических и пищевых производств ФГБОУ ВО «ВГУИТ» «Разработка новых и совершенствование существующих технологических процессов и аппаратов в химической и пищевой технологиях» на 2011-2015 гг. (№ гос. регистрации 01.130.2.12440).

Степень разработанности темы. Совершенствованию процессов переработки масличных культур уделяется большое внимание, так как они достаточно энергоемки, трудоемки, а, следовательно, в значительной степени определяют стоимость и качество готового продукта.

Теоретические и практические основы переработки масличных культур и их аппаратурное оформление отражены в работах А. Н. Лисицына, Н. С. Арутюняна, В. В. Белобородова, В.Н. Григорьевой, А. М. Голдовского, А.А. Схаляхова, К.К. Полянского, В. В. Деревенко, В.Е. Ланкиной, А. И. Скипина, А. П. Нечаева, В. А. Масликова, Г. В. Зарембо-Рацевича, В. П. Кичигина, Е. П. Кошевого, Ю .П. Кудрина, Е. П. Корненой, З .А. Меретукова, В. С. Морозова, Г. Е. Мельник,

B. Х. Паронян, В.Г. Щербакова, О.Б. Рудакова, V. S. Vadke, R. T. Anderson,

C. A. Shook, H. G. Schwartzberg, M. T. Shirato, F. W. Sosulski, G. C. Mrema и других. [22, 23, 26, 57, 87, 92, 98, 100, 106, 107, 119, 123, 128, 129, 174, 217, 260].

Несмотря на научные достижения в области переработки масличных культур, необходимо решить ряд важнейших задач по сбалансированности тепловых потоков,

разработать математические модели и использовать их в решении задач энерго- и ресурсосбережения с учетом специфики каждой масличной культуры.

Здесь следует уделить внимание разработке сушильных установок с комбинированными гидродинамическими режимами и переменным энергоподводом, а также экструдеров и маслопрессов нового поколения. Создание высокоэффективного оборудования, обеспечивающего полную автоматизацию и механизацию технологических процессов, позволит изготовить поточно-механизированные линии, обеспечивающие значительное повышение производительности труда, безотходное производство переработки масличных культур и улучшение качества готового продукта.

Научная новизна. Разработаны концептуальные принципы создания ресурсосберегающих технологий переработки семян масличных культур, направленные на интенсификацию процесса получения готового продукта, рациональное использование материальных и энергетических ресурсов, что достигается моделированием и оптимизацией перспективных конструкций оборудования, обеспечивающих расширение ассортимента и повышение качества получаемых растительных масел.

Установлены основные кинетические и гидродинамические закономерности процессов сушки, экструзии и прессования семян масличных культур.

Методом дифференциально-термического анализа определены формы связи влаги с обрабатываемым материалом и условия терморазложения компонентов масличных культур, что позволило выявить допустимый диапазон температур нагрева продукта и обосновать выбор оптимальной температуры.

Разработаны математические модели:

- процесса сушки семян масличных культур в осциллирующих режимах на основе дифференциального уравнения теплового баланса, косинусоидального закона изменения температуры продукта по времени при ограничениях на температуру и скорость сушильного агента, обусловленных качеством высушиваемого продукта и экономической целесообразностью процесса;

- течения расплава биополимера в матрице экструдера с определением скоростей и давлений экструдата по длине формующей части;

- процесса прессования масличного сырья на одношнековом маслопрессе, позволяющие рассчитать основные конструктивные параметры маслопресса для извлечения масла из семян масличных культур.

Методом эксергетического анализа термодинамичеких процессов показано энергетическое совершенство предлагаемых взаимосвязанных процессов комплексной переработки семян масличных культур.

Научная новизна предложенных технических решений подтверждена 16 патентами РФ и 1 свидетельством РОСПАТЕНТА о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Теоретическая и практическая значимость работы. Комплексные теоретические и экспериментальные исследования, результаты математического моделирования, а также анализ работы энергоэффективного оборудования позволили разработать методологические подходы к созданию высокоэффективных способов сушки (пат. РФ № 2416919, 2511293, 2523518, 2544377), ресурсосберегающих технологий и способов получения растительных масел с соответствующим аппаратурным оформлением (пат. РФ № 2560191, 2558448, 2565023), а также технологических линий и способов по производству кормов и биопрепаратов на основе отходов масложировой промышленности (пат. РФ № 2451600, 2544377, 2558446, 2422037, 2447672, 2471361, 2491833, 2494640). Расширены возможности теплонасосных технологий в производстве растительных масел (пат. РФ № 2410884, 2416919, 2425304). Разработана программа для ЭВМ (свид. Роспатента о гос. регистрации № 2010614813).

Определены и обоснованы рациональные технологические режимы переработки семян масличных культур и производства растительных масел на основе сформулированных принципов ресурсосбережения, обеспечивающие сокращение продолжительности процесса, снижение удельных энергозатрат и повышение качества готовой продукции.

Предложены рациональные параметры процесса сушки семян масличных

культур: расход сушильного агента - 45.. .55 м /ч; высота слоя семян - 0,1.. .0,2 м; вла-госодержание сушильного агента - 3,0.5,5 г/кг; продолжительность циклов нагрева 9.12 мин, циклов охлаждения - 5.10 мин; температура сушильного агента в циклах нагрева до 363 К; температура сушильного агента в циклах охлаждения до 287 К, скорость сушильного агента в циклах нагрева 0,8...1,2 м/с и 0,4.0,8 м/с - в циклах охлаждения.

Определены рациональные режимы процесса экструдирования масличного сырья: начальная влажность сырья - 12.14 %, температура продукта в предмат-ричной зоне - 383.393 К, угловая скорость вращения шнека - 5,12.8,50 с-1; давление продукта в предматричной зоне экструдера до - 4 МПа.

Установлены рациональные параметры процесса прессования в одношнеко-вом маслопрессе: кольцевой зазор зеерной камеры для семян: льна - 0,6.1,0 мм; рапса - 0,4. 0,7 мм; рыжика - 0,5. 0,8 мм; сафлора - 0,9. 1,3 мм; оптимальная частота вращения шнека 5.7 с-1, при этом температура масла в зеерной камере составляет 323.331 К.

Получены смеси растительных масел функционального назначения с оптимальным соотношением полиненасыщенных жирных кислот, которые являются незаменимыми в питании человека. Проведено комплексное исследование показателей качества предложенных смесей растительных масел функционального назначения.

Проведен эксергетический анализ технологических систем, который показал, что эксергетический КПД предлагаемых технологических решений при комплексной переработке семян масличных культур на 5.12 % выше, чем у традиционных технологий.

Разработаны оригинальные конструкции маслопресса для высоко- и низкомасличных культур, экструдер-маслоотделитель и сушилка.

Проданы лицензии (договоры № РД0096634 от 26.03.2012 г., № РД0121869 от 05.04.2013 г. и № РД0171728от 20.04.2015 г.) на право использования интеллектуальной собственности предприятиями ООО «Агромаш», ООО «ПТИЭПБС» и ООО «СуперАгро» по патентам на изобретения РФ № 2416919,

№ 2425304, № 2511293.

Методология и методы диссертационного исследования. Методологическая основа исследования включает в себя комплекс общенаучных (анализ и синтез, проверка истинности теории путем обращения к практике; интерпретация полученных результатов и др.) и частнонаучных (абстрактно-логический метод, моделирование, эмпирический метод, статистико-вероятностный метод и др.) методов познания. Теоретико-методологической основой исследований являются труды отечественных и зарубежных авторов в области переработки масличных культур и производства растительных масел, в частности, работы Н. С. Арутюнян, В. В. Белобородов и др.

В качестве объектов исследования были использованы семена масличных культур рапса, льна, рыжика, сафлора.

Для определения показателей качества готового продукта были использованы традиционные методы анализа соответствующие ГОСТ. Погрешности измерений не превышали значений, установленных в действующих стандартах для методов количественного анализа качества готового продукта.

Для выявления интервалов температурных зон испарения влаги с различной формой и энергией связи влаги с материалом использовался метод дифференциально-термического анализа (ДТА), а также метод дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) для количественного измерения тепловых потоков, возникающих при одновременном программированном нагреве образца и эталона.

Методика эксергетического анализа использовалась для определения термодинамического совершенства предлагаемых способов производства и управления процессами влаготепловой обработки пищевого сырья.

Основная часть теоретических и экспериментальных исследований и практических разработок проведена в ОАО «ВНИИ комбикормовой промышленности», в «Воронежском государственном университете инженерных технологий», в ООО «Занрак», ООО «СуперАгро».

Сформулированная в работе цель достигалась благодаря обобщению и ана-

лизу классических и новых аналитических и эмпирических методов изучения теп-ломассопереноса, на базе известных научных достижений и основополагающих работ в области переработки масличных культур. Полученные зависимости, аппроксимирующие уравнения и результаты моделирования исследуемых процессов адекватны экспериментальным данным, что подтверждено статистической обработкой результатов измерений. Методическое обеспечение и предложенные в результате исследований конструкторские решения не противоречат известным апробированным методикам рационального проектирования и конструирования аппаратов. Комплекс экспериментов и реализация физико-математических моделей процессов сушки и тепловлажностной обработки проводилась с использованием современных компьютерных математических программ, приборов и оригинальных опытных установок.

Положения, выносимые на защиту:

- концептуальный подход к созданию ресурсосберегающих способов производства растительных масел с высоким качеством готовой продукции и рациональным использованием материальных и энергетических ресурсов;

- результаты экспериментальных исследований основных кинетических, гидродинамических закономерностей и рациональные технологические параметры процессов сушки, экструзии, прессования семян масличных культур;

- результаты моделирования исследуемых процессов и их использование при проектировании конструкций оборудования сушилок, экструдеров и масло-прессов;

- ресурсосберегающая технология комплексной переработки семян масличных культур при получении растительных масел функционального назначения с оценкой их качества.

Степень достоверности. Содержащиеся в работе научные положения, выводы и рекомендации основываются на фундаментальных физических законах и не противоречат им. Они хорошо согласуются с теоретическими концепциями, общепринятыми в данной области исследований. Достоверность исследований и результатов проведенных исследований базируется на использовании апробиро-

ванных математических методов. Полученные расчетные соотношения подвергнуты тщательной экспериментальной проверке. Расчет средней относительной ошибки не превышает 12-20 %. Все научные положения, выводы и рекомендации, изложенные в диссертации, обоснованы и подтверждены экспериментальными исследованиями и материалами, которые полностью соответствуют данным протоколов опытов.

В работе использованы современные методики экспериментальных исследований, методы и средства проведения измерений. Степень достоверности результатов проведенных исследований подтверждается глубокой проработкой литературных источников по теме диссертации, постановкой необходимого числа экспериментов, применением современных инструментальных методов анализа, публикацией основных положений диссертации. Для математической обработки результатов исследований использованы прикладные компьютерные программы.

Достоверность научных разработок подтверждена результатами экспериментальных исследований в производственных условиях: проведены промышленные испытания способов производства смесей растительных масел в ООО «Занрак» (Белгородская обл., с. Репенка), производственные испытания способа осциллирующей сушки семян масличных культур с циклическим вводом антиок-сиданта по патенту РФ № 2511293 в ООО «Супер Агро» (Московская обл., г. Москва), а также актом внедрения способа сушки семян рапса по патенту РФ № 2416919 в ООО «Волгоградский комбикормовый завод» (г. Волгоград), создан опытный образец маслопресса, прошедший заводские производственно-технологические испытания в ООО НПП «Ресурс-Т», что подтверждено соответствующими актами.

Разработаны: технологический регламент на производство смесей растительных масел по схеме однократного прессования (ООО «Занрак»), технологический регламент на производство псевдокапсулированных биопрепаратов на основе отходов масложировой промышленности (ОАО «ВНИИКП»), ТУ 929600-244-02068108-2014 «Биопрепарат на основе отходов масложировой промышленности для крупного рогатого скота».

Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе при чтении лекций и проведении лабораторных занятий по курсам «Энергосберегающее оборудование масложировых предприятий» и «Энергоресурсосберегающие технологии переработки масличного и эфиромасличного сырья».

Апробация результатов. Материалы и отдельные результаты исследований по теме диссертационной работы докладывались на международных, всероссийских научных, научно-технических и научно-практических конференциях и симпозиумах: (Киев, 2005); (Казань, 2006, 2007, 2013); (Саратов, 2007); (Мичуринск, 2007); (Могилев, 2007, 2008); (Одесса, 2008, 2010); (Челябинск, 2009); (Махачкала, 2010); (Воронеж, 2006, 2008 - 2015); (Новочеркасск, 2005, 2010, 2011); (Москва, 2006, 2010, 2011, 2013, 2014); (Краснодар, 2012, 2015); (Пермь, 2013); (Алматы, 2014); (Australia, 2014); (Italy, 2014); (Тамбов, 2013, 2015); (Иваново,

2014, 2015) и на отчетных научных конференциях ВГУИТ (Воронеж, 2005, 2007 -2015).

Результаты работы демонстрировались на региональных, межрегиональных, всероссийских выставках: «Продторг» (Воронеж, 2008); «Воронежский агропромышленный форум» (Воронеж, 2009); «Воронежский агропром - 2010» (Воронеж, 2010); «ВоронежАгро» (Воронеж, 2011, 2013, 2014); «АгроСезон» (Воронеж, 2014-2015); «Инновационные технологии в производстве кондитерских, хлебобулочных, макаронных изделий и зернопродуктов» (Воронеж, 2014); «Пищевая Индустрия» (Воронеж, 2014); на конкурсах: «Золотой лев», 2010, 2012; «Эврика 2010, 2011»; «Инженерные технологии ХХ1», 2011; «Лучшая инновационная идея», 2012; «Инженерное искусство молодых», 2013; «Лучший молодой преподаватель 2013», 2013; «Пищевая Индустрия», 2014; «Лучший молодой ученый 2013, 2014 года»; «BIOATLAS 2014»; «Лучшая научная статья - 2014, 2015»; конкурс работников образовательной сферы «Хрустальная сова», 2014; «Лучший молодой ученый Евразии», 2014; «Лучший изобретатель и лучшее изобретение»,

2015, по итогам которых работа награждена дипломами и медалями.

По результатам работы получены: премия ведомственной целевой программы «Талантливая молодежь Воронежской области 2011-2013» (приказ департа-

мента образования, науки и молодежной политики № 873 от 07.09.2012); премия Правительства Воронежской области за лучшую научную разработку (постановление правительства Воронежской области от 18.12.2013 № 1108); ведомственный знак «Педагог-наставник лауреата премии по поддержке талантливой молодежи» (приказ департамента образования, науки и молодежной политики № 369 от 22.12.2014).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 100 работ, в том числе 3 монографии, 4 учебных пособия, 22 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ, получено 1 6 патентов РФ и 1 свидетельство Роспатента о регистрации программ для ЭВМ.

Автор искренне благодарен научному консультанту доктору технических наук, доценту Василенко Виталию Николаевичу за оказанную помощь, консультации и ценные замечания, сделанные при выполнении диссертационной работы, а также выражает признательность коллективу кафедры технологии жиров, процессов и аппаратов химических и пищевых производств ВГУИТ за поддержку и эффективное сотрудничество.

Особую благодарность выражает заслуженному изобретателю Российской Федерации, доктору технических наук, профессору Шевцову Александру Анатольевичу за научные консультации.

Глава 1 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ТЕОРИИ, ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ РАСТИТЕЛЬНОГО МАСЛА

1.1 Основы теории и обзор техники и технологий производства

растительных масел

Основой производства масложировой продукции является технология. Правильно разработанная технологическая схема, включающая минимально необходимое количество эффективного оборудования, механизированность и автомати-зированность процессов производства, все это является гарантией качества продукции и обеспечивает минимальные затраты энергии.

Одной из основных задач, стоящих перед масложировой промышленностью является повышение эффективности переработки семян масличных культур для обеспечения населения страны высококачественным растительным маслом и отрасли животноводства белковым кормом. Решение указанных задач невозможно без усовершенствования технологий переработки масличного сырья и обновления технической базы масложировых предприятий.

Одним из резервов повышения эффективности переработки масличных культур является внедрение инновационных технологий для обеспечения устойчивого качества выпускаемой продукции - масла и жмыха на всём технологическом цикле их производства [16, 89, 162].

Для того чтобы перерабатывающие предприятия были заинтересованы во внедрении инноваций производство, необходимо чтобы они были информированы о тех новшествах, которые предлагаются производителями технологического оборудования.

Производство растительных масел вне зависимости от способа начинается с подготовительного этапа, который включает следующие стадии [15, 42, 48, 151, 241]:

- очистку масличного сырья от примесей;

- кондиционирование семян по влажности;

- обрушивание семян с получением рушанки;

- разделение рушанки сепарированием;

- измельчение ядра. Производство прессовых масел.

Основные стадии производства прессовых масел:

- влаготепловая обработка (жарение) с получением мезги;

- форпрессование с получением прессового масла;

- отстаивание и фильтрование масла.

Структурная схема производства прессового масла приведена на рисунке 1.1.

Взвешивание

Очистка от металлопримесей

Вторая очистка от сорных примесей

Очистка от металлопри-месей

Подготовительные операции перед жарением

Первая очистка от сорных примесей

Отделение примесей на сухомойке (можно использовать бичевую семенорушку)*

Измельчение на пятивальцовых станках

Подготовка мезги (жарение мятки)

Сушка (при необходимости)

Охлаждение

Хранение

Первичная очистка масла

Масло на гидратацию

Форпрессование

V

Жмых на хранение

I

Жмых потребителю

Рисунок 1.1. - Структурная схема производства прессового растительного масла

На современном этапе получения растительных масел используется технология разнохарактерного воздействия на сырье: семена очищают от примесей; отделяют и разрушают оболочки от зародыша и эндосперма ядра, измельчают, т.е. готовят к физико-химической обработке. Диффузионные и диффузионно-тепловые процессы - основные в технологии подготовки сырья к переработке.

Семена кондиционируют по влажности, обрабатывают теплом, жарят мезгу, экстрагируют органическими растворителями, далее идет отгонка растворителя из мицеллы и шрота. И завершающий этап обработки семян - на шнековых прессах происходит прессование мезги, далее идет отстойка и фильтрация масла.

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Фролова Лариса Николаевна, 2016 год

- /Л

1_ 1 / 1 / л V /

10' 9

9 10 '

Не

Рисунок 4.9. - Зависимость Ей = ДДе, Fr, d/l) Коэффициент вспучивания (соотношение толщины готового экструдата и величины зазора между конусом шнека и фильеры) взяли как параметр, характеризующий экструзию [39, 64, 239].

При производстве экструдата из семян масличных культур особое внимание следует уделить таким параметрам: конструкционным, технологическим, кинетическим. Они помогают прогнозировать изменения в исследованном диапазоне значений факторов [10, 11, 39, 95].

Математический программный комплекс STATISTICA использовали для обработки полученных данных с тем, чтобы спрогнозировать изменения производительности, температуры и коэффициента вспучивания [140]. В результате были получены регрессионные уравнения:

квс =2,35-0,052Ш+1,17Л+0,0016Ш2-0,010ШЛ-0,398А2 Т=116,46+38,11 W-0.05n-1.31 W2+0,065W•n+0,0028n2 Q=12,01+0,79 W+0,0013n-0,03 W2 +2,6110-5 W•n-8,31 •10-7п2 где кес - коэффициент вспучивания; Т - температура продукта в предматричной зоне, К; Ж - начальная влажность исходной смеси, %; пд - частота вращения шнека, рад/с;

(4.2)

(4.3)

(4.4)

А - величина зазора между конусом и шнеком, мм.

Коэффициенты регрессионных уравнений позволяют утверждать, что величина зазора между конусом и шнеком оказывает влияние на коэффициент вспучивания, а также начальную влажность, но в меньшей степени. Эти коэффициенты (влажность исходного продукта и частота вращения шнека) также сильно влияют на значение производительности и температуры в предматричной зоне.

Данные уравнения весьма точно описывают, как влияют разные факторы на исследуемые кинетические параметры процесса экструзии семян масличных культур льна, рапса, рыжика, сафлора.

Чтобы корректно учесть влияние всех параметров обработки исходного продукта, использовали комплексный показатель интенсивности обработки - индекс SME (specific mechanical energy) [121, 122, 125].

Количество удельной механической энергии, которое отдается экструдиру-емому материалу входе переработки, характеризуется показателем SME [95, 137, 212], который находим по формуле

Л P k

SME = -шрв—^, (4.5)

лш Q100 v '

max

где SME - удельная энергия поглощения, Вт-ч/кг;

лш - скорость вращения шнека, с-1;

лш - максимальная скорость вращения шнека, с-1;

max

P - мощность на валу привода, кВт;

Q - производительность, кг/ч; k - коэффициент загрузки, %.

Потребляемая мощность и среднее значение вязкости материала зависят от увеличения скорости шнека (рисунок 4.10, 4.11). Это ведет к резкому увеличению крутящего момента, и, как следствие, к росту SME и давления. Затем при более высокой скорости вращения шнека идет снижение параметров до их новых значений. Температура повышается с ростом SME - сказывается эффект диссипации. Увеличение SME - это результат повышения скорости вращения шнека (при постоянных производительности и температуре корпуса). За счет снижения реологических свойств реальный рост SME смягчается. Реологические свойства мате-

риала зависят от роста температуры (рисунок 4.12).

Рисунок 4.10. - Зависимости изменения удельной механической энергии 8МЕ (1), температуры продукта (семян рыжика, рапса) (2) и давления в матрице экструдера (3) от изменения

частоты вращения шнека от 29 до 36 рад/с

Рисунок 4.11. - Зависимости изменения удельной механической энергии 8МЕ (1), температуры продукта (семян льна, сафлора) (2) и давления в матрице экструдера (3) от изменения

частоты вращения шнека от 29 до 36 рад/с

Рисунок 4.12. - Зависимости изменения удельной механической энергии 8МЕ (1), частоты вращения шнека (2) и давления в матрице экструдера (3) от изменения температуры

матрицы экструдера от 370 до 440 К

8МЕ, давление, крутящий момент уменьшаются при повышении температуры. На это влияет уменьшение вязкости и сдвиговых напряжений при постоянной скорости вращения шнека.

Увеличение начальной влажности продукта с 14 до 18 % ведет к понижению температуры со 443 до 393 К (рисунок 4.13). Продукт можно увлажнять водой, но для стабильной работы лучше увлажнять паром. Производительность экс-трудера возрастает при увеличении начальной влажности продукта, а мощность, наоборот, снижается (рисунок 4.13).

Средняя скорость вращения шнека - 5,12.8,51 с-1. Вероятность разложения термолабильных питательных веществ с ростом температуры в предматричной зоне экструдера снижается благодаря высоким скоростям и уменьшению времени нахождения в рабочей камере. Когда экструдат выходит из формующего канала, происходит падение температуры. Увеличение скорости протекания процесса

экструзии шло за счет повышения начальной влажности продукта (снижалась вязкость расплава в предмат-ричной зоне).

Начиная с зоны сжатия вплоть до матрицы, идет резкое возрастание температуры продукта по длине рабочей зоны экструдера. Угловая скорость шнека - 7,0 с-1 (рисунок 4.13). В пред-матричной зоне температура продукта постоянна и при его выходе из формующего канала быстро снижается до 355.375 К. Это объясняется тем, что при высокой температуре и давлении в экструдере вода существует в жидком состоянии. Резкое снижение температуры происходит в момент выхода из матрицы экс-трудера, так как из-за взрывного испарения воды выделяется большое количество энергии. Температура смеси снижается при увеличении давления в предматрич-ной зоне, пульсация давления в экструдере растет, степень гомогенизации расплава уменьшается, температурная однородность ухудшается и падает качество экс-трудата [39, 136, 226, 239].

До выхода экструдата из формующего канала матрицы в зону атмосферного

Рисунок 4.13. - Зависимость температуры, производительности и удельного расхода энергии от влажности при экструдировании семян: 1 - рыжик; 2 - лен

давления не отмечается изменения начальной влажности смеси по длине рабочей зоны экструдера. Энергия, аккумулированная экструдатом в зоне атмосферного давления, быстро высвобождается, при этом испаряется 10.30 % воды (рисунок 4.13).

Развиваемое давление снижается, когда повышается температура продукта перед матрицей для всех значений начальной влажности. Это объясняется тем, что быстрый нагрев материала ведет к уменьшению эффективной вязкости расплава экструдата и его давления (рисунок 4.13).

Между давлением и содержанием влаги в сырье зависимость обратно пропорциональная. Отмечается резкий рост давления в предматричной зоне экстру-дера при уменьшении начальной влажности. Это связано с уменьшением количества воды во время экструзии и увеличением вязкости продукта тем быстрее, чем меньше его температура перед матрицей.

На основе графических зависимостей можно сделать выводы, о большом влиянии учитываемых факторов на давление пищевой среды и температуру: начальная влажность смеси; а также наибольшее влияние на давление расплава продукта оказывают конструктивные параметры экструдера (величина диаметра проходного сечения матрицы), скорость вращения шнека и давление продукта максимально влияют на температуру в предматричной зоне экструдера, геометрические характеристики рабочего органа.

Они позволяют установить доминирующее влияние каждого исследуемого фактора на кинетические параметры (Р, Т) и с достаточным приближением описать характер протекания процесса термопластической экструзии зерновой смеси.

Методика определения производительности экструдера: за 10 секунд были взяты образцы готового продукта, взвешены на технических весах. Далее определяли массу образца за 1 с экструдирования. Потом рассчитывали часовую производительность.

Мощность сил полезного сопротивления:

N = (- Ых.)Побщ. где N - мощность сил полезного сопротивления, кВт;

(4.6)

Ицт - мощность, которую показывает ваттметр; Ых х - мощность холостого хода двигателя (Мх х — 1,32 кВт); Лобщ - общий КПД, включающий КПД ременной передачи, редуктора и подшипниковой опоры шнека (лобщ ~ 0,846).

Сила, действующая на матрицу, связана с нормальным напряжением в материале перед матрицей зависимостью

Я — 0,25 ттПс2ам, (4.7)

где Бс - внутренний диаметр корпуса шнека, м.

Нормальное напряжение в материале перед матрицей ам найдем из первого

4 Р

уравнения системы о\ —-—, где Р - осевое усилие, полученное эксперимен-

ттОС

тально. Тогда окончательно

Я\ — Р

'Икф^ 1/т°

V Е\ )

+ \

(4.8)

Показания снимались только после выхода экструдера на установившийся режим.

На рисунках 4.14-4.17 представлены диаграммы зависимостей основных параметров процесса экструзии смесей на основе семян масличных культур от угловой скорости при относительной влажности прессуемого материала 16 %.

Установили величину средних отклонений для Q, N и Я, чтобы оценить совпадение измеряемых и вычисляемых результатов. Среднее значений не превышает 12 %.

А

о

(-Н

СУ

40 35 30 25 20

1ч о 2

3у

7,0 7,5 8,0 8,5 9,0 9,5 10

п, с

Рисунок 4.14. - Зависимость производительности экструдера от частоты вращения шнека при влажности материала ж = 28 %: 1 - шнек № 1; 2 - шнек № 2; 3 - шнек № 3

А

4,0

3,5

3,0

2,5

2

1ч

2

7,0 7,5 8,0 8,5 9,0 9,5 10 п с-1

1

Рисунок 4.15. - Зависимость мощности привода экструдера от частоты вращения шнека при влажности материала ж = 28 %: 1 - шнек № 1; 2 - шнек № 2; 3 - шнек № 3

8,0 7,5 7,0 6,5 5,0

1ч

2

""з

7,0 7,5 8,0 8,5 9,0 9,5 10 п с-1 ^

Рисунок 4.16. - Зависимость силы, действующей на матрицу экструдера от частоты вращения шнека при влажности материала W = 28 %: 1 - шнек № 1; 2 - шнек № 2; 3 - шнек № 3

Температурный режим процесса нельзя охарактеризовать полностью по максимальному значению температуры процесса экструзии в головке экструдера [239].

Т, К 413

Рисунок 4.17. - Зависимость температуры экструдируемых семян масличных культур от мощности и производительности при различной влажности исходного сырья

Поэтому решили найти эквивалентную температуру процесса. Эта температура прессуемого материала относительно постоянна во всем рабочем объеме пространства. С ее помощью обеспечивается мощность сил полезного сопротивления и производительность прессующего механизма, которые адекватны реальному процессу.

Оптимальные значения геометрических параметров hs = 0,007 м, sx = 0,005 м, рх = 0,032 м нашли с помощью анализа оптимальных областей од-ношнекового экструдера. Конструктивные режимы и геометрические параметры определили благодаря оптимизации прессующего механизма экструдера.

При анализе показателей качества масла необходимо учитывать многочисленные параметры процесса, например, для растительных масел они могут отличаться, если получены при изменяемых одних показателях и неизменных других.

4.3 Моделирование неизотермического течения гетерофазного расплава в кольцевом и цилиндрическом каналах экструдера

4.3.1 Теоретические основы моделирования движения вязкой жидкости

Развитие математических комплексов и IT - технологий расширяет возможности при моделировании существующих процессов, которые при теоретическом исследовании практически невозможно описать. При этом применение пакетов прикладных программ для моделирования процессов и явлений с использованием мультимедийных средств дает возможность наглядно ознакомиться с разными деталями процесса, не воспроизводимыми другими способами. Но роль натурного и лабораторного экспериментов, теории по-прежнему остается важной, ибо они гарантируют правильность численного моделирования. Для моделирования течения расплава в каналах сложной формы была применена современная система трехмерного моделирования Flow Vision 3.08.00. Этот программный комплекс облада-

ет большим диапазоном возможностей при решении задач трехмерного движения расплава, а также позволяет различными способами наглядно видеть полученные результаты.

В процессе термомеханической обработки масличного сырья стабильность работы оборудования и, как следствие, качественные характеристики получаемого продукта зависят от слаженности характеристик рабочего и формующего органов (от давления, создаваемого витками шнека, и сопротивления, обусловленного сложной формой канала матрицы экструдера). Сопротивление, создаваемое каналом матрицы, зависит от пропорциональности площади и длины формующего канала.

При переработке семян масличных культур геометрия формующего канала матрицы экструдера включает в себя одновременно поверхности простой и сложной формы. При аналитическом решение движение расплава в каналах сложной формы представляет сложную задачу и, как правило, решение невозможно, в связи с этим в последнее время все чаще используют алгебраические методы расчета, в том числе метод конечных объемов.

Для правильной работы программы при моделировании течения биополимера в каналах сложной формы был составлен алгоритм проведения математической обработки процесса, который включает следующие основные этапы.

1. Геометрический препроцессор:

S выбор конструкций для проведения численного моделирования;

S экспорт/импорт геометрии из Компас - 3D в Flow Vision.

2. Физико-математическая постановка задачи:

S выбор математической модели;

S ввод физических параметров;

S ввод граничных условий.

3. Подготовка к численному моделированию:

S построение расчетной сетки;

S ввод параметров численного расчета.

4. Моделирование с помощью солвера.

5. Подготовка к визуализации результатов.

6. Представление результатов и подготовка отчета.

Для проведения численного моделирования на основании теоретических исследований [239, 242, 244, 254, 263] были выбраны конструкции формующего узла цилиндрической (рисунок 4.18, а) и кольцевой (рисунок 4.18, б) формы, позволяющие создать необходимое давление в матричной зоне и обеспечивающие выравнивание скорости продукта на выходе из канала.

Геометрические характеристики исследуемых матриц:

Цилиндрическая Кольцевая

Характеристика

форма форма

- длина матрицы 0,043 м 0,055 м

- длина формующего канала 0,029 м 0,045

4 2 4 2

- площадь формующего канала 1,9410" м 2,5310" м

- угол конуса шнека 50° 50°

- угол конуса обтекателя - 35

Рисунок 4.18. - Конструкция формующего узла цилиндрической (а) и кольцевой (б) формы

В результате предварительных теоретических расчетов выбрали приведенные конструкции. Была сделана и расходно-напорная характеристика, чтобы в предматричной зоне было обеспечено оптимальное соотношение «производительность - давление». Рост давления, которое способствует нужному коэффициенту расширения экструдата, размерную скорость выпрессовывания продукта -

все это должны обеспечивать расчетные конструкции формующих узлов. Развитие пластической деформации влияет на свойство течения смесей. Деформация - это вязкое течение, обусловленное перемещением молекул и их групп на расстояние, большее размера самой молекулы. Температура влияет на рост пластической деформации. У пищевых смесей появляются свойства аномально-вязких или неньютоновских жидкостей при установившихся условиях течения. Это говорит о том, что при малых напряжениях сдвига реологические свойства пищевых смесей будут иметь постоянную ньютоновскую вязкость [1, 146, 226, 243]. Поэтому далее выбиралась модель течения и решаемые уравнения в каждой расчетной подобласти [139, 167].

Для моделирования течения расплава биополимера были созданы твердотельные модели каналов матрицы кольцевой и цилиндрической формы в системе автоматического моделирования Компас -3D ( пакет Flow Vision работает только с трехмерной геометрией) и импортируется во FlowVision с помощью форматов передачи данных, таких, как STL, VRML, и т. д. (расширение .stl).

Выбор математической модели. Для получения распределений давления, скорости и др. физических параметров моделировали движение жидкости в расчетной области. Для расчета параметров нужно задать физические законы их изменения, совокупность которых для данной задачи называется математической моделью.

Модификацию математической модели можно сделать через интерфейс Flow Vision, отключив часть уравнений модели (и рассчитываемых переменных) и изменив константы модели.

«Ламинарную жидкость» выбрали как математическую модель, которая отвечает за то, как движется расплав экструдата в формующем канале матрицы экс-трудера, характеризует движение жидкости при малых скоростях и числах Рей-нольдса менее 2300 (решали уравнения Навье-Стокса, неразрывности, энтальпии и концентрации):

Навье-Стокса:

, д_Ы), )—_ар+±V2 (4.9)

дг Sx dy dz dx Re x'

do d(vxvv) d(vv )2 d(vvvz) qP \

—y + v x y) + v y) + v y } — _ — + — V2n , (4.10)

дг дх dy dz dy Re y

O+d(nA)+dbnl+din)2— _0P+±V2W, (4.11)

дг dx ddy dz dz Re

где V2„, = 02^, + СП + , VO - ^ + + , V^Oz — SO + + dO

z

x dx2 dy2 dz2 ' y dx2 dy2 dz2 ' z dx2 dy2 dz2 ' - уравнение неразрывности:

do Cov do D = V ■ V = d°L + -JL + d°L - о. (4.12)

dx dy dz

В базу данных Flow Vision занесли изучаемые жидкости. По предварительным исследованиям были приняты их теплофизические свойства [1, 7, 9, 25, 39, 64, 97, 103]: давление Р = 101000 Па, температура Т = 273 К, начальная скорость движения расплава экструдата на входе в формующий канал матрицы 3 — 0,22 м/с.

Плотность расплава в математической модели равна 1290 кг/м , динамическая вязкость - 9000 Пас.

Задание граничных условий. Граничные условия на границе расчетной области задавали для расчетного варианта. Граничные условия, которые были использованы в задаче, приведены ниже (рисунок 4.19):

а б

Рисунок 4.19. - Граничные условия формующего узла цилиндрической (а)

и кольцевой (б) формы

I. V. Канал фильеры: тип границы - стенка, тип граничного условия - стенка; На границе области задано условие прилипания

и\ = 0. (4.13)

w v 7

II. Вход расплава продукта в канал фильеры: тип границы - вход/выход, тип граничного условия - нормальная скорость 0,22 м/с. На границе области задана нормальная компонента вектора скорости (unw):

\ = \w. (4.14)

Если и^ > 0, то граничное условие трактуется как «вход».

Если и^ < 0, то граничное условие трактуется как «выход».

Отрицательная величина unw в процессе расчета переустанавливается по правилу:

\ ' in r<in

"Г = , (4.15)

обеспечивающему выполнение условия баланса массы - "сколько массы втекло -столько массы вытекло". Здесь Sin и Sout - площади «входных»/«выходных» граничных поверхностей.

III. Вращающийся шнек: тип границы - стенка, тип граничного условия -тангенциальная закрутка. Это граничное условие задает вектор скорости, который имеет касательную ик, составляющую к граничной поверхности (нормальная составляющая отсутствует ип = 0).

Направление вращения определяется правилом буравчика и знаком степень закрутки: со> 0 - «прямое» вращение; со < 0 - «обратное» вращение.

По правилу буравчика, примененного к вектору, находится направление касательной составляющей скорости. Плоские фасетки - это реальная расчетная граница. Следовательно, скорость, найденная по правилу буравчика, может иметь нормальную к фасетке составляющую. Для расчета будем полагать, что составляющая равна нулю. При возникновении ошибки ее можно уменьшить за счет повышения качества фасеточного представления поверхности.

Зададим частоту вращения шнека со = 37.68 рад/с.

IV. Выход продукта: тип границы - свободный выход, тип граничного условия - нулевое давление/выход. Скорость на границе расчетной области устанавливается по следующему правилу:

- в расчетной ячейке, примыкающей к границе, определяется направление вектора скорости;

- если вектор скорости направлен внутрь расчетной области, то нормальная составляющая скорости обнуляется;

- если вектор скорости направлен из расчетной области, то устанавливаются нормальные производные компонент вектора скорости равные нулю:

Pw = 0 , (416)

(и, n )> 0 v\w = Vw, (4.17)

(и, n)< 0 А(\, n\ = 0, (4.18)

где n - нормаль к границе;

uw - тангенциальная составляющая скорости на границе.

Генерация расчетной сетки. В программе Flow Vision используется декартовая система координат, поэтому для расчета задавались изменяемой объемной сеткой, состоящей из набора ячеек заданного размера. При этом из-за относительно маленьких размеров проектируемой матрицы 15000 расчетных ячеек (рисунок 4.20),

Рисунок 4.20.

а б

- Адаптированная расчетная сетка формующего узла цилиндрической (а) и кольцевой (б) формы

предоставляемых демо-версией, вполне достаточно для проведения расчета заданной точности.

В системе FlowVision используется прямоугольная расчетная сетка с подсе-точным разрешением геометрии и локальным измельчением, поэтому можно точно и легко описать области сложной геометрической формы. Чтобы повысить точность расчетов, произвели адаптацию сетки по граничным условиям (рисунок 4.20): стенка и шнек. Уровень адаптации стенки равен 2. Получаем подробную расчетную сетку в области зазора стенки с экструдером и шнеком. Далее производилась генерация сетки.

Параметры численного расчета вводили с помощью вкладки «Шаги» в окне свойств узла дерева препроцессора «Общие параметры». При этом, как правило, параметры адаптации сетки: узел дерева «Адаптация», параметры численного метода — узел «Параметры метода» — изменять не требуется. Основные параметры расчета — «Макс. шаг» и «CFL» («неявный CFL», расположенный слева от «Макс. шаг») — определяют выбор программой расчетного шага по времени. CFL — это так называемое число Куранта; его физический смысл можно трактовать как максимальное число ячеек сетки, которое малый объем жидкости может преодолеть за один шаг по времени. По умолчанию CFL = 1, и в этом случае объем смещается по времени не более чем на одну ячейку. Параметр «Макс. шаг» обладает большим приоритетом, чем CFL, поэтому управление шагом по времени рекомендуется вести через этот параметр. При выборе шага по времени надо сначала оценить характерное время течения через одну ячейку.

Следующий шаг - задание параметров методом численного моделирования. В программе Б^^^Ушоп используется метод конечных объемов для численного решения уравнений конвективно-диффузионного переноса:

Ц- + У(У/) — У^УГ) + Q, (4.19)

дt

где/ - рассчитываемая переменная; V - скорость;

Б - коэффициент диффузии; Q - источниковый член.

При методе конечных объемов уравнения типа (4.10) интегрируются по объему каждой /-й ячейки расчетной сетки и по отрезку времени:

| /йу

V

г = г

п+\

| /йу

V

г = г'

+ 1 |=| | +II ййуйг, (4.19)

т &

г &

т V

где ^ - объем ячейки; $ - поверхность ячейки;

Л ?п+1 - моменты времени начала и конца шага по времени.

гп+\ = гп +т.

(4.21)

При адаптации расчетной сетки и подсеточном разрешении геометрии ячейка имеет форму произвольного многогранника. Те из граней, которыми ячейка граничит с другими ячейками, называются «свободными». Площадь у-й свободной грани в /-й ячейке обозначим через зу. «Твердыми гранями» являются те грани ячейки, которые образованы границей, пересекающей ячейку. Площадь у-й твердой грани в /-й ячейке обозначим через gj. Основываясь на этих обозначениях получим выражение (4.11) в разностной форме:

-п+\

Уг(/Г - /г') + 2 7 +2 + й- = 0:

] ]

(4.22)

где Qi - объемный источник переменной ^ - осредненное значение переменной по объему ячейки в момент времени /':

Уг/г' = I /йУ V

г'

(4.23)

Осредненные плотности потоков рассчитываемой переменной ^ и О- через со-

ответствующие грани и gj за шаг по времени определяются по выражениям:

Я-7 =1 (/V + ПЧ/)Л

О/ =1 (7*7- + °(

(4.24)

(4.25)

Яг

где индексом w обозначены значения величин на границе расчетной области, ко-

5

г

т

торая соответствует грани ^ .

Комплекс ПУ/, который соответствует диффузионному потоку величины f аппроксимируется в FlowVision вторым порядком точности по пространственной переменной.

Более сложной задачей компьютерного проектирования процесса является аппроксимация конвективного потока в канале сложной формы. С учетом того, какая необходима точность при расчете, возможно использование нескольких схем восстановления (восстановление первого порядка, гладкое восстановление высокого порядка и ступенчатое восстановление высокого порядка). Эти схемы основаны на восстановлении определяемой переменной f из ее средних значений внутри ячейки расчетной сетки и переноса восстановленной жидкости по линиям тока жидкости. Применяется «скошенная» схема, чтобы восстановить величины в ячейках при диагональном перемещении заданной среды. Чтобы исследовать процесс перемещения расплава биополимера в формующем узле, выбрали эту схему.

fi.,

f.

f»

fi

/ •

Xi-1/2

Xi+1/2

а

Xi-l/:

Xi+1/2 б

Это связано с тем, что есть участки со «скошенным» направлением движения расплава экструдата относительно ячеек сетки в проектируемой области. На рисунке 4.21 дано рас-

Рисунок 4.21. - Схемы расположения: положение средних жа^нии отрада а - расположение средних величин в ячей-

ках; б - схема аппроксимации уравнения конвективного переноса «скошенной» схемой

ляемых величин в ячейках и схема аппроксимации уравнения конвективного переноса «скошенной» схемы. Эту схему можно назвать схемой аппроксимации «с дополнительной точкой». Она описывается так:

/гг + /хгг (хг +1 /2 _ х)> при х - хг+1/2 _ 1

f(x) =

[fit + fxli(x - xi-1 / 2 )> пРи x < xi +1 / 2 - 1 где l - расстояние от стороны xi+1/2 до дополнительной точки;

(4.26)

/ и / - величины скорости на левой и правой границах конечного объема. Их значения определяются из разложения функции в ряд Тейлора:

1 9 1 ^ 4

Кх) = К х+1 / 2) + !х Лх + — +~ /ххх^Х + °(Лх ), (4.27)

где Лх = х - хг+1 /2 (4.28)

С помощью вычислений осредненного значения функции /-го конечного объема, а также соседних ему г-1 и г+1 объемов найдем коэффициенты выражения (4.29).

Получим

/п = 0,5 (Л +1 + - 0,167 (Дц - 2/г + 2/-1);

/и = 0,5 (/г + /-1) + 0,167 (/г +1 - 2/. + 2/_1) . ( . )

Чтобы достигнуть монотонности реконструкции величины / и / берут средние значения соседних конечных объемов:

Г/ ^ /п ^ Л+1, пРи Л+1 _ Л ^0; / > /п > Л+1, пРи Л+1 _ /г < 0; ^

Г/_1 ^ Ь ^ Л, пРи Л _ _1 ^ 0; /-1 > Ь > Л, пРи Л _ Л-1 <

Расстояние I и производные/хг/ и/х/ на левой и правой сторонах V равны:

1 = Л г - Лг , / = ЛчЧ^ / = Лг-^. (4.31)

/п ' ^ хп I 1 ' ^ хи 7 1

гг - 1Н 1 1 - 1

Чтобы численно решить уравнение Навье-Стокса воспользуемся неявным алгоритмом расщепления по физическим переменным. Напишем уравнение для движущегося объема

\pdlV = \pdlV

(4.32)

V- А

I pVdV - I pVdV = -|| Р1Мг + Б v а * ^

где 5 - площадь поверхности объема О; V - поле скорости рассматриваемой жидкости; р - плотность;

О - члены уравнения Навье-Стокса, описывающие силу тяжести, вязкостные напряжения и т. п.

Разностный аналог уравнения Навье-Стокса выглядит как:

УгП+1УгРП+Х - I рпУпйУ = -т2Рп+1 * + ^(У). (4.33)

Ц Б

Неизвестные величины в этом уравнении - Р1+1 и У1+1. Добавим и вычтем в

нем дополнительные члены:

рп+^, и + 2Р

ь

Данное уравнение разделяется на два:

(Угп+1 + У - У У рп+1 - | рnУndУ = -т(2 Рп+- 2 РпЬ + 2 РпЬ) + Вг(У). (4.34)

Ц Б Ь Ь

УУгрп+1 - | рnУndУ = -2РпЬ + Ог(У), (4.35)

Ц

и

(Угп+1 - У У рп+1 = -2 РГ1 * + 2 РпЬ. (4.36)

Б Ь

В формуле (4.35) используем поле давления, которое взяли на предыдущем шаге по времени. Данное векторное уравнение - это уравнение конвективно-диффузионного переноса для трех компонент скорости жидкости. Для дальнейшего решения оно разделяется так:

Л ^ г \

У- =■

Уг п+1

Уг р'

I УndУ -т2 РпЬ

уц ь у

(4.37)

— Л 1 -

Уг = Уг + — ЩУ) . (4.38)

Уг

Чтобы найти поле давления, возьмем условие несжимаемой жидкости, из которого видно, что:

2 УБп+1 * = 0, (4.39)

б

где У8"+1 - значение скорости на границах конечного объема У-.

Для получения выражения для У8"+1 запишем аналог уравнения (4.36), которое получили с помощью интегрирования уравнений Навье-Стокса по движущейся грани объема О. Для грани этого объема, которая совпадает с гранью Ь при t=tn и с ^ при t=tn+1, выражение для У8п+1 будет иметь вид:

vt1 = vs ( vp"+1 )

Pb

b p-t1

r (VPn+1)

(4.40)

S

Подставив найденное Vs"+1 в формулу (4.32) получим:

Т /V7 пП+1

I—Ц- ( VPn+1)

S Pn+1

s = Z V-s + z — (VP) S S b pn+1

b. (4.41)

b

Определив поле давления Pn+1 из (4.40), находим поле скорости Vs"+1. Чтобы предотвратить осцилляцию поля давления на неразнесенных сетках во FlowVision в уравнении (4.37), введем разность между представлением градиента давления вторым и четвертым порядком точности [94].

С помощью солвера обеспечивается численное решение поставленной задачи, и он «невидим» для пользователя (хотя многие его параметры задаются в препроцессоре). При работе с солвером в Flow Vision выбираются пункты меню «Команда» («Начать вычисление», «Сетка & Вычисление», «Остановить вычисление») или нажимаются соответствующие кнопки панели инструментов. Не считая операций создания, открытия и сохранения файла, почти вся остальная работа с пакетом (т. е. с его препроцессором и постпроцессором) может происходить без использования меню и панели инструментов.

При расчете получаемые значения могут отажаться в графическом виде (заливка, векторы, изолинии и т. д.). Возможно получать характеристики исследуемой величины и сохранять данные в файл и обрабатывать результаты во внешней статистической или математической программе.

4.3.2 Результаты моделирования и оценка адекватности модели реальному эксперименту

Чтобы отразить получаемую информацию, использовали ряд плоскостей (слоев визуализации), на которые проецировались изменения исследуемой величины. Плоскости были расположены как параллельно, так и перпендикулярно оси матрицы, чтобы было полное представление о процессе. В зависимости от типа

матрицы ось параллельно оси матрицы, разбивалась от 16 до 20 равных участков. На каждом участке строилась плоскость, перпендикулярная оси матрицы в постпроцессоре, и задавался слой для давления и скорости.

После расчетов построили графики изменения давление экструдата по длине формующего канала матрицы, формующего узла цилиндрической (а) и кольцевой (б) формы и скорости движения. В формующих каналах матриц формующего узла цилиндрической (а) и кольцевой (б) формы можно выделить две зоны: I - зона винтового движения расплава; II - зона поступательного движения расплава.

Для матрицы цилиндрической формы (рисунок 4.22, а) давление и скорость изменяются следующим образом: в I зоне плавно снижается давление на 10.15 % от начального значения, при этом идет уменьшение модуля скорости движения расплава экструдата. Происходит это потому что уменьшается влияние вращающегося конуса шнека, поскольку в матрице основная составляющая скорости -окружная скорость. На рисунке 4.22, а показано движение продукта против часовой стрелки. Происходит значительное уменьшение скорости его движения в направлении от шнека к матрице экструдера. Причина этому - прилипание первых слоев расплава биополимера к стенкам канала. Во II зоне идет спад давления. Но скорость неизменна на длине 4 мм от начала второй зоны при зазоре 1,0.1,5 мм

и снова продолжает падать.

Анализируя матрицу формующего узла кольцевой формы, приходим к выводу, что давление в I зоне незначительно снижается, модуль скорости при этом уменьшается на 25 %, расплав при этом движется по винтовой конической спирали (рисунок 4.23). Во II зоне происходит дальнейшее снижение давления на 80 %. Модуль скорости при этом увеличивается, что объясняется переходом вращатель-но-поступательного движения в поступательное, форма канала при этом не изменяется, т.е. отсутствуют дополнительные сопротивления как в случае формующего узла цилиндрической формы.

6 12 18 24 30 36 им 42 45

Рисунок 4.23. - Изменения скорости и давления по длине канала матрицы формующего узла: цилиндрической (а) и кольцевой (б) формы

а б

Рисунок 4.24. - Визуальные изменения скорости (1) и давления (2) по длине канала матрицы формующего узла цилиндрической (а) и кольцевой (б) формы

После завершения расчетов программа сохраняла полученные данные в отдельный файл, который с помощью пакета Excel позволял наглядно анализировать отчет. Для этого строился график изменения модуля скорости и давления от длины канала в каждой из матриц. Также в программном комплексе FlowVision в постпроцессоре создавался слой, позволяющий увидеть изменение рассчитываемых параметров в цветовой палитре по длине формующего канала (рисунок 4.24).

В каждом из файлов в зависимости от рассматриваемого параметра строка < f > означала усредненное по площади значение скалярной искомой

переменной f, определённой как f =1 [ fdS, где S - величина площади поверх-

SJ

ности, по которой проводится вычисление.

Проверка адекватности математических моделей. На основании полученных данных была сконструирована формующая головка экструдера и проведена серия экспериментов, позволяющая выявить расхождение полученных при математическом моделировании результатов по сравнению с экспериментальными исследованиями.

Сравнивая полученные данные, можно сделать вывод, что значения скорости в канале сложной формы отличаются от математически полученных на величину погрешности 10.13 % в зависимости от вида матрицы, а значения давления соответственно - 18.25 %, что обусловлено сложностью измерения данного показателя по всей длине канала матрицы экструдера. Данные результаты можно считать оптимальными к данному процессу моделирования.

Глава 5 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ РАСТИТЕЛЬНЫХ МАСЕЛ

5.1 Экспериментальная установка и методика проведения эксперимента

На экспериментальной установке, созданной на базе одношнекового масло-пресса (рисунок 5.1) были проведены исследования процесса прессования масличного сырья для получения растительных масел.

Рисунок 5.1. - Экспериментальная установка МПЭ-1: 1 - источник электропитания; 2 - щит управления; 3 - загрузочный бункер; 4 - орган регулировки зазора; 5 - зеерная камера; 6 - станина; 7 - сборник масла; 8 -электропривод

Экспериментальная установка состоит из источника электропитания (380 В), станины; электродвигателя; пульта управления; ременной передачи; подшипникового узла; загрузочной воронки; рабочей камеры; стягивающей шайбой; зеерной камеры; сборника масла. Технические характеристики маслопресса МПЭ-1 представлены в таблице 5.1

Т а б л и ц а 5.1 - Технические характеристики маслопресса МПЭ-1

Производительность, кг/ч 10-15

Масса, кг 140

Частота вращения шнека, с-1 1-16

Габаритные размеры, мм

длина 720

ширина 420

высота 950

Привод шнека от асинхронного двигателя АИР 112 М4

мощность, кВт 5,5

синхронная скорость, об/мин 1500

скорость вращения, об/мин 1430

КПД, % 85,5

коэффициент мощности, cos ф 0,86

ток статора, А 11,3

Зеерная камера (рисунок 5.2) представляет собой сборную конструкцию, в состав которой входят: зеерные пластины 1, сборник масла 2, прижимной диск 3, регулировочный болт 4, корпус для пластин 5, стягивающая шайба 6 [107].

В конструкцию рамы маслопрес-са МПЭ-1 входят уголки, которые соединенны между собой с помощью электросварки. Подшипниковый узел

находится на пластине рамы масслопресса [148].

В нижней части рамы с помощью петель подвижно закреплена прямоугольная пластина, на которой установлен электродвигатель. Регулировка угла наклона прямоугольной пластины осуществляется с помощью натяжного винта, который позволяет контролировать силу натяжения ремня.

Конструкция шнека представлена набором отдельных сегментных витков [119], установленных на валу и закрепленных с помощью гайки и винта (рисунок 5.3).

Рисунок 5.3. - Шнек

С другого конца вала (противоположного винту с гайкой) установлены шариковые радиальные однорядные с защитными шайбами подшипники, выполняющие роль опоры вала, находящегося в подшипниковом узле маслопресса. Вращение шнека осуществляется с помощью электродвигателя за счет шкивов (ведущего и ведомого) и двух клиновых ремней.

Зеерная камера представлена корпусом (рисунок 5.4) с установленным в него набором зеерных пластин. Пластины плотно прилегают друг к другу, а зазор, образующийся между ними, обеспечивается фаской, снятой с их поверхности. Диапазон величины зазора можно изменять с помощью клиновидной пластины, которая поднимается и опускается с помощью болтов, установленных в поперечине корпуса. В нижней части зеерной камеры имеется сборник для сбора масла, выходящего из нее.

Рисунок 5.4. - Корпус зеерной камеры с пластинами

Механизм для регулировки толщины ракушки (жмыха) состоит из стягивающей (представлена в виде цилиндра с резьбовой навивкой) и резьбовой навивки на внешней и внутренней стороне рабочей камеры маслопресса и предназначен для регулирования толщины выходящей из маслопресса ракушки (жмыха). Изменение толщины ракушки происходит за счет вращеня стягивающей. Если вращение происходит по часовой стрелке, то наблюдается постепенное увеличение зазора, если против, то уменьшение.

Чтобы исключить упор между корпусом и шнеком, предусмотрена гайка [238], установленная при минимальном зазоре (минимальной толщине жмыха).

Для контроля и выставления необходимой величины зазора (толщины ракушки) на наружной поверхности корпуса рамы имеется указатель и проградуи-рованная шкала. Электрооборудование, которым укомплектован маслопресс МПЭ-1, позволяет: осуществлять пуск, реверсивное вращение и остановку электромотора; обеспечивать защиту от перегрева и защиту от коротких замыканий электромотора, а также всей цепи управления; контролировать силу электрического тока статора электромотора; визуально получать звуковые и световые сигналы во время перегрузки оборудования.

Рисунок 5.5. -Щит управления маслопрессом МПЭ-

Управление и контроль основного электрооборудования маслопресса осуществляется с пульта управления (щита управления) (рисунок 5.5), который представлен прямоугольным металлическим ящиком, внутри которого находится реле тока, плата соединительная. На передней панели расположены кнопки «Пуск-Стоп», ручка «Реверс» (для изменения направления вращения шнека), сигнальная лампочка «Перегрузка», сигнальная лампочка «Сеть», а также имеются датчики, показы-

вающие время от начала процесса отжима масла «Таймер», датчик «Частота вращения шнека», «Температура» (показывает температуру в зеерной камере масло-пресса), «Мощность электромотора». На боковой стенке корпуса пульта управления имеется болт заземления, предназначенный для безопасной работы персонала, обслуживающего оборудование. Напряжение 380В, 50 Гц подается посредством автоматического выключателя. При нажатии кнопки «Пуск» включается магнитный пускатель, и за счет замыкающих контактов включает электромотор к питающей сети; нормально замкнутый контакт разрывает цепь контактора, исключая возможность одновременного включения двух контакторов. Технология извлечения масла шнековым оборудованием состоит в следующем. Шнек транспортирует масличное сырье внутри зеерного цилиндра, собранного из зеерных пластин с малыми величинами зазора между ними. Геометрия канала, образованного набором сегментов шнековых витков, снижает их свободный объем по ходу движения сырья от загрузочной воронки до выходной щели маслопресса и тем самым подвергает сырье сжатию. Сжатие масличного сырья влечет за собой

повышение давления, при котором масло извлекается из мезги. Извлеченное растительное масло выходит из зоны прессования через щели между зеерными пластинами, а отжатый материал - через кольцевой зазор на выходе зеерного цилиндра. Для использования всей мощности маслопресса как по производительности, так и по величине извлечения масла без ухудшения качества масла и жмыха необходимо постоянно осуществлять непрерывность и равномерность подачи масличного сырья в загрузочную воронку маслопресса. Нормальной считается такая работа маслопресса, при которой наибольшее количество масла отжимается при оптимальных параметрах работы устройства (температура, частота вращения шнека, величина зазора между зеерными пластинами и на выходе жмыха) [26, 30, 47, 55, 228, 317, 318]. Масло, которое вытекает из зеерной камеры, попадает в маслосборник, а далее направляется на следующую стадию переработки. Мезга, отжатая от масла, выходит из зеерной камеры в виде плотно спрессованной массы (ракушки), оптимальная толщина которой, а следовательно, и степень сжатия мезги в камере, устанавливается при помощи механизма регулировки толщины ракушки (жмыха) [119, 145]. Методика инженерного расчета маслопресса представлена в приложении Г.

Данная конструкция была выбрана на основании предварительных теоретических расчетов, по которым должно обеспечиваться оптимальное соотношение «производительность - остаток масла в сырье после прессования».

5.2 Исследование смесей растительных масел, полученных

методом прессования

Изучение влияния шнекового прессования семян масличных культур (льна, рапса, рыжика, сафлора) на процесс отжима масла и качество готового продукта, позволяет глубже понять и оценить физические характеристики данного процесса.

В ходе экспериментальных исследований были определены:

- насыпной вес масличных культур;

- масличность культур, а также их влажность;

- производительность маслопресса по полученному жмыху;

- масличность, объемный вес, а также влажность жмыха;

- количество масла, вырабатываемое в каждой определенной точке зеерной камеры маслопресса. Для отбора масла был из-