автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ОЧИСТКИ СОЕВОГО МАСЛА И ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ФИЛЬТРУЮЩЕЙ ЦЕНТРИФУГИ



На правах рукописи

Харченко Галина Михайловна

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ОЧИСТКИ СОЕВОГО МАСЛА И ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ФИЛЬТРУЮЩЕЙ ЦЕНТРИФУГИ

Специальность 05.20.0] — технологии и средства механизации сельского

хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Барнаул — 2005

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Дальневосточный государственный аграрный университет»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Жир нов Александр Борисович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Земсков Виктор Иванович

кандидат технических наук, Гришенко Михаил Петрович

Веду шее предприятие:

ОАОАмурсоя г.Благовещенск

Зашита диссертации состоится «15» декабря 2005 г., в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 220.002.04 при ФГОУ ВПО «Алтайский государственный аграрный университет» по адресу: б56044, г. Барнаул, проспект Красноармейский, 98.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Алтайского государственного аграрного университета.

Отзыв на автореферат диссертации, заверенный гербовой печатью, просим направлять по адресу: 656049, г.Барнаул, проспект Красноармейский, 98, отдел аспирантуры.

Автореферат разослан 12 ноября 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

А,К, Бец

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Соя - одна из старейших сельскохозяйственных культур а мировом земледелии, играет важную роль в решении проблем дефицита белка в питании людей и животных. Семьдесят процентов всей выращиваемой сои в России приходится на дальневосточный регион.

Соевое масло является ценнейшим высокобелковым продуктом с большим содержанием питательных веществ, витаминов, минеральных солей, незаменимых аминокислот.

. Основной проблемой питания в мире является недостаток белка. В России это одна из острейших проблем, С 1993 года в нашей стране снизилось потребление мяса, рыбы, овощей, фруктов, молока - основных источников белка, витаминов, микроэлементов, незаменимых кислот.

Для дальневосточного региона задача полного использования местных нетрадиционных ресурсов приобретает особое значение, так как климатические условия определяют повышенную потребность в биологически активных веществах, которыми богаты соевые бобы.

В последние годы дефицит пищевых белков в России усугубляется общим снижением платежеспособного спроса населения.

Однако фермерские хозяйства Амурской области, имея избыток соевого зерна, на сегодняшний день испытывают недостаток специального малогабаритного оборудования для производства и очистки соевого масла.

Все это требует поиска прогрессивных, экономически целесообразных малоэнерго- и маломатериалоемких способов очистки соевого масла в фермерских хозяйствах и малых предприятиях.

Поэтому совершенствование технологии очистки соевого масла, а также создание технических средств, обеспечивающих тонкую очистку соевого масла в фермерских хозяйствах и малых предприятиях, является актуальной задачей. Это позволит значительно снизить затраты на его очистку.

Актуальность выбранного направления подтверждается соответствием данной темы разделу Федеральной программы по научному обеспечению АПК России: «Научное обеспечение агропромышленного комплекса на 2001 - 2СЮ5 годы». Работа выполнялась по плану НИР Дальневосточного государственного аграрного университета в период с 1996 г. по 2005 г.

Цель исследования. Повышение эффективности технологического процесса очистки соевого масла путем изыскания оптимальных режимов фильтрующей центрифуги и обоснование ее параметров.

Задачи исследования

1. Обосновать необходимость совершенствования технологического процесса тонкой очистки соевого масла.

2. Разработать более совершенную технологическую схему очистки соевого масла и обосновать основные параметры фильтрующей центрифуги.

3. Провести экспериментальную проверку теоретических исследований и обосновать конструктивно-технологические параметры фильтрующей центрифуги.

4. Дать технико-экономическую оценку эффективности технологического процесса очистки соевого масла.

1 Г; • :

Научная гипотеза состоит в том, чтобы полностью удалить из соевого масла механические и другие нежировые примеси по новой безотходной технологии очистки в одном техническом средстве - вертикальной конической фильтрующей центрифуге.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования является технологический процесс тонкой очистки соевого масла.

Предмет исследования - закономерности тонкой очистки соевого масла с помощью вертикальной конической фильтрующей центрифуги в зависимости от конструктивно- технологических параметров.

Методы и с следован и П. В диссертации использованы аналитические и экспериментальные методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы теоретической и технической механики, методы решения дифференциальных уравнений. При экспериментальном исследовании применялись методы плакирования эксперимента, факторного корреляционно-регрессионного анализа, а при обработке результатов исследований — методы математической статистики, использовались программы Math CAD, Microsoft Excel 2003, Statistika 5,5.

Достоверность результатов. Достоверность проведенных исследований обеспечивается сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований. Для сравнения использовался критерий сходимости Фишера.

Научная новизна. На основе анализа существующих способов очистки соевого масла и конструктивно-технологических схем выявлено перспективное направление в создании новой фильтрующей центрифуги для тонкой очистки соевого масла.

Впервые получены экспериментальные зависимости оценочных показателей фильтрующей центрифуги от ее конструктивно-технологических параметров в виде математических моделей процесса очистки соевого масла.

Предложена формула по определению выхода соевого масла в процессе тонкой очистки соевого масла с помощью вертикальной конической фильтрующей центрифуги.

Разработаны технические условия на соевое масло ТУ 9141 -001 -00493238-05.

Научно-техническая новизна экспериментальной фильтрующей центрифуги для тонкой очистки соевого масла подтверждена патентом Российской Федерации №2108169 от 10 апреля 1998 года.

Практическая значимость работы. Предложенные в диссертации теоретические предпосылки и экспериментальные исследования процесса тонкой очистки соевого масла положены в основу создания экспериментального образца вертикальной конической фильтрующей центрифуги, которая позволяет полностью удалить механические и другие нежировые примеси соевого масла.

Результаты исследований могут быть использованы конструкторскими организациями при выборе технологических и конструктивных параметров при проектировании фильтрующих центрифуг для тонкой очистки соевого масла.

Внедрение результатов работы. На основе результатов исследований создана фильтрующая центрифуга. Экспериментальный образец фильтрующей центрифуги испытан в лаборатории ДальГАУ и сдан в эксплуатацию в кресть-янско-фермерское хозяйство Садигова Э.Ф, Амурской области.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава Дальневосточного государственного аграрного университета^. Благовещенск 1996-1998 гг. 2002 - 2005 гг.) и Амурского государственного университета (2005 г.), на расширенном заседании кафедр «Механизация АПК» и «Механизация и лесоэксплуатация» ДальГАУ в 2005 г.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в сборниках научных трудов ДальГАУ, АмГУ и Всесоюзного научно- исследовательского института сои. По результатам выполненной работы опубликовано 6 печатных работ, в том числе один патент на изобретение.

Структура ■■ объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения и пяти глав: состояния вопроса и задач исследований, теоретического исследования процесса очистки соевого масла в фильтрующей центрифуге, методики экспериментальных исследований, результатов экспериментальных исследований, технико-экономической оценки результатов исследований, заключения, списка использованной литературы и приложений. Обший объем работы изложен на 175 страницах компьютерного текста, включая 3 приложения, 48 рисунков, 23 таблицы. Список использованной литературы состоит из 160 источников, втом числе (8 на иностранных языках.

Содержание работы Во введении изложена актуальность работы, ее цель, показаны объект и предмет исследований, раскрыта научная новизна и практическая ценность результатов работы.

В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследований» изложены общие сведения о семенах сои н соевом масле, дана их органолептическая и физико-химическая характеристика, а также характеристика процесса очистки соевого масла.

Обзор научных исследований технологических схем и рабочего процесса машин для разделения дисперсных систем, выполненных H.H. Липатовым, В.Д.Луневым, Н.М. Личко, А. Г.Касагкиным, Г.Д. Кавецким, В.А Жужико-вым , Ю.И. Дытнерским, Е.П. Кошевым, С,И. Копейковским , H.H. Малаховым и др., показал, что этими авторами процесс разделения дисперсных систем изучен неполно. Патентный поиск за последние 10 лет показал, что процесс тонкой очистки соевого масла от механических примесей многостадийный и сложный, требует больших затрат и специальных исследований. В настоящее время нет технического средства для тонкой очистки сырого соевого масла, а на существующих центрифугах невозможно осуществить тонкую очистку масла от механических и других нежировых примесей.

Для реализации выдвинутой гипотезы, в соответствии с поставленной целью, были определены задачи исследований.

Во второй главе «Теоретические исследования процесса тонкой очистки соевого масла на фильтрующей центрифуге» выведены дифференциальные уравнения движения механических примесей соевого масла по конической поверхности фильтрующей центрифуги, а также уравнения движения неочищенного соевого масла через фильтрующий элемент центрифуги, цеолит. Процесс очистки соевого масла от механических примесей в фильтрующей центрифу-

ге описывается теорией относительного движения вязкой жидкости, а также теорией относительного движения материальной частицы в сопротивляющейся среде.

В качестве математической модели исследуемого процесса рассмотрено относительное движение механических примесей по конической поверхности, вращающейся вокруг неподвижной оси симметрии с постоянной угловой скоростью (рис.1).

Рассмотрим относительное движение материальной частицы М по конической поверхности фильтруюшей центрифуги, вращающейся вокруг неподвижной оси симметрии О: с постоянной угловой скоростью о>. На механические примеси соевого масла действуют сила тяжести

С = тя, (1>

где т - масса частицы; g - вектор ускорения свободного падения,

g=9,8l^l'c'\ .V - нормальная реакция; р - сила сопротивления движению.

В соответствии с общей теорией относительного движения необходимо ко всем действующим силам добавить переносную Ф,кр и кориолисову Фа>р силы инерции. Дифференциальные уравнения относительного движения соевого масла составляем на основе закона

л

= X +■ + Г«Ч> • (2>

где а - относительное ускорение частицы;

п

£ Гк - сумма всех действующих на частицу сил,

*=|

В нашем случае

н

^Рк = С+.\' + Р.

Движение механических примесей по конической поверхности будет описываться следующими дифференциальными уравнениями в проекциях

на оси локальной системы координат ЛЬ-в<р:

тг +тг(ф + 5т18й + Р„ (3)

тг 51п6а ф= -2тг(ф+ы )$тв0 + Рг. (4)

N = т%!Ип6„ + тг(ф +со )' 5/п6„Соз$0, (5)

Сила сопротивления движению Р может иметь составляющую трения /7, пропорциональную нормальной реакции Л' (коэффициент пропорциональности коэффициент трения, зависит от формы частицы и условий ее контакта с конической поверхностью) и направленную в сторону, противоположную относительной скорости частицы, а также доставляющую вязкого сопротивления Р? , направленную также противоположно относительной скорости частицы и пропорциональную квадрату этой скорости (коэффициент пропорциональности ¡л - коэффициент сопротивления среды, зависит от формы частицы, вязкости среды).

Таким образом, Р = Р{ - Р?. при У #0:

F * F rvSin9»

^r1 + Sin% " + г' ф" Sw'd„ (6)

f7:, = -p r, гф5тва.

Уравнения (3), (4), с учетом (5), (6), представляют собой дифференциальные уравнения движения соевого масла ло конической поверхности фильтрующей центрифуги. Это два дифференциальных уравнения второго порядка относительно неизвестных функций г ft), <p(t) , определяющих положение соевого масла на конической поверхности в каждый момент времени I. Начальные условия вида r(ttd~r». (pit,,) = <р», (■(<„) = г„. ф{1„) = Ф„ определяют соответствующее единственное решение, если при этом нормальная реакция неотрицательна, .V > О , и относительная скорость не обращается в ноль, V ^ О.

d>

Рис. 1, Расположение зон движения механических и других нежировых примесей соевого масла по конусу центрифуги

Механические и другие нежировые примеси соевого масла будут находиться в состоянии относительного покоя некоторый промежуток времени (выпадают в осадок), если в это время выполняются условия:

У=0, 1^1 </Л'. (7)

Последнее неравенство, с учетом (3 П^), лает условие: -/(т^З'т0ц+тгсо~ 5'твнСо$0и) <-п^Со$вн+ тгю~ 5ш" вц < ^{^Зм^+тгаГ 51п$<>Со$@„). или систему двух неравенств

ц(Со5&0-/5твц)<гаГ 5МЙ, ($мва -/СолйУ. (8)

гох (Бшв.г/Саб,,! < ¿(Соав,, + (9)

Анализ неравенства (8) показывает, что при Сщво<(скольжение частицы вниз из состояния относительного покоя невозможно ни при каких значениях г, о. Если >/ то состояние относительного покоя возможно только на некотором удалении частицы от оси вращения, а именно при условии

(Ю)

ег I + уГ1£в„

Аначиз неравенства (9) показывает, что при fCtgвl,>} скольжение механических примесей вверх из состояния относительного покоя невозможно ни при каких значениях г, су. Если /Ctg&ll< /, то состояние относительного покоя механических примесей соевого масла возможно только в некоторой окрестности оси вращения, а именно при условии

<■) l — jCtgff„

Таким образом, в общем случае коническая поверхность может иметь три зоны (рис.1). В зоне I первоначально покояшаяся частииа (относительно вращающегося конуса) может только скользить вниз по направлению к вершине конуса. В зоне 2 состояние относительного покоя сохраняется неограниченно долго. В зоне 3 первоначально покоящаяся частица может только скользить вверх по направлению от вершины конуса. Наличие и размеры этих зон зависят от геометрических и динамических (су,/) параметров конической поверхности.

В частности зона 1 может вырождаться в точку, зона 3 отсутствовать, а зона 2 заполнять всю коническую поверхность.

Практически зона 3 является зоной подъема механических примесей соевого масла к краю свободной поверхности соевого масла.

При установившемся движении в области фильтрования между обечайками скорости механических примесей соевого масла не имеют составляющей по нормали к конической поверхности и являются функциями только координаты J-, то есть

к = w- к,=». yf^yjr).

Тогда из условия несжимаемости (последнее уравнение системы (5) вытекает

r2VeSine,) = const,

или

(12)

г'

где С - некоторая константа; 0<r„ <r<ri; г„, г, - значения координаты г,

определяемые размерами зон перфорации на внутренней и внешней

обечайках.

Из выражения (12) следует, что в зоне фильтрования скорость жидкости в радиальном направлении Vt уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния до вершины конуса. При этом не исчезает составляющая вследствие наличия кориолисовых сил инерции в относительном движении.

Рассмотрим движение элементарного объема соевого масла Ли - усеченного конического элемента опоясывающего кольца высотой Л:=ЛrCosdo, толщиной / ( / - расстояние между обечайками), соответствующего дуге длиной Аф-гЗтво, и массой Лт=р-Ли =p-i-rSin0„-Cosви-Аг-Л</>, поднимающегося вверх со скоростью I' через фильтрующий слой между обечайками.

В плоскости осевого сечения конуса (рис, 2) на него действуют объемные силы - сила тяжести G=¿img и переносная сила инерции F'^p с проекцией (F"tp )t =Амш 2rSinв„, поверхностные силы — нормальные реакции обечаек .V/, Ы:> силы давления соседних слоев жидкости P(t Pj, а также обобщенная сила сопротивления F = -а-У, включаюшая в себя силы вязкого сопротивле-

ния и силы сопротивления фильтрующего материала (а - обобщенный коэффициентов проти влей ия).

Рис. 2. Схема движения элементарного объема соевого масла усеченного конического элемента

Уравнения фильтрования соевого масла запишутся в виде:

Лтг--Ат%Со$6а + Лт(ы + ф)! гБт;ва + ( Р, - Р, )Созв„ - а Г .

Лтг5/«в„ф=-2Лтг(Ф+<»)5т0„ -аС,. (13)

Для получения максимального выхода очищенного соевого масла необходимо выполнять следующие условия:

- процесс фильтрации является непрерывным и установившимся, при этом жидкость заполняет все пространство между обечайками;

— зона перфораций на внешней обечайке представляет собой коническое кольцо, соответствующее условиям в = в„, г„<г £г,;

— отверстия распределены равномерно по зоне перфорации и отношение их общей площади к площади зоны перфорации характеризуется коэффициентом к;

- процесс фильтрации подчиняется линейному закону Дарси с коэффициентом фильтрации Л, У=ЛЛР (V — скорость фильтрации на данном участке фильтрующего слоя, АР - пьезометрический перепад давлений).

Считая, что давление на внешней обечайке совпадает с давлением на внутренней обечайке, определим выход соевого масла как интеграл по всей области перфорации:

IV = ]*/>1У5 = ]крАЛР2я г$т 0=

= { */> ' Я ^ - (Сох 0, ) + ~г!ы 'Бт •'6„)2я гЯп в „¿г =

- 2л кр:?.$т ¿-Т*> 'в'> =

= 2ж кр'Шп в.( ~ г-' - ~ Г" Сох в,)* ■».)■

На рисунке 3 приведены графики зависимости функции массового выхода IV очищенного соевого масла от числа оборотов п=2х<я ¿60 (с"1) центрифуги, размера <1 (м) фильтрующего элемента, высоты А (м) фильтрующего слоя в исследуем ых диапазонах значений соответствующих переменных.

a) W,ÍX/mmh

im 1(2 ITS 194 1: d-0,01 m; h-0,1 w 2; d-0,01 м; h-0,2 м; 3: d-0,01 m; h-0,3 м.

», W, кг/мин 6) 3,0 т.....

1/c

146 i« i7i m 1: d-0,006 m; h"0,l м; 2; d-О.ООбм; h«0.2 ьс 3: d-ô.006 м; h-0,3 м.

в) WjKr/мин Oi&T

0,3

од -

-+-

■Л,-"

W, уу/ мин

' 10

-+-

146 162 ITS IM 1: d-0,002 н' h-0,1 мг 2: d-0,002 ы; h-0,2 M; 3: d"0,002 H-h-0,3 M.

_|П, I/o

209

1 *

oora 0004 о сое

1: n-2Û9 1/c

2; n—2D9 1 /<=

3: п-гоэ 1/c

OCOS 001 ; h-0,1 m; ; hrû,2 M; ; h-0,3 m.

д) w, кг/мин й

1,5"

0.003

oot

0002 0004 DOOS 1: n-llfi 1/e

2: n-178 1/C ;h-Ù,ÎH-

3:n-178 Uc i h-0,3 M.

d,M

3 Î--Î-"

W, кг/мин

С .002 О ОСИ 0.006 1: n-146 1/c 2: n-146 1/c 3: n-14 6 1/e

000S 001 h-0,1 m; h-0,2 m; h-0,3 M,

ж! IV, кг/мин ' дч-

ОI 011 1: п-209 1/с 2; гг 178 1/с 3: п-146 1/с

огз оз ¿-0,01 м; ¿-0.01 м; ¿-0,01 м.

К »

и)

IV, кг/мин

0,4 т.........'.....-■-

0.1 013 0.2 О Л 03

1:п-209 1/с ;а-0,002 м;

2:п-179 1/с ; <1-0,002 ке

З:п-Иб 1/с ;<1"0,002м.

Н м

,1 У/.кг/миа

' ------

Ь, м

01 015 02 1: п-209 1/с 2: п- 17В 1/с 3: п-14 6 1/«

023 03

; а-0,006 м; ; <1»о,ооб м; ; а-0,006 м.

Рис. 3, Графики зависимости функции массового выхода IV очищенного соевого масла от числа оборотов п центрифуги, размера <1 фильтрующего элемента, высоты А фильтрующего слоя

Анализ данных зависимостей показывает, что выход соевого масла существенно увеличивается с ростом числа оборотов центрифуги п (рис.3 а - в), с увеличением размеров частиц фильтрующего элемента (1 (рис. 3 г - е), и уменьшается с ростом толщины фильтрующего слоя Л (рис. Зж-и).

Исследовано движение неочищенного соевого масла в конической центрифуге. Установлено, что при установившемся движении форма свободной поверхности представляет собой параболоид вращения. Определено критическое значение угловой скорости, при котором начинается срыв частиц жидкости на краю свободной поверхности. Построена математическая модель центробежного фильтрования соевого масла, включающая в себя известный линейный закон фильтрования Дарси. Получена формула для расчета выхода соевого масла при центробежном фильтровании в центрифуге Установлено, что выход соевого масла прямо пропорционален ширине кольцевой зоны перфорации внешней обечайки, квадрату угловой скорости, коэффициенту фильтрования.

В третьей главе ((Программа, методика исследований и обработка экспериментальных данных» изложены программа и объект экспериментального ис-

Ойдрьамия, предложена новая безотходная конструктивно-технологическая схема тонкой очистки соевого масла, методика проведения экспериментальных исследований, описана экспериментальная установка, методика обработки данных, полученных по результатам экспериментальных исследований.

Была разработана и изготовлена экспериментальная фильтрующая центрифуга, которая была использована для проведения предварительных и многофакторного экспериментов (рис.5).

Технический результат изобретения заключается в улучшении качества тонкой очистки соевого .масла. Этот результат достигается тем, что в предложенной центрифуге для очистки масла, включающей установленный на валу ротор, состоящий из двух вертикально и ко н центр и ч но расположенных обечаек, имеющих перфорацию, образующих между собой кольцевую полость, заполненную фильтрующим веществом, цеолитом, и сборники очищенной жидкости, обечайки выполнены конусообразными. Внутренняя обечайка 5 имеет перфорацию в нижней ее части, а наружная обечайка б -в верхней части, причем перфорация выполнена до середины обечаек. Верхняя часть внутренней обечайки и нижняя часть наружной обечайки выполнены сплошными. Соевое масло подается в полость ротора 4. Ротор приводится во вращение от привода 8. Соевое масло через перфорацию внутренней обечайки в нижней части поступает в кольцевую полость и распределяется в слое цеолита и движется вверх к перфорации верхней части наружной обечайки 6.

Фильтрующее вещество, неолит, имея зернисто-пористую структуру, способен задерживать тонкие механические и другие нежировые примеси. Это явление объясняется тем, что при центробежном фильтровании соевого масла свободное сечение капиллярных каналов внутри пористой среды уменьшается за счет адсорбции коллоидных частиц и осаждения механических, белковых примесей, фосфолипидов, красящих веществ за счет сил меж молекулярного сцепления на стенках этих каналов. Очищенное соевое масло отводится в его сборники.

Коническая форма ротора с углом наклона образующих 22° позволяет создагть достаточной длины траекторию движения очншаемой жидкости , при которой обеспечивалось бы необходимое качество очистки. Конструкция ротора обеспечивает эффективную тонкую очистку соевого масла и возможность проведения очистки в фильтрующем режиме.

В момент подачи масла сверху в фильтрующую центрифугу включался секундомер и фиксировалось время очистки соевого масла.

Очистку соевого масла проводили при максимальных, средних и минимальных значениях числа оборотов ротора центрифуги, толщины слоя фильтрующего вещества и размера частиц фильтрующего вещества.

Размер частиц фильтрующего вещества, цеолита, определяли с помощью ситового анализа набором сит.

1 — корпус центрифуги ; 2 — сборник очищенного масла ; 3 - вал; 4 - перфорированный ротор; 5— внутренняя обечайка; б - наружная обечайка; 7 - фильтрующий материал (цеолит); 8 - электродвигатель

Толщину фильтрующего вещества, находящегося в обечайках ротора центрифуги, определяли с помощью линейки.

Очищенное соевое масло взвешивали на весах ВЛТЭ —500 с погрешностью измерения 0,1 г для определения содержания механических и других нежировых примесей , а также кислотного числа соевого масла.

При проведении эксперимента определяли выход соевого масла, кислотное число соевого масла, содержание механических и других нежировых примесей по известным методикам.

Частота вращения ротора центрифуги определялась при помощи тахометра ТЧ-10-Р с погрешностью измерения 1 с"1. Вариацию частоты вращения ротора центрифуги осуществляли за счет трехкратной замены шкивов на приводе электродвигателя центрифуги,

В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований и их анализ» изложены результаты исследования наиболее значимых факторов, влияюших на процесс тонкой очистки соевого масла и получены математические модели, описывающие данный процесс.

При проведении экспериментальных исследований было применено ортогональное планирование второго порядка. Это позволило аппроксимировать изучаемую поверхность отклика полиномом второй степени.

Значимость коэффициентов регрессии рассчитывалась по критерию Стъюдента путем нахождения доверительного интервала для того или иного коэффициента регрессии. Гипотеза адекватности модели второго порядка проверялась с помощью F-критерия Фишера.

Результаты измерений обрабатывались методами вариационной статистики и теории вероятностей с использованием электронных таблиц Microsoft Excel 2003 из пакетов Microsoft Ofifise 2003.

Проведено обоснование оптимальных конструктивно-технологических параметров фильтрующей конической центрифуги.

После реализации плана многофакторного эксперимента и статистической обработки опытных данных, получена модель процесса тонкой очистки соевого маета на фильтрующей центрифуге. Для определения оптимальных конструктив но-технологи чески х параметров фильтрующей центрифуги путем содержательного анализа был выделен ряд факторов, влияющих на критерии оптимизации: п - х, - частота вращения ротора, сЬ - х: - толщина фильтрующего вещества центрифуги, мм; <1 - х3 - размер частиц фильтрующего материала, мм.

Дня оценки изучаемого объекта были выбраны три критерия: У| — массовая доля механических и других нежировых примесей ( %); У; - кислотное число(мг КОН/г>; У1- выход соевого масла(кг/с).

Для каждого опыта матрицы планирования были определены качественные показатели и выход соевого масла. Для обоснования оценки влияния факторов б ыд и рассчитаны регрессионные уравнения второго порядка.

После отсеивания статистически незначимых коэффициентов методом шаговой регрессии получили в кодированной форме следующие уравнения регрессии. Для определения массовой доли механических примесей :

У, = 0,1- 0,01х,- 0,01х2 +■ 0,0275х,-0,015X1X2 - 0,05 5X;2 . (14)

Для определения кислотного числа соевого масла:

У-> = 0,448 + 0,1468х-1+ 0,2329х,+ 0,1296 х,х-.+ 0,1762 Х1Х3+

+ 0,1774 Х2Х3+ 0.423Х,1. (15)

Для определения выхода соевого масла:

Уз = 2,075 + 0,5817х|~0,4542х;+ 0,32 69 х3 + 0,2225 х,х2 - 0,125 х(х3+

+ 0,0942 хгх3 - Г,0583х33. (16)

Проверка нулевой гипотезы <т „,) = о Н„: моделей (14), (15), (16) осуществлялась с помощью расчетного значения критерия Фишера :

_ п2 л*-*

где /? - коэффициент множественной корреляции; к - число коэффициента в модели; ,У — число опытов;

Расчетное значение критерия Фишера сравнивали с табличным значением при выбранной доверительной вероятности (/V) для проверки значимости различия между дисперсией адекватности и дисперсией воспроизводимости. Принимали гипотезу о значимости коэффициентов модели, если

Анализ коэффициентов уравнений показал закономерности, отражающие влияние факторов на качество очистки и выход соевого масла. Чем больше размер частиц цеолита в фильтрующем материале (х3), тем больше выход соевого масла (Уз), но в нем больше механических примесей (У|> и его кислотное число (У;). Увеличение толщины слоя фильтрующего материала (Х2) увеличивает кислотное число соевого масла (У;) при уменьшении общего выхода соевого масла (Уз) и снижения содержания механических примесей (УО- Чем

больше число оборотов ротора (х|), тем больше выход соевого масла (УО и меньше содержание механических и других нежировых примесей (У().

Поверхности отклика математической модели процесса тонкой очистки соевого масла исследованы с помошью двумерных сечений, в результате чего изучены свойства и получены оптимальные интервалы значений конструктивных и технологических параметров.

При анализе влияния факторов в процессе тонкой очистки соевого масла на фильтрующей центрифуге большую наглядность дают поверхности откликов У( , Ут и Уз (рис. 6 — 14). Так как полученные уравнения все трехфак-торные, поэтому от исходных уравнений регрессии переходили к уравнениям с двумя факторами, оставляя один из факторов на постоянном уровне.

Рассмотрим совместное влияние толщины фильтрующего слоя и размера частиц при фиксированной частоте вращения ротора Х|=0,55(195 с'1). Для определения массовой доли механических примесей:

У|(х, = 0,55) = 0,0945 - 0.01 х; + 0,022х} - 0,055х/. (17)

Для определения кислотного числа соевого масла:

У2 (х, = 0,55) = 0,576 + 0,218х;>+ 0,233х3 + 0,177х2х3. (18)

Для определения выхода соевого масла:

У3(х, = 0,55) = 2,395 - 0,332х;+ 0.647х3+ 0,094 х2х3 - 1,058х:". (19) Существенную нелинейность дает толщина фильтрующего слоя (х;) в массовой доле механических примесей и выходе соевого масла. Для получения определенного кислотного числа следует учитывать совместное влияние толщины фильтрующего слоя и размера частиц (хгх3). На основании анализа сечений поверхности отклика можно заключить, что при стабилизации факторов Х| = 0,55 (195 с"1):

1) наименьшее число механических примесей (У1= 0,010 %) получим (рис.6) при увеличении толщины слоя фильтрующего материала х2 = 1 (300 мм) и уменьшении размера частиц х3 - -1 (2 мм);

Рис, 6, Сечение поверхности отклика У| на плоскость х; х3 и поверхность отклика У| при х, = 0,55

2) наименьшее кислотное число (У: = 0,206 мг КОН/г) имеем (рис. 7) при минимальных значениях толшины фильтрующего слоя и размере частиц фильтрующего вещества Х2 = Х1=-1 (х;= 100мм, х3=2мм);

3) наибольший выход соевого масла (У}= 2,799 кг/мин) получим (рис.8) при максимальном размере частиц фильтрующего материала х3 = 1(6мм) и Х; = -О,25тто есть при толщине фильтрующего слоя 175 мм.

Рис. 7. Сечение поверхности отклика Уг на плоскость х, х3 и поверхность отклика У, при X] = 0,55

Рис. 8. Сечение поверхности отклика У} на плоскость х; х3 и поверхность отклика У3 при х( = 0,55

Рассмотрим совместное влияние частоты вращения ротора центрифуги и размера частиц фильтрующего материала при фиксированной толщине слоя материала хг = - 0,25 (!75мм).

Для определения массовой доли механических примесей:

У |(хг = - 0,25) = 0,099 ~ 0,01х, + 0,0275х3 - 0,015 х,х3 . (20)

Для определения кислотного числа соевого мама:

У;(х; = - 0,25) = 0,411 - 0,032х,+0,189х5 + О.^бх^^ 0,423х,2 (21) Для определения выхода соевого масла:

Уз(х; = - 0,25) = 2,122 - 0,526x1 +- 0,303х,- 0,125х,х3. (22)

Для улучшения качества очистки соевого масла следует учитывать существенное совместное влияние частоты вращения и размеров частиц (х,х3). Кислотное число соевого масла (У:) в большей степени определяется правильно выбранной частотой вращения ротора центрифуги (Х|). На основании анализа сечений поверхности отклика, можно заключить, что при стабилизации фактора = - 0.25 (175 мм):

I) наименьшее содержание механических примесей (У1=0,067 %) будет (рис.9) при х3=- 1 (2 мм) и при изменении Х| _ [-1; - 0,25], то есть частоте вращения ротора от 147 до 170 с"';

Рис.9. Сечения поверхностей откликов У| на плоскость Х| х3 и поверхность откликов У| при Хг =-0,25

2) наименьший размер частиц фильтрующего материала х3=-I (2мм) является предпочтительным (рис.10) для получения наименьшего кислотного числаУг при частоте вращения ротора в интервале Х| „ [0,1; 0,3], то есть от 181 до 187 с"1;

а.**

* ЫГХ1.К>г4 м ля

Рис. 10. Сечения поверхностей откликов У; на плоскость Х|Х3 и поверхность откликов У; при = - 0,25

3) наиболее возможный выход (У3= 2,83 кг/мин) соевого масла при очистке на фильтрующей центрифуге (рис.11) при значениях Х| = х3 = 1 (Х[= 209 с"1 и .\} = 10 мм );

с -: - .>.,.■ >;■ 1!,

Рис. 11. Сечения поверхностей откликов У3 на плоскость Х|Х}И поверхность откликов У3 при х2 =- 0,25

Совместное влияние толщины фильтрующего слоя и частоты вращения ротора центрифуги при фиксированном значении размера частиц фильтрующего материала х^ = - 0,22 (5,12 мм) нахолим из следующих уравнений: Для определения массовой доли механических примесей:

У](х3 = - 0,22)= 0,094 - 0,007Х| -0,0и, - 0,055хЛ (23)

Для определения кислотного числа соевого масла:

У2(х3 = -0,22) = 0,397 - 0,039х,+ 0,108х: + 0,13х,х,+ 0,423х,2 . (24) Для определения выхода соевого масла:

У,(Х}=-0,22) = 2,003+0,609х(-0,475х>+ 0,223 х,х:- 1,058хЛ (25) При определенном размере частиц фильтрующего материала на содержание механических примесей (У() и выход соевого масла (Уз) существенно влияет в сторону уменьшения значений толщина слоя фильтрующего материала (х;), то есть чем дольше толщина фильтрующего слоя, тем меньше содержание механических примесей в масле и общий выход масла. На кислотное число в большей степени влияет число оборотов ротора центрифуги. На основании анализа сечений поверхности отклика, можно заключить, что при стабилизации фактора Хз = -0,22 (5,12 мм):

1) наименьшее значение механических примесей У(= 0,022 % может быть (рис.12) получено при максимальных значениях числа оборотов ротора центрифуги Х| = 1 (209 с"1) и х2= 1 (300 мм);

Рис, 12. Сечение поверхности отклика У| на плоскость Х|Х2к поверхность отклика У, при х3 =-0,22

2) наименьшее значение кислотного числа У;= 0,272 мг КОН/г может быть получено (рис.13) при минимальной толщине слоя фильтрующего материала Х2=-1 (100 мм) и частоте вращения ротора Х|=0,2 (184 с );

I ■/■Л

\\

1.!

Рис. 13. Сечение поверхности отклика У; на плоскость Х[ х^и поверхность отклика У2 при х} =-0,22 «1=5,12 мм)

1) максимально возможный выход соевого масла (Уз= 2,627 кг/мин) можно получить (рис. 14) при максимальной частоте вращения ротора центрифуги Х| = 1 (209 с"1) и толщине слоя фильтрующего материала х;= - 0,1 (190 мм).

Поверхности отклика математической модели процесса тонкой очистки соевого масла исследованы с помощью двумерных сечений, в результате чего изучены свойства и получены оптимальные интервалы значений конструктивных и технологических параметров.

На рисунке 15 представлены зависимости размера частиц фильтрующего материала, числа оборотов ротора центрифуги и высоты фильтрующего слоя от выхода соевого масла, полученные экспериментальным и теоретическим путем.

W,кг/мин

W(Kr/MMtt

ООО J 0.004 ОООЙ DOCK 00) а) rm 146 1/о ; h-0,3 м.

п, 1/с

146 162 Ш IM б) d-0.00 6 вд h-0,3 Mt

W, кг/мин

0 3

-Л,

-1-1-1-1 '

01 013 02 0.25 0.3

Ь, м

slirUi 1/с ;d-0,006M.

Рис. 15. Сравнение теоретических и экспериментальных графиков функции выхода очищенного соевого масла на вертикальной конической фильтрующей центрифуге: 1 — теоретический, 2 — экспериментальный

Результаты экспериментальных исследований подтверждают теоретические исследования (рис. 15) по обоснованию основных конструктивно — технологических параметров центрифуги и устанавливают взаимосвязь с выходными характеристиками. На основании анализа сечений поверхности отклика и поверхностей отклика (рис,6-14), а также выполненного математического моделирования, можно заключить, что при следующих конструктивно- технологических параметрах вертикальной конической фильтрующей центрифуги для очистки соевого масла: х, = 0,55 (п =195 с"'), х; = -0,25 (h = 175 мм) и Xj = -0,22 (d = 5,12 мм), будет получено соевое масло по физико-химическим показателям (кислотность соевого масла - 0,459 мг КОН/г, массовое содержание механических примесей - 0,089 % ) соответствующее требованиям Государственного стандарта с максимально возможным выходом соевого масла 80%.

В пятой главе «Экономическая эффективность использования фильтрующей центрифуги» экономический эффект от внедрения опытной центрифуги в технологической линии по очистке соевого масла в фермерском хозяйстве «Сади гов Э.» составляет I 259 954 рублей, а срок окупаемости - 1,6 года.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

На основании теоретических и экспериментальных исследований сделаны следующие выводы:

1. Построена математическая модель фильтрования соевого масла, включающая известный закон Дарен. Получена формула для расчета теоретического выхода соевого масла. Установлено, что выход соевого масла лрямо пропорционален ширине кольцевой зоны перфорации внешней обечайки, квадрату угловой скорости и коэффициенту фильтрации.

2. Разработана более совершенная безотходная технологическая схема очистки сырого соевого масла, в одной вертикальной конической фильтрующей центрифуге, нетребуюшая сложного аппаратурного оформления.

3. Впервые разработана и изготовлена вертикальная коническая фильтрующая центрифуга язя тонкой очистки сырого соевого масла н получен патентно 2108169,

4. В результате исследований рабочего процесса фильтрующей центрифуги впервые получены математические модели, устанавливающие взаимосвязь критериев с конструктивно-технологическими параметрами фильтрующей центрифуги. Установлены зависимости выхода соевого масла, содержания механических >1 других нежировых примесей , кислотного числа соевого масла от числа оборотов центрифуги, толщины фильтрующего вещества, цеолита, размеров частиц фильтрующего материала и обоснованы пути интенсификации процесса очистки на центрифуге.

5. Исследования показали, что с увеличением числа оборотов центрифуги от 147 до 209 с*1, толщины фильтрующего слоя от 175 до 300 мм и размера частиц фильтрующего слоя от 4 до б мм повышается интенсивность очистки соевого масла от механических, коллоидных и других нежировых примесей, влияющих на качественные показатели соевого масла.

6. Проведенные исследования позволили установить оптимальные значения конструктивно-режимных параметров разработанной центрифуги, которые имеют следующие значения;

частота вращения ротора - 195 с"';

размер частиц фильтрующего материала-цеолита — 5,12 мм ;

толщина слоя фильтрующего материала -175 мм;

выход соевого масла — 80 %.

7. Результаты теоретических исследований подтверждены экспериментальными данными. Адекватность модели составляет 0,95.

8. Были проведены лабораторные испытания в ДальГАУ и производственные - в фермерском хозяйстве Сади го ва по очистке сырого соевого масла в конической вертикальной фильтрующей центрифуге, результаты которых подтверждают экономическую эффективность. Экономический эффект при тонкой очистке соевого масла в конической вертикальной фильтрующей центрифуге составил I 259 954 рублей в ценах октября 2005 года, а срок окупаемости- 1,6года.

9. Применение конической фильтрующей центрифуги для очистки соевого масла в сравнении с центрифугой ОГШ-321 обеспечит годовую экономию на 322426 рублей.

10. Впервые разработаны технические условия ТУ 9141 - 001 - 00493238 - 2005 на соевое масло с использованием новой технологии очистки.

П. Таким образом, благодаря простоте технологии и аппаратурного оформления тонкой очистки соевого масла, небольшой энерго- и материалоемкости используемого технического средства, обладающего оптимальными показателями надежности (долговечности, безотказности, ремонтопригодности), обеспечивающими высокую работоспособность, а также наиболее совершенному способу выделения мелких взвешенных частиц в центробежном поле, данная вертикальная коническая фильтрующая центрифуга превосходит существующие конструкции и может использоваться также в различных отраслях народного хозяйства для очистки жидкости.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. До цен ко, С.М. Разработка технологии производства и очистки соевого масла для фермерских хозяйств[Текст]/ С.М. Доценко, Г.М, Харченко, Ю.Б. Курков //Механизация технологических процессов в животноводстве.- Благовещенск, 1996 — С.77-85,

2. Доценко, С.М. Классификация устройств для разделения дисперсных систем [Текст] /С.М. Доценко, C.B. Вараксин, Г.М. Харченко, В.В. Самуйло // Механизация технологических процессов в животноводстве- Благовещенск, 1997,-4.1.-С. 126- 132.

3. Доценко, С.М, Обоснование параметров фильтрующей центрифуги для очистки соевого масла [Текст] / С.М. Доценко, Г.М, Харченко// Вопросы переработки сельскохозяйственной продукции. - Благовещенск, 2003,- СЛ40- 152.

4. Харченко, Г.М, Обоснование способа очистки соевого масла и конструктивно-технологической схемы центрифуги [Текст] /Г.М. Харченко // Механизация и электрификация технологических процессов в сельскохозяйственном производстве,-Благовещенск, 1998-Вып,3.-С.5б- 59.

5. Харченко Г.М. Определение экономической эффективности при тонкой очистке соевого масла на фильтрующей центрифуге [Текст] /Г.М. Харченко // Вопросы переработки сельскохозяйственной продукции, - Благовещенск, 2004,-С.80 - 86.

6. Центрифуга для очистки жидкости: пат, 2108169 Рос. Федерация: МПК В 04 В 3/00, В 04 В 11/00[Текст] /Доценко С.М,, Харченко Г.М,, Курков Ю.Б; заявитель и патентообладатель Благовещенск ДальГАУ - №96110552/13; заявл. 27.05.1996; опубл. 10.04.1998, Бюл. №10,-3 с,: ил.

*22430