автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Совершенствование процесса очистки сафлора от трудноотделимых примесей

На правах рукописи

КАДИРБАЕВ МУРАТБЕК КИРГИЗБАЕВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОЧИСТКИ САФЛОРА ОТ ТРУДНООТДЕЛИМЫХ ПРИМЕСЕЙ

Специальность 05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых

производств

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

12 ДЕК 2013 005543486

Воронеж-2013

005543486

Работа выполнена на кафедре МАПП (Механизация и автоматизация производственных процессов) Алматинского технологического университета

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Еркебаев Мурат Жумадиловпч

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Шаззо Аслан Юсуфович (Кубанский государственный технологический университет)

кандидат технических паук, доцент Чериухин Юрий Васильевич (Воронежский государственный университет инженерных технологий)

Ведущая организация: ОАО "Всероссийский научно-

исследовательский институт комбикормовой промышленности"

Защита диссертации состоится «26» декабря 2013 года в II00 часов на заседании совета по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук Д 212.035.01 при ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» по адресу: 394036, г. Воронеж, проспект Революции, 19, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий».

Автореферат размещен на сайте Ъ.Щ>:1/\тт.vak2.ed.gov.vrn.ru и на официальном сайте ФГБОУ ВПО «ВГУИТ» vvww.vsuet.ru.

Автореферат разослан «25» ноября 2013 года.

Ученый секретарь совета по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук Д 212.03^

доктор технических наук, профессор ■' .^у/С} Г.В. Калашников

"V

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Совершенствование процесса очистки зерна масличных культур, в частности, сафлора - важнейшая задача для сельского хозяйства и перерабатывающей промышленности, что обусловлено высокими требованиями, предъявляемыми к качеству сырья для производства растительных масел.

Самым сложным этапом очистки сафлора является выделение семян трудноотделимых примесей, незначительно отличающихся от зерен масличной культуры. В Республике Казахстан из примесей в зерновой массе сафлора к самым трудноотделимым относятся семена прицепника широколистного, которые по физико-механическим свойствам близки к зерну сафлора.

Очистка зерновой массы сафлора от семян прицепника широколистного в существующих воздушно-ситовых сепараторах (по толщине, ширине и скорости витания), триерах (по длине зерновок) и камнеотделительных машинах (по плотности) не позволяет достичь желаемого эффекта.

В технологической схеме послеуборочной обработки сафлора не предусмотрена его очистка от подобных примесей. В результате на переработку поступает зерновая масса с повышенной засорённостью, вследствие чего ухудшается качество готовой продукции. Прицепник широколистный придаёт горечь растительному маслу, резко сокращает сроки его хранения.

Вместе с тем, необходимо отметить, что существуют резервы повышения эффективности очистки сафлора от трудноотделимых примесей, типа прицепника широколистного. Недостаточно хорошо изучены физико-механические свойства сафлора и его примесей. Особое внимание необходимо уделить способам сепарирования по комплексу признаков различия разделяемых компонентов, использованию новых рабочих органов сепараторов, принцип действия которых основан на использовании инерционных силовых полей. Поэтому научное обоснование и применение нового способа очистки зерна от сорных трудноотделимых примесей, таких как прицепник широколистный, наиболее эффективного технологически и осуществляемого с

меньшими затратами в простых и надежных машинах, представляет актуальную задачу.

Данная работа направлена на создание высокоадаптивных ресурсосберегающих технологий и технических средств очистки сафлора от трудноотделимых примесей для перерабатывающих предприятий.

Работа проводилась в соответствии с планом НИР кафедры «МАПП» АТУ в рамках инвестиционного проекта «Повышение конкурентоспособности сельскохозяйственной продукции» МСХ РК и Всемирного банка по подпроекту «Повышение конкурентоспособности сельскохозяйственной продукции через внедрение инновационной технологии очистки зерна от трудноотделимых примесей» (Контракт о гранте АЛМ-2010-47 от 30 июля 2010 года).

Целью диссертационной работы является повышение эффективности процесса выделения трудноотделимых примесей из зерновой смеси сафлора за счёт использования комплекса признаков их делимости, на основе изучения физико-механических свойств.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи исследований:

- провести анализ состояния технического парка сепараторов для выделения трудноотделимых примесей;

- исследовать физико-механические свойства сафлора и примесей, произвести анализ этих свойств и определить степени их перекрытия(наложения);

- разработать рациональный способ очистки сафлора от трудноотделимых примесей;

- определить параметры рабочих органов устройства для очистки сафлора от трудноотделимых примесей;

- установить закономерности процесса выделения трудноотделимых примесей из зерновой смеси сафлора по разработанной схеме;

- разработать конструкции высокоэффективных сепараторов и технологических схем линии для очистки зерна сафлора от трудноотделимых примесей.

Объектом исследования является зерно масличной культуры - сафлора, его физико-механические свойства, аэродинамические параметры.

Предметом исследования является процесс разделения сафлора и трудноотделимых примесей, закономерности протекания и экспериментальное обоснование рациональных режимов сепарирования.

Научная новнзна работы:

- определены физико-механические свойства сафлора и предложен новый способ повышения эффективности его очистки;

- предложено и теоретически обосновано применение сита с ромбовидными отверстиями для очистки сафлора от крупных примесей и экспериментально доказана эффективность разделения (99,9 %);

- теоретически обоснована и экспериментально подтверждена закономерность раздельного выделения и движения зерновок сафлора и трудноотделимых примесей в противоположных направлениях по наклонной поверхности под действием направленных колебаний между зигзагообразными отражателями, образующими канал сепарирования переменной ширины;

- предложены физические модели, адекватно описывающие процессы сепарирования зерновой смеси на наклонной поверхности с прикреплёнными зигзагообразными отражателями под действием направленных колебаний.

Практическая ценность работы. Предложен и обоснован способ сепарирования зерновой смеси сафлора на наклонной поверхности под действием направленных колебаний, позволяющий эффективно разделять семена трудноотделимых примесей и зёрна сафлора в противоположных направлениях. Предложена оригинальная конструкция вибросепаратора и рациональная схема линии производства сафлорового масла для крестьянских хозяйств и перерабатывающих предприятий.

Личный вклад автора. Модель, схемы, результаты численных и экспериментальных исследований, их анализ и интерпретация, представленные в диссертации, получены автором лично. Выбор приоритетных задач, направлений, методов исследования, формирование структуры и содержания работы выполнены при активном участии научного руководителя.

Лабораторные установки, используемые при экспериментальных исследованиях, экспериментальный стенд ситового сепаратора и опытный образец вибросепаратора с зигзагообразными отражателями, разработаны коллективом кафедры «МАПП» Алматинского технологического университета при активном участии автора.

Апробация работы: основные результаты исследований были доложены и одобрены на международных научно-практических конференциях: международной научно-практической конференции «Инновационное развитие пищевой, легкой промышленности и индустрии гостеприимства» (12-13 октября 2012 года, 17-18 октября 2013 года, г.Алматы), «Наука. Образование. Молодежь», посвященная 55-ти летию АТУ (19-20 апреля 2012г.), на научных семинарах кафедры «Машины и аппараты пищевых производств» Семипалатинского государственного университета им. Шакарима (г. Семей), ТарГУ им. М.Х. Дулати (г.Тараз), Алматинского технологического университета (г.Алматы), на научно-координационных советах ДРГП "НИИ зерна и продуктов переработки НПЦ зернового хозяйства им. А.И. Бараева" МСХ РК (г. Астана).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 научных трудов, в том числе получен 1 инновационный патент РК на изобретения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит оценку современного состояния парка зерноочистительных машин, существующих в различных хозяйствующих субъектах. Обоснована актуальность и новизна темы, изложена цель исследования, определены основные положения, выносимые на защиту, связь данной работы с НИР Алматинского технологического университета, приведены структура и объем диссертации.

В первой главе в рамках литературно-патентного обзора, рассмотрены процессы послеуборочной обработки зерновой массы сафлора, проанализированы существующие способы сепарирования и конструкции зерноочистительных машин, приведена их классификация.

Исследованиями процесса очистки зерна от сорных примесей занимались такие видные учёные как М.Н. Летошнев, Б.Г. Турбин, А.Б. Лурье, В.М. Цециновский, Е.А. Блехман, Г.Ю. Джанелидзе, Н.Е. Авдеев., В.В. Гортинский, В.Л. Злочевский, А.Ю. Шаззо, Ю.В. Чернухин, А.Б. Оспанов, М.Ж. Еркебаев и др.

Установлено, что применение известных способов сепарирования зерна и существующих зерноочистительных машин, не дают желаемого эффекта в случае их использования для отделения сафлора от трудноотделимых примесей. Это связано в первую очередь с особенностями физико-механических свойств сафлора, недостаточно изученных на сегодняшний день.

На основании проведённого анализа сформулированы цель и задачи диссертационной работы, обоснован выбор объекта исследования, определены методы решения поставленных проблем.

Во второй главе приведены результаты исследований свойств сафлора и теоретические предпосылки к описанию рационального способа очистки от прицепника широколистного.

Зерновки сафлора (лат. carthamnus) имеют удлиненную форму, белого цвета, сходные с семянкой подсолнечника, но мельче ее. Поверхность зерновок - гладкая, нередко на тупом конце семянки имеется хохолок.

Семена прицепника широколистного (лат. Caucalis plati-carpos) представляют собой зерновки удлиненно-искривленной формы, напоминающие по размерам зерновки сафлора, покрытые по всей поверхности игольчатыми шипами высотой приблизительно 0,1- 0,9 мм.

В качестве объекта исследования физико-механических свойств был принят сафлор сорта «Ак май» с полей крестьянского хозяйства «К^снар» Жамбылской области. В количественном отношении в разных партиях зерна оказалась до 8-11 % прицепника Влажность зерна составила для сафлора 6,7 % с погрешностью ±1,85 % и для прицепника - 11,9 % с погрешностью ±5 %. Масса 1000 зёрен или абсолютная масса зерна определялась по ГОСТ 10842-89 и составила: у сафлора (22,69+0,5) г, у прицепника (18,71+0,3) г. Натура прицепника широколистного составила (368,65±1,61) г/л, а натура сафлора-(574,23±1,98) г/л.

При исследовании аэродинамических параметров, установлено, что наибольшее количество семян прицепника уносится при скоростях 5,0-6,5 м/с, а сафлора - при скоростях 5,57,3 м/с. Область перекрытия кривых колеблется от 5,3 до 6,5 м/с, что позволяет утверждать о возможности выделения из зерновой смеси сафлора только 50-60% от всего наличия прицепника широколистного за счёт аэродинамических свойств.

Определено, что геометрические размеры семян прицепника широколистного, определяющие их просеиваемость на ситах, незначительно отличаются от размеров основной культуры. Это говорит о том, что сепарирование по геометрическим размерам, не обеспечивает полной очистки зерна сафлора от зерновок прицепника широколистного.

Как видно из графика (рисунок 1), разделением смеси по плотности частиц можно добиться большего эффекта очистки.

/

/ / >с \ 1

/ V

ь

800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1SOO Плотность частиц, кг/м*

> прицепник широколистный Ш сафлор Рисунок 1 - Вариационные кривые распределения зёрен сафлора и прицепника широколистного по плотности

Определены коэффициенты трения, характеризующие величину сил трения компонентов смеси о поверхность рабочих органов. По результатам поисковых экспериментов определены коэффициенты внешнего трения исследуемых компонентов зерносмеси (таблица 1). Как видно из данных таблицы 1, очевидно, что наибольшая вероятность разделения зерновых смесей сафлора и прицепника может наблюдаться по свойствам поверхности.

Установлены коэффициенты внутреннего трения, отражающие величину сопротивления послойного движения. Определено что: коэффициент внутреннего трения семян прицепника по сафлору 1^=0,554; зерновок сафлора по сафлору ^=0,383.

Таблица 1 - Значения коэффициентов внешнего трения

Коэффициент внешнего трения ^

по дереву по дереву по стали по ре-

Культура вдоль во- поперёк зине

локон волокон

Прицепник 0,466 0,509 0,383 0,554

Сафлор 0,314 0,324 0,305 0,466

По результатам исследований физико-механических свойств установлено, что наибольшие различия сафлора и при-цепника широколистного наблюдаются по плотности и коэффициентам трения. По выявленным признакам делимости целесообразно применение виброударного сепарирования сыпучих материалов на наклонных сортировальных столах с зигзагообразными отражательными стенками (отражателями), жестко прикрепленными к поверхности.

Предварительно проведённые испытания по очистке сафлора от прицепника на сортировальных столах падди-машины показали, что зигзагообразные отражатели недостаточно эффективны. Это объясняется тем, что: во-первых, гладкая поверхность не способствует движению прицепника вверх, из-за недостаточного трения; во-вторых, расстояние между стенками отражателей канала сепарирования постоянно и частицы с различной плотностью, коэффициентами трения, находясь в различных слоях зерновой смеси одинаково контактируют со стенками зигзагообразных отражателей и движутся синхронно; в-третьих, ширина канала по всей её длине постоянна, что не позволяет интенсифицировать ударное воздействие направляющих стенок отражателей на зерновки прицепника.

В результате, предложено новое устройство для выделения семян трудноотделимых примесей, типа прицепника, из зерновой массы сафлора (рисунок 2).

Учитывая различия свойств прицепника от зерна сафлора, сортировальный стол разделён на три зоны, причём стенки зигзагообразных отражателей в средней и верхней зонах расположены под углом к сортировальному столу, в нижней зоне перпендикулярно. Поверхность сортировального стола в средней зоне выполнена из металлотканого сита, в верхней зоне - вы-

полнена шероховатой, в нижней зоне - поверхность гладкая. Ширина канала сепарирования, образованного зигзагообразными отражателями выполнена переменной, т.е. канал сепарирования сужается от нижней зоны к верхней.

Рисунок 2 - Новое устройство для выделения семян трудноотделимых примесей из зерновой массы сафлора: I - приёмный бункер, 2- сортировальный стол, 3 - канал сепарирования, 4, 6 - выпускные патрубки для прицепника и сафлора, соответственно, 5 — зигзагообразный отражатель.

Перед подачей разделяемой смеси на сортировальный стол она должна быть очищена от индифферентного сора. По результатам анализа физико-механических свойств сафлора установлено, что его очистку от крупных примесей целесообразно проводить по площади и форме поперечного сечения. Целенаправленный поиск путей технической реализации предлагаемого способа очистки показал, что в качестве разделяющей поверхности может быть использована цельнометаллическая просечно-вытяжная сетка (ЦПВС) с ромбовидными отверстиями, расположенными в шахматном порядке. Коэффициент живого сечения сита кр -10С{ар - ср \Ьр - с р)!{а рЬ р)=10,А %.

Определено условие опрокидывания частицы в форме шара для ромбовидного отверстия (рисунок 3): \ А

\ х

' N Параметры сита:

длина ячейки ар = 10 мм; ширина ячейки Ьр = б мм; размер перемычки ср= 1,2 мм; толщина листа jp = 1 мм; диагонали ромба 2и6 = 8,8 мм;2п„ = 4,8 мм; радиус вписанной окружности R = 2,1 мм.

А (круглое отверстие) 2г

А (ромбовидное отверстие)

Рисунок 3 — Схема сил, действующих на частицу, находящуюся в отверстии

$т[р-ер)

Fu>Р-

cos!

1FK)'

гдевр = aretg# со s = aretg cos^ _, ф = ахс\фги/п§).

-1

R¿

Сито с ромбовидными отверстиями по доле живого сечения и удельной нагрузке превосходит сита с круглыми отверстиями и менее склонно к забиванию.

Для описания процесса очистки зерна сафлора от семян прицепиыка широколистного рассмотрено движение частицы по наклонной поверхности сортировального стола под действием направленных колебаний.

Дифференциальное уравнение движения в векторной форме имеет вид

пю^Р+N + T + F, (1)

Дифференциальное уравнение (1) удобно рассмотреть в проекциях на оси декартовой системы координат, связанной с сортировальным столом. Оси системы отсчета расположены следующим образом: ось Ох совпадает с продольной осью канала сепарирования и направлена в сторону предполагаемого движения сафлора; ось Оу расположена в плоскости сортировального стола и совпадает с направлением вибраций; ось Oz перпендикулярна поверхности сортировального стола.

Дифференциальные уравнения безотрывного движения (z-const, z-О, z = 0) частицы смеси по поверхности сортировального стола имеют вид:

x = g

sin/?-/ cos р

Фс2+У2

(2)

1 У

у-Асо sin at - fg cosP

V*2 - л2

+ У

В результате решения системы (2) при условии х = const, х~0 получена величина максимального относительного перемещения частицы в направлении оси Оу

L=2A-k

А2

fg COS p'

где к = 1,86 - поправочный коэффициент, полученный по результатам численного решения системы дифференциальных уравнений (2), учитывающий перемещение по оси Ох.

С целью создания наилучших условий движения разделенных фракций и обеспечения их наискорейшего вывода из сепаратора, необходимо, чтобы ширина канала сепарирования в зонах движения сафлора (I) и прицепника (III) была различной (в общем случае переменной)

bj>Lc-, Ьш <Lnp.

lis анализа схемы взаимодействия (рисунок 4) следует,

что уменьшение ширины канала Ьт также способствует стабилизации движения слоя прицепника, снижению эффекта «наплыва» частиц на отражатель, обусловленного инертностью их движения. Уменьшается высота, на которую «наплывают» частицы, улучшается контакт с поверхностью, а, сле-Рис. 4 -Схема взаимодействия частицы довательно, снижается прицепника с отражателем время их вывода из

сепаратора.

При уменьшении ширины канала на величину Ab высота

подъема частицы h изменяется следующим образом

sinocos/

h = h0-ЛЬ—f-г.

cosy' - ц/)

Взаимосвязь между углами имеет вид у = (у/ + л"/р)/(л" +1).

Численное решение дифференциальных уравнений (2) проводилось при следующих условиях:

- Канал образован двумя отражательными стенками, расположенными под углом 30° к его оси. Частица взаимодействует с ними в одних и тех же симметрично расположенных точках.

— Скорости частицы до и после взаимодействия со стенкой связаны через коэффициент восстановления нормальной

составляющей скорости Я" = / у" , и коэффициент мгновенного трения Ят = 1 - 04 / у[ ), где у" , - нормальные составляющие относительной скорости частицы соответственно до и после удара, м/с; V* , \\ - касательные составляющие относительной скорости частицы соответственно до и после удара, м/с.

- В реальных условиях режим движения является неустойчивым, кинематические параметры в значительной мере зависят от начальных условий и случайных воздействий. Решение проводилось при начальных условиях: х0 = 0 м; уо = 0 м;

= 0 м/с; ^о=0 м/с; т. е. частица поступает на поверхность по нормали.

- Скорость движения вдоль канала определялась как среднее значение скорости частицы на оси канала за 20 периодов гармонических колебаний, начиная с момента, когда движение можно было считать установившимся (10-20 периодов от начала расчета).

В результате численного решения системы дифференциальных уравнений (2) найдены значения ширины канала, создающие наилучшие условия для разделения компонентов: = 49,5 мм, Ьш = 68,4 мм.

В третьей главе приведены экспериментальные исследования, предусматривающие:

- создание экспериментального стенда ситового сепаратора и опытно-экспериментального образца вибросепаратора для разделения сафлора и прицепника широколистного;

- определение технологической эффективности, рациональных режимов и параметров процесса очистки сафлора от прицепника широколистного на экспериментальной установке.

Для подтверждения теоретических предпосылок эффективности сепарирующих свойств сита с ромбовидными отверстиями были проведены экспериментальные исследования на специальном стенде (рисунок 5). Как видно из результатов экспериментов (таблица 2), по доле живого сечения и удельной нагрузке данные сита превосходят сита с круглыми отверстиями и менее склонны к забиванию.

Анализ графиков влияния частоты колебаний п сортировального стола на эффективность выделения Е прицепника свидетельствует (рисунок 8) о том, что максимальная эффективность выделения прицепника широколистного при одной и той же частоте колебания соответствует определенной ширине канала сепарирования сортировального стола. Высокая степень очистки (Е=95...99%) достигается при b=60^70 мм, ji =8 п =95-105 мин'.

При изучении зависимости эффективности сепарирования Е зерновой смеси от угла наклона /3 сортировального стола при производительности Q от 180 до 200 кг/ч и углах наклона сортировального стола от 6 до 8 ° была установлена высокая эффективность сепарирования £=95-97 %.

Результаты исследования зависимости эффективности выделения прицепника широколистного из зерновой смеси Е от угла наклона стенок отражателей у к плоскости сортировального стола при различной амплитуде А свидетельствуют о том, что при значениях угла наклона стенок отражателей у= 14-И 7° наблюдается высокая эффективность сепарирования (Е=97%).

70 4--1--,---(--

60 70 80 90 100 110 120 130 140

Частота колебаний п, кол./ мин.

♦ Ь=40 мм ■ Ь=50 мм *Ь=60мм "Ь=70мм ЖЬ=80мм

Рисунок 8 - Зависимость эффективности Е сепарирования от частоты колебаний п, при различной ширине канала сепарирования ¿>, при: /? = 5 ()=150 кг/ч; №пр=10,9 %, сафлора П'саф-7 %, к=2%.

Это объясняется тем, что в данном случае частица прицепника широколистного вследствие удара о стенку движется по контролируемой траектории, а зерновка сафлора не соприкасаясь с отражателями движется вниз по наклонной поверхности.

Таким образом, в результате экспериментальных исследований процесса очистки сафлора на опытно-экспериментальной установке установлены рациональные параметры и режимы работы, позволяющие высокоэффективно производить очистку зерновой массы сафлора от наиболее трудноотделимой примеси - семян при-цепника широколистного.

В четвертой главе предложена практическая реализация результатов экспериментов и рассчитана экономическая эффективность процесса очистки сафлора от прицепника широколистного.

На основании проведённых теоретических и экспериментальных исследований, были разработаны и предложены оригинальные конструкции вибросепараторов для очистки сафлора от трудноотделимых примесей (рисунок 9), отличительной особенностью которых является ресурсосбережение за счёт повышения эффективности сепарирования.

Рисунок 9 - Оригинальная конструкция вибросепаратора для очистки сафлора 1,2- опоры приводного механизма, 3 - привод, 4 - шатун, 5 - сортировальный стол, 6 - платформа 7 - опора, 8 - зигзагообразные отражатели, 9 - каналы сепарирования, 10-лоток, 11 - бункер, 12,13 - сборники для целевого продукта и примесей, соответственно, 14 - лоток. 15 - сборник мелких примесей.

Созданный опытно-промышленный образец вибросепаратора (рисунок 10) для очистки сафлора от прицепника широколистного и рекомендуемый для применения в составе разработанной линии производства сафлорового масла (рисунок 11) прошёл производственные испытания и внедрен на производственной базе крестьянского хозяйства «К,унар» Жамбылской области. Результаты испытаний подтверждают высокую эффективность (до 99 %) очистки зерна сафлора от прицепника широколистного.

Полученные в качестве отхода семена прицепника были исследованы в ЗАО «Казахская академия питания» на химический состав, в результате которого было установлено что они содержат в себе: белка 20,85 %, жира 23 %, углеводов 31,85 %, витамины Е и С -2,4 % и 6,2 % соответственно. Это позволило рекомендовать их для использования в качестве ценной натуральной добавки в корма для животных, путем измельчения и смешивания со жмыхом сафлора и других добавок.

Рисунок 10 - Опытно-промышленный образец вибросепаратора

Рисунок 11 - Схема линии производства сафлорового масла 1 - ковшовый элеватор (нория); 2 - приёмный бункер; 3 - воздушно-сиговой сепаратор; 4 - триера (овсюгоотборник и куколеотборник); 5 - камнеотделшельная машина;

6 - сепаратор для выделения прицепника широколистного, 7—шнек; 8 - промежуточный бункер; 9 — маслопрессы; 10 - устройство для осаждения; 11 — насос; 12 -накопительный бункер для жмыха; 13 — рамный фильтр.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. В результате изучения физико-механических свойств сафлора и прицепника широколистного установлено, что плотность зерна сафлора в 1,21 раза больше плотности прицепника и это с учетом их различных коэффициентов трения при движении по наклонной ситовой или шероховатой поверхности обеспечивает наиболее полное разделение.

2. Теоретически обоснован и экспериментально апробирован способ очистки сафлора от крупных примесей по площади и форме поперечного сечения на сите с ромбовидными отверстиями. Коэффициент живого сечения предлагаемой разделяющей поверхности - 70,4 %, а удельная нагрузка 8,33 т/(ч м2), что позволяет уменьшить ее площадь на 60% по сравнению со штампованными ситами с круглыми отверстиями.

3. Предложен и реализован способ виброударного сепарирования сыпучих материалов на оригинальных сортировальных столах с прикреплёнными к поверхности зигзагообразными отражателями, образующими сужающийся канал сепарирования и совершающими возвратно-поступательные колебания в горизонтальной плоскости.

4. Теоретически обоснован процесс очистки зерна сафлора от прицепника широколистного на сортировальном столе с зигзагообразными отражателями, описывающий движение частицы по поверхности сортировального стола и взаимодействие с отражателями.

5. Проведенные экспериментальные исследования процесса разделения зерна сафлора и прицепника широколистного, имеющие между собой различные коэффициенты трения и плотность, выявили, что основными факторами, влияющими на эффективность разделения, являются кинематические параметры (амплитуды колебаний и угол наклона сортировального стола), удельная нагрузка зернового потока, ширина канала, по которому движется продукт, а также форма и расположение отражателей на сортировальном столе. При этом установлено, что наиболее высокая эффективность процесса очистки обеспечивается при следующих рациональных параметрах и режимах работы сортировальной машины: угле наклона сортировального стола /?= 8 амплитуде колебания А = 60 - 70 мм, частоте колебания п= 95-105 мин" и ширине канала Ъ= 60 мм.

6. Разработан и создан опытно-экспериментальный образец машины для выделения прицепника широколистного из зерновой смеси сафлора, который успешно прошел производственные испытания в условиях крестьянского хозяйства «К^нар» Жамбылской области. Достигнута 97 %-ная эффективность очистки сафлора от прицепника.

7. Разработана технологическая схема линии производства сафлорового масла, имеющая высокую эффективность благодаря использованию в ее составе вибросепаратора оригинальной конструкции.

8. Ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения зерноочистительного сепаратора-прицепникоотборника составляет 1 327 784 тенге.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Р~- угол наклона сита; - угол, между силой и плоскостью сита; вр — угол заклинивания для ромбовидного отверстия; в— угол заклинивания для круглого отверстия; г - радиус частицы, м; т - масса частицы, кг; а — ускорение частицы, м/с2; Р = пщ - сила тяжести частицы, Н; N - нормальная реакция поверхности сортировального стола, Н; Л^—реакция поверхности для круглого отверстия, Н; Ыг — реакция поверхности для ромбовидного отверстия, Н;

Т = f N - сипа трения скольжения, Н; F = Am2 sin cot - вибрационная сила, Н; g — ускорение свободного падения, м/с2; /- коэффициент трения скольжения частицы по поверхности сортировального стола; А — амплитуда колебаний, м; со- круговая частота колебаний, с"1; / - время, с; ц/- угол, составляемый вектором скорости частицы с нормалью к вертикально установленному отражателю до взаимодействия, у - угол установки наклонного отражателя, h0 - высота подъема при Ah=0, м; п - частота колебаний сортировального стола, мин"1; b—ширина канала сепарирования, мм; у - угол наклона стенки отражателя, ..Е - эффективность очистки, %; Q - производительность, кг/ч; W^j,, W,p — влажность сафлора и прицепника соответственно, %; к - концентрация прицепника в исходной зерновой смеси, %; Л" - коэффициент восстановления нормальной составляющей скорости частицы; ср — угол межау вектором скорости и горизонталью после взаимодействия,..

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Инновационный патент 24237. Универсальный сепаратор для разделения трудноразделимых частиц [Текст] / Матеев Е.З., Кадирбаев М.Ж., Ерке-баев М.Ж., Сурашов A.A.; заявитель и патентообладатель Матеев Е.З. — №2010/0769.1; заявл. 10.06.2010; опубл. 15.07.2011, Бюл. № 7.

2. Кадирбаев, М.К. Особенности физико-механических свойств семян сафлора[Текст] / М. К.Кадирбаев, М. Ж. Еркебаев, Е. 3. Матеев, Н. О. Изимбетова //Вестник Алматинскоготехнологического университета. -2013.-№2.-С. 67-71.

3.Кадирбаев, М.К. Прочностные характеристики семян сафлор [Текст] / М. К. Кадирбаев, М. Ж. Еркебаев // Вестник ВГУИТ. - 2013. - № 2. - С.43-46.

4.Кадирбаев, М. К. Азык-тул1к ешмдершщ реологияльщ непздер! [Текст] / М. Ж. Еркебаев, Е. Б. Медведков, Л. С. Исабекова / Оку куралы. -Алматы. - 2013. - С. 216.

5. Кадирбаев, М. К. Выбор и обоснование сита для очистки сафлора от крупных примесей [Текст] / М. Ж. Еркебаев, А. В. Некрасов, Е. 3. Матеев, Д. С. Садвокасова, С. В. Шахов// Вестник Алматинского гуманитарно-технического университета. - 2013. - № 2. - С. 12-14.

6. Кадирбаев, М. К. Выбор и обоснование способа очистки сафлора от трудноотделимых примесей [Текст] /М. Ж. Еркебаев, А. В. Некрасов, Е. 3. Матеев// Вестник Алматинского технологического университета. - 2013. -№4.-С. 58-61.

7. Кадирбаев, М. К. Сепаратор для очистки зерна сафлора от трудных примесей[Текст] / М. Ж. Еркебаев, А. В. Некрасов, Е. 3. Матеев // Вестник Алматинского технологического университета. - 2013. - № 4. - С. 62-65.

8. Кадирбаев, М. К. Технологическая линия производства сафлорового масла [Текст] / М. Ж. Еркебаев, А. В. Некрасов, Д. С. Садвокасова, Е. 3. Матеев, С. В. Шахов //Вестник Алматинского технологического университета. - 2013. - К» 5. - С. 56-58.

Подписано в печать 22.11.2013. Формат 60 х 84 1/16 Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 247.

ФГДОУ ВПО «Воронежский государствешшйуниверснтет инженерных технологий»

(«ВГУИТ») Отдел полиграфии ФГДОУ ВПО «ВГУИТ» Адрес университета и отдела полиграфии: 394036, Воронеж, пр. Революции, 19

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ "ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНЖЕНЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ"

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОЧИСТКИ САФЛОРА ОТ ТРУДНООТДЕЛИМЫХ ПРИМЕСЕЙ

Специальность 05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых производств

На правах рукописи

04201455662

. КАДИРБАЕВ МУРАТБЕК КИРГИЗБАЕВИЧ

Диссертация

на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор М. Ж. Еркебаев

ВОРОНЕЖ 2013

СОДЕРЖАНИЕ

стр

Нормативные ссылки................................................................... 5

Определения.......................................................................... 6

Условные обозначения............................................................. 8

Введение................................................................................... 9

Глава 1. Современное состояние вопроса очистки зерна сафлора от трудноотделимых примесей.................................... 15

1.1 Сафлор, как масличная культура, возделываемая в Казахстане... 20

1.2 Анализ процесса очистки зерна от примесей и техники для его осуществления..................................................................... 30

1.3 Обзор теоретических исследований процесса сепарирования зерновых сыпучих материалов...................................................... 60

1.4 Выводы по 1 главе.................................................................... 74

Глава 2. Теоретические предпосылки к описанию процесса очистки сафлора от трудноотделимых примесей..................................................76

2.1 Физико-механические свойств семян сафлора...................... 77

2.1.1 Вводные замечания и общая характеристика сафлора и основных трудноотделимых примесей................................ 77

2.1.2 Определение состава зерновой смеси сафлора и сопутствующих примесей................................................................................................80

2.1.3 Определение угла естественного откоса, массы 1000 штук зерна, натурного веса..................................................... 82

2.1.4 Определение геометрических параметров зерна и анализ вариационных кривых распределения.................................. 84

2.1.5 Исследование аэродинамических параметров семян сафлора и прицепника широколистного............................ 86

2.1.6 Определение плотности зерновок прицепника и сафлора... 89

2.1.7 Определение прочности семян сафлора....................... 90

2.1.8 Определение коэффициентов трения сафлора и прицеп-ника широколистного......................................................................................93

2.2 Обоснование способа разделения и конструктивно-технологической схемы сепаратора для сафлора^.......................97 _

2.2.1 Выбор параметров решет для очистки, схемы технологического процесса очистки сафлора............................... 97

2.2.2 Исследования скорости погружения модельной частицы

в зерновом слое............................................................ 105

2.2.3 Обоснование способа разделения и конструктивно-технологической схемы устройства для сепарирования сафлора от трудноотделимых примесей........................................................108

2.3 Аналитическое описание процесса очистки сафлора от трудноотделимых примесей в зависимости от физико-механических свойств..................................................................................................................114

2.3.1. Предварительные замечания................................... 114

2.3.2. Дифференциальные уравнения движения частицы зерновой смеси по поверхности сортировального стола...... 116

2.3.3. Качественный анализ условий движения частицы зерновой смеси по поверхности сортировального стола............118

2.3.4. Анализ условий взаимодействия частиц со стенками отражателей, образующими канал сепарирования................ 120

2.3.5. Численное решение дифференциальных уравнений движения частицы........................................................ 122

2.4 Выводе по 2 главе........................................................................ 125

Глава 3. Исследования процесса очистки зерна сафлора от трудноотделимых примесей........................................................................................................126

3.1 Экспериментальный стенд ситового сепаратора для очистки сафлора от крупных примесей................................................ 126

3.2 Экспериментальная установка для очистки зерновой смеси сафлора от прицепника широколистного................................. 132

3.3 Методики для определения рациональных режимов и параметров процесса очистки сафлора от прицепника широколистного на

_ „экспериментальной установке............................ 138

3.4 Результаты экспериментальных исследований...................... 142

3.4.1 Результаты исследований на экспериментальном стенде ситового сепаратора....................................................... 142

3.4.2 Результаты исследований на экспериментальной установке

для очистки сафлора от прицепника широколистного.............. 144

3.5 Выводы по 3 главе....................................................... 151

Глава 4. Практическая реализация результатов исследований... 153

4.1 Перспективные оригинальные конструкции вибросепараторов

для очистки сафлора от труднотделимых примесей......................... 153

4.2 Рекомендуемая технологическая схема очистки сафлора при производстве сафлорового масла......................................................... 161

4.3 Расчет экономической эффективности работы сепаратора........

Основные выводы и результаты.......................................................... 170

Библиографический список................................................................... 172

Приложение 1 - Акт испытаний опытно-промышленного образца вибросепаратора для очистки сафлора от трудноотделимых примесей 180 Приложение 2 - Результаты исследования химического состава семян сафлора................................................................................ 181

НОРМАТИВНЫЕ ССЫЛКИ

Настоящая диссертация выполнена в соответствии с инструкцией, основанной на межгосударственных стандартах ГОСТ 7.32-2001. Отчет о научно-исследовательской работе. Структура и правила оформления и ГОСТ 7.12003. Библиографическая запись. Библиографическое описание. Общие требования и правила составления.

В настоящей диссертации использованы ссылки на следующие стандарты:

- ГОСТ 15.001-73 - Разработка и постановка продукции на производство.

- ГОСТ 13586.3-83 - Зерно. Правила приемки и методы отбора проб.

- ГОСТ 10842-89 - Зерно. Метод определения массы 1000 зёрен.

-ГОСТ 13586.5-93 - Зерно. Методы определения влажности.

- ГОСТ 30483-97 - Зерно. Методы определения содержания сорной, зерновой, особо учитываемой примесей, мелких зерен и крупности.

ОПРЕДЕЛЕНИЯ

В настоящей диссертации применяют следующие термины с соответствующими определениями:

Сепарирование - разделение сыпучих материалов на фракции, отличающиеся физико-механическими свойствами частиц.

Эффективность - сочетание интенсификации процесса (т.е. повышение его скорости), снижения энергозатрат на его осуществление с одновременным улучшением качества очистки.

Сорная примесь зерна - примесь органического и неорганического происхождения, подлежащая удалению при использовании зерна по целевому назначению.

Зерновая примесь - примесь неполноценных зерен основной культуры, а также зерен других культурных растений, допускаемая при приемке.

Влажность зерна - физико-химически и механически связанная с тканями зерна вода, удаляемая в стандартных условиях определения.

Крупная примесь - частицы сорной примеси, которые по своим геометрическим характеристикам, являются сходовой фракцией на ситовой поверхности.

Мелкая примесь - частицы сорной примеси, которые по своим геометрическим характеристикам, являются проходовой фракцией на ситовой поверхности.

Минеральная примесь - примесь минерального происхождения (песок, комочки земли, галька и др.).

Легкая примесь - частицы сорной примеси, которые выделяются из состава зерновой массы по своим аэродинамическим характеристикам.

Трудноотделимая примесь - примесь, которая по своим физическим признакам (форма, размеры, плотность, аэродинамические свойства) близка к зерну основной культуры.

Коэффициент внешнего трения - коэффициент, характеризующий величину сил трения между поверхностью сыпучего материала и различными поверхностями.

Коэффициент внутреннего трения - показатель, отражающий действительную величину сопротивления движения компонентов смеси. ___

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

А - амплитуда колебания рабочего органа машины, мм;

п - число колебаний, мин"1;

/? - угол наклона сортировального стола,

у - угол наклона стенок отражателей,____ .__. ______

V - скорость воздушного потока, м/с;

Е - эффективность выделения сорной примеси, %;

Нкол.ст ~ величина статического давления на штуцере входного коллектора, Па;

Жу - сила аэродинамического сопротивления твёрдой частицы, Н;

/ - длина трубопровода, м;

Т7 - площадь сечения трубопровода, м2;

В - диаметр трубопровода, м;

1К0Л - показания (длина столба жидкости в трубке прибора)

микроманометра столба жидкости, залитой в прибор ММН-250, мм;

т -сопротивление сдвигу, Па;

ан - нормальное напряжение, Па;

/тр - коэффициент трения сыпучего материала;

tg срТ - тангенс угла наклона прямой к оси абцисс;

ап - сжимающее давление, Па;

О - сдвигающая сила, Н;

ц - коэффициент трения нити о шкив;

С/ - количество прицепника в зерновой смеси до очистки, кг\

С2 - количество прицепника в зерновой смеси после очистки, кг;

у/ - угол, составляемый вектором скорости частицы с нормалью к вертикальному отражателю до взаимодействия,

у/' - угол после взаимодействия,

у/н - аналогичные углы при взаимодействии с наклонным отражателем,

ВВЕДЕНИЕ

Повышение эффективности производства, создание современных технологий и машин нового поколения является одним из факторов, обеспечивающих стабильное и производительное развитие нового независимого Казахстана.

Уровень производства растительного масла в Казахстане в 2010 году составил 29,7 тыс.т. в тоже время его импорт 79,2 тыс.т. Потребление растительного масла с учетом импорта в РК составляет 8,5 кг на человека, то есть удовлетворяется лишь на 65%. Такое сложное положение продолжает сохраняться и на сегодняшний день, чтобы обеспечить самый минимальный объем необходимо производить 193,6 тыс.т. Ежегодно Республика Казахстан импортирует масла на 50.. .60 млн. долларов США [147].

Ситуация, сложившаяся в данной отрасли народного хозяйства такова, что уровень производства масличных семян и уровень их переработки в общемировом масштабе не способствует полноценному потреблению растительного масла и продукции, произведенной на его основе.

В данной ситуации мировые производители и переработчики масличного сырья предлагают комплекс мероприятий для решения проблем, способствующих изменению критического положения в отрасли, руководствоваться которыми следует и нашей Республике.

В последние годы производство растительного масла в Казахстане сократилось до 3,0 кг на человека (при норме 10 кг). При этом отечественное производство растительного масла удовлетворяет потребность внутреннего рынка только на 30 %, остальное завозится из других стран.

В настоящее время правительством принимаются меры по расширению посевов масличных культур с целью производства достаточного сырья для производства растительного масла в количестве, удовлетворяющем потребности, в первую очередь, внутреннего рынка. Одновременно планируется усилить контроль за качеством масла, поставляемым на рынок частными

предприятиями, так как 70 % малых частных предприятий работают с нарушением технологии, с использованием оборудования, не предназначенных для производства масла пищевого назначения. Вырабатываемые ими масла низкого качества и оно бесконтрольно поступает на местные рынки. __В_этих.условиях, становитсяособоактуальнойразработка высокоэффективных технологий, обеспечивающих выработку масла высокого качества с сохранением натуральных естественных компонентов, не требующих рафинации и готовых к употреблению, из различных маслосодержащих сельскохозяйственных культур. Это относится к малым частным предприятиям, работающим в условиях малого бизнеса.

В последние годы в республике начали возделывать культуру - сафлор, для выработки из семян растительного масла. По производству сафлора Казахстан уже с 2000 года входит в пятерку мировых лидеров, а в 2010 году с урожаем 122,24 тыс. т стал вторым после Индии. Сафлор хорошо может заменить подсолнечник как масличную культуру в засушливых степных районах, к тому же он на порядок дороже пшеницы. И если раньше сафлор выращивали в основном в южных регионах Казахстана, то сейчас это растение, благодаря своей неприхотливости и засухоустойчивости, завоевывает всё больше площадей в северных и западных областях.

Там, где подсолнух страдает от засухи, гораздо выгоднее и безопаснее с экономической точки зрения сеять сафлор. Есть у сафлора и другие преимущества, например, его семена белые и хорошо защищены листочками обертки корзинки и не имеют обычно такой привлекательности для диких птиц. Цвести сафлор начинает раньше подсолнечника и срок его цветения более растянут - длится целый месяц. Сафлор в отличие от подсолнечника не выделяет клейкой смолы и поэтому семена после очистки не содержат даже прилипших семянок амброзии и других злостных сорняков. В масле сафлора намного больше линолевой кислоты, чем в подсолнечном, и больше витамина Е, чем в других видах растительных масел.

В литературных источниках практически нет информации об этой культуре, освещающих и изучаемых его физико-механические и технологические свойства, что должно быть первоначальными данными для разработки как технологии выработки сафлорового масла, так и для проектирования оборудования для зтих.целей______________________ — -

Самым сложным этапом очистки сафлора является выделение семян трудноотделимых примесей, незначительно отличающихся от зерен масличной культуры. В Республике Казахстан из примесей в зерновой массе сафлора к самым трудноотделимым относятся семена прицепника широколистного, которые по физико-механическим свойствам близки к зерну сафлора.

Очистка зерновой массы сафлора от семян прицепника широколистного в существующих воздушно-ситовых сепараторах (по толщине, ширине и скорости витания), триерах (по длине зерновок) и камнеотделительных машинах (по плотности) не позволяет достичь желаемого эффекта.

В технологической схеме послеуборочной обработки сафлора не предусмотрена его очистка от подобных примесей. В результате на переработку поступает зерновая масса с повышенной засорённостью, вследствие чего ухудшается качество готовой продукции. Прицепник широколистный придаёт горечь растительному маслу, резко сокращает сроки его хранения.

Вместе с тем, необходимо отметить, что существуют резервы повышения эффективности очистки сафлора от трудноотделимых примесей, типа прицепника широколистного. Недостаточно хорошо изучены физико-механические свойства сафлора и его примесей. Особое внимание необходимо уделить способам сепарирования по комплексу признаков различия разделяемых компонентов, использованию новых рабочих органов сепараторов, принцип действия которых основан на использовании инерционных силовых полей. Поэтому научное обоснование и применение нового способа очистки зерна от сорных трудноотделимых примесей, таких как прицепникшироко-листный, наиболее эффективного технологически и осуществляемого с

меньшими затратами в простых и надежных машинах, представляет актуальную задачу.

Данная работа направлена на создание высокоадаптивных ресурсосберегающих технологий и технических средств очистки сафлора от трудноотделимых примесей для перерабатывающих предприятий_________________

Работа проводилась в соответствии с планом НИР кафедры «МАПП» АТУ в рамках инвестиционного проекта «Повышение конкурентоспособности сельскохозяйственной продукции» МСХ РК и Всемирного банка по под-проекту «Повышение конкурентоспособности сельскохозяйственной продукции через внедрение инновационной технологии очистки зерна от трудноотделимых примесей» (Контракт о гранте АЛМ-2010-47 от 30 июля 2010 года).

Целью диссертационной работы является повышение эффективности процесса выделения трудноотделимых примесей из зерновой смеси сафлора за счёт использования комплекса признаков их делимости, на основе изучения физико-механических свойств.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи исследований:

- провести анализ состояния технического парка сепараторов для выделения трудноотделимых примесей;

- исследовать физико-механические свойства сафлора и примесей, произвести анализ этих свойств и определить степени их перекры-тия(наложения);

- разработать рациональный способ очистки сафлора от трудноотделимых примесей;

- определить параметры рабочих органов устройства для очистки сафлора от трудноотделимых примесей;

- установить закономерности процесса выделения трудноотделимых примесей из зерновой смеси сафлора по разработанной схеме;

- разработать конструкции высокоэффективных сепараторов и технологических схем линии для очистки зерна сафлора от трудноотделимых примесей.

Объектом исследования является зерно масличной культуры - саф------—лора, его физико-механические свойства, аэродинамические параметры. — —

Предметом иссл�