Исследование эффективности очистки воскового сырья в воде при интенсивном механическом перемешивании

Введение. Известно, что основным загрязнителем воскового сырья является перга. По мнению многих пчеловодов, для очистки сырья от примесей перед перетопкой следует залить его теплой водой и выдержать в ней двое суток для удаления из него водорастворимых компонентов [1–4]. Воду при этом следует менять несколько раз. Однако на практике замачивание воскового сырья перед перетопкой применяется редко, так как это требует дополнительных затрат труда, времени и ресурсов. Кроме того, длительный (до нескольких суток) контакт рыхлого воскового сырья с теплой водой приводит к развитию патогенной микрофлоры и гнильцовых поражений, что делает восковое сырье непригодным для дальнейшей переработки. В связи с вышесказанным необходимо исследовать возможность и найти способ промышленной механизированной очистки воскового сырья от загрязнений путем интенсивного перемешивания измельченного воскового сырья в воде, что приведет к удалению из него большей части перги и других водорастворимых примесей перед перетопкой. Уменьшение контакта расплавленного воска с загрязнениями позволит увеличить процент выхода получаемого воска и улучшить его качество.

В ранее проведенном исследовании [5–7] изучена способность перги к расслоению при ее замачивании в воде. С целью определения количественных параметров оптимального режима очистки воскового сырья в воде при интенсивном механическом перемешивании было решено провести многофакторный эксперимент, устанавливающий влияние двух факторов – интенсивности и времени перемешивания – на степень очистки воскового вороха в воде, которая оценивается процентом удаленных примесей от первоначальной массы в пересчете на сухое вещество (критерий оптимизации максимизируется).

Цель исследования . Изучение возможности и определение целесообразности очистки воскового сырья путем освобождения от загрязняющих компонентов до его перетопки в воскотоп-ках различного типа.

Материалы и методы исследования. Для проведения исследования была изготовлена лабораторная установка, схема и общий вид которой показаны на рисунке 1.

Установка состоит из подвижного основания 1, имеющего возможность вертикального перемещения с фиксацией положения, на котором расположен привод, состоящий из электродвигателя 3 постоянного тока марки УХЛ-4 с редуктором и вала 2 с наконечником 9. На валу 2 привода установлен электронный тахометр, состоящий из диска 10 с расположенными по окружности постоянными магнитами и датчика Холла, импульсы с которого поступают на мультиметр 4 модели M890F с функцией измерения частоты. Регулирование частоты вращения ротора электродвигателя 3 осуществляется изменением напряжения при помощи ЛАТРа 5 с последующим его выпрямлением через диодный мост. Измерение мощности, потребляемой электродвигателем 3, проводили при помощи ваттметра 6 марки Д539. Под основание 1 установки помещаются сменные емкости 8 различного объема, в каждой из которых установлен собственный вал с закрепленными на нем одной или несколькими мешалками, зафиксированный от поперечного смещения в двух подшипниковых опорах, расположенных в крышке и на дне емкости. При соединении с приводом вал, установленный в емкости, входит в зацепление с наконечником 9 вала 2 привода. Во время перемешивания происходит контроль температуры жидкости внутри емкости 8 при помощи внедренной в крышку термопары от мультиметра 7 марки M-838 с функцией измерения температуры.

Наиболее точным методом определения интенсивности перемешивания является отношение расходуемой на перемешивание мощности к единице объема N/V , Вт/м³. Мощность N (Вт), расходуемую на перемешивание, можно определить как полезную мощность электродвигателя, приводящего в движение мешалку с определенными геометрическими параметрами, установленную в данном конкретном сосуде. Мощность электродвигателя измерялась ваттметром. Полезная мощность, потребляемая мешалкой, или мощность, расходуемая на перемешивание, рассчитывалась как разность измеренной электрической мощности двигателя с мешалкой, работающей в жидкости, и на холостом ходу при одинаковых числах оборотов.

Результаты исследования и их обсуждение . Для проведения опытов взяли небольшую емкость диаметром D = 160 мм и объемом V = 1,7 л и изготовили для нее мешалку с двумя прямыми лопастями и отражательные перегородки. Геометрические параметры системы определили по справочным данным [8], выполнив рекомендованные соотношения В/D = 0,11; D/d = 3,07; b/D = 0,07; h/H = 0,11, где B – ширина отражательных перегородок; h – высота установки мешалки от дна сосуда аппарата; b – высота лопастей мешалки; d – диаметр мешалки, H – высота столба жидкости в сосуде. При данных значениях параметров нами получено уравнение регрессии, выражающее зависимость полезной мощности N (Вт) от числа оборотов n (об/мин) рабочего вала в виде степенной функции

N ( n ) = ( 6,296 - 10 - 8 ) • n ^2,637 . ⁽¹⁾

Разделив данное выражение на объем жидкости в перемешивающем аппарате, получим зависимость интенсивности перемешивания от частоты вращения мешалки. При желании выполнить условие I = N/V = const для геометрически подобных перемешивающих устройств, не- обходимо с увеличением размеров аппарата повысить окружную скорость мешалки и, прини- мая во внимание увеличение ее диаметра, понизить частоу вращения [8].

Рис. 1. Лабораторная установка для исследований процессов растворения:

а – функциональная схема; б – общий вид во время испытаний;

1 – основание; 2 – рабочий вал; 3 – электродвигатель постоянного тока; 4 – мультиметр M890F для измерения частоты импульсов; 5 – ЛАТР; 6 – ваттметр; 7 – мультиметр М-838 для измерения температуры с термопарой, установленной в емкости; 8 – емкость для перемешивания с отражательными перегородками; 9 – наконечник; 10 – тахометр

Для исследования процесса с двумя факторами был выбран некомпозиционный ротата-бельный план второго порядка типа правильного шестиугольника с четырьмя центральными точками. В соответствии с выбранным планом для фактора X1 «интенсивность перемешивания» потребуется использование пяти уровней (+1; +0,5; 0; -0,5; -1); трех уровней (+0,866; 0; -0,866) - для фактора X2 «время перемешивания».

Уровни варьирования фактором X1 «интенсивность перемешивания» и соответствующие им величины оборотов n (об/мин) мешалки рассчитывали с помощью эмпирически установленной зависимости (1). Нижний уровень фактора представлен минимальным значением интенсивности перемешивания (1700 Вт/м3, 800 об/мин) для обеспечения достаточно полного вовлечения свободно плавающей на поверхности воды измельченной массы воскового вороха в турбулентное движение жидкости внутри рабочей камеры. Верхнему уровню соответствует наибольшая частота вращения мешалки (16400 Вт/м3, 1900 об/мин), превышение которой не приводит к повышению эффективности перемешивания и скорости диспергирования загрязнений и способствует выплескиванию воды через отверстия в крышке рабочей камеры. Соответственно, остальные три уровня определяются внутри этого диапазона.

Верхний уровень варьирования фактором X2 «время перемешивания», по данным предварительных исследований, ограничили 10 мин. Таким образом, уровень (+0,866) составил 8 мин. Уровень (-0,866) установлен на значении 2 мин. Таким образом, вариация фактора X2 локализована в более или менее широком диапазоне.

Уровни и интервалы варьирования факторами представлены в таблице.

Для проведения исследования был получен измельченный восковый ворох, являющийся вторичным продуктом при извлечении перги из сотов посредством механизированной технологии [9–16]. При использовании данной технологии, в процессе выполнения её последней операции - пневмосепарации, теряется до 30 % перги, которая уходит в восковое сырье, загрязняя его, при этом загрязненность восковыми частицами выделяемой так называемой «чистой перги» достигает 7 % [1-16].

Факторы и уровни их варьирования

Фактор	Ед. изм.	Уровень варьирования							Интервал варьирования
		-1	-0,866	-0,5	0	+0,5	+0,866	+1
X1 – интенсивность перемешивания	Вт/м3	1700	-	5375	9050	12725	-	16400	3675
X2 – время перемешивания	с	-	120	-	300	-	480	-	180

Эксперимент проводили следующим образом. Из полученного воскового вороха формировали навески массой 20±2 г, которые загружали в лабораторную установку (см. рис.1). Водяную смесь воскового сырья подвергали интенсивному перемешиванию в соответствии с планом эксперимента. По завершении перемешивания водяную смесь отфильтровывали при помощи сетчатых бюксов, изготовленных из сетки с размером ячейки 0,5×0,5 мм и предварительно взвешенных на весах марки ВЛКТ-500, и ополаскивали холодной водой.

Бюксы с частицами воскового сырья обдували теплым воздухом, пока вода не испарится с поверхности сита и промежутков между ячейками сетки, затем взвешивали на весах. Далее определяли влажность отфильтрованного воскового сырья по стандартной методике (ГОСТ 31775-2012).

Критерием оптимизации является относительное изменение (уменьшение) массы воскового сырья вследствие удаления растворившихся и диспергированных компонентов

△ m %

• 100 = 100 -

W н

-

• 100,

где Δ m % – относительное изменение массы воскового сырья (процент удаленных загрязнений), %; m н – масса навески до очистки, г; m к – масса очищенного воскового сырья, г; W н – начальная относительная влажность воскового сырья, %; W к – относительная влажность воскового сырья после очистки, %; (1 - —) - пересчет на сухое вещество.

Опыты проводили с 10-кратной повторностью в каждой точке плана.

В результате проведенного исследования получено уравнение регрессии (2), описывающее зависимость количества удаленных из воскового сырья примесей, выраженного относительным изменением сухой массы, от интенсивности и времени перемешивания в воде с постоянной температурой

△ m/I , t ) = 6,79 + 0,001 • I + 0,03 8 • t — 8,62•Ю ^{- 7} • I • t - 1,71 - 10 - 8 • 1 ² - 2,2•Ю ^{- 5} • t ² . (2)

Полученная эмпирическая зависимость изображена графически на рисунке 2.

Все факторы, влияющие на процесс, и их взаимодействия оказались значимыми на уровне α = 0,1. Таким образом, получена полная квадратичная модель, адекватно аппроксимирующая результаты эксперимента на уровне значимости α = 0,01. Оптимизация регрессион- ной модели (2), проведенная с использованием встроенных операторов Mathcad 14.0, позволила получить следующие результаты:

F max ( X1 , X2 ) = F (14630, 554) = 24,98 %.

При данном сочетании факторов критерий оптимизации – процент растворившихся и диспергированных примесей – достигает максимального значения.

Рис. 2. Зависимость процента удаленных примесей Δ m (%) от интенсивности I (Вт/м³) и времени t (с) перемешивания

Выводы. Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод, что оптимальный режим перемешивания воскового сырья в воде находится вблизи верхней границы факторного пространства по обоим факторам. При этом наблюдается заметное насыщение (стабилизация процесса) при приближении значений факторов к верхним уровням. Максимальному удалению примесей из воскового сырья, соответствующему относительной потере сухой массы 25 %, способствует режим перемешивания с интенсивностью I = 15 кВт/м³ в течение 9–10 минут. Характер полученной зависимости (см. рис. 2) свидетельствует о более значительном влиянии на исследуемый процесс времени перемешивания, чем интенсивности.