Кинетические аспекты уплотнения белково-витаминной композиции при получении гранул и брикетов

Введение . В настоящее время наибольшее распространение гранулированных продуктов получили прессы с кольцевой матрицей, рабочий процесс которых основан на уплотнении сухого исходного сырья с предварительным его кондиционированием (увлажнением) водой или паром [1].

При этом кольцевой пресс не позволяет получать гранулы диаметром менее 4,7 мм. Для получения гранул меньшего размера в виде крупки пресс снабжается дополнительно крошителем гранул и просеивателем [2].

Все это приводит к высокой металлоемкости и энергоемкости процесса получения прессованного продукта необходимого размера.

В этой связи исследования, направленные на создание инновационных технических систем по получению корнеклубнеплодно-зерновых продуктов в виде гранул и брикетов полой цилиндрической формы, являются актуальными.

Цель исследований . Аналитическое и эмпирическое установление зависимостей, характеризующих кинетику рабочего процесса и его параметров, для создания инновационного пресс-гранулятора.

Задачи исследований :

• -    для принятой структурной схемы линии получения прессованного продукта с использованием винтового гранулятора получить аналитические зависимости, характеризующие кинетические параметры процесса уплотнения композиций в компрессионно-формующем устройстве гранулятора;

• -    экспериментальным путем получить оптимальнорациональные значения параметров компрессионно-формующего узла (КФУ).

Результаты исследований и их обсуждение . На основании анализа результатов ранее проведенных исследований установлено, что прочность гранул, получаемых с помощью пресс-грануляторов различного типа (винтовых, кольцевых и т.д.), в значительной степени зависит от состава и свойств исходного сырья, а также структурномеханических характеристик (СМХ) композиций, из которых, в конечном итоге, состоит готовый продукт [1–3].

На рисунке 1 представлена структурная схема линии получения гранулированно-брикетированных продуктов с использованием корнеклубнеплодно-зерновых композиций.

Рис. 1. Структурная схема линии приготовления гранулированных корнеклубнеплодно-зерновых продуктов: Q 1 (t), Q 2 (t), Q 3 (t), Q 4 (t) – подача исходного сырья и продуктов на соответствующих этапах их трансформации; Пр(t) – прочность готовых гранул

Одним из основных недостатков известных пресс-грануляторов является невозможность получения гранул с низким содержанием воздушных пор. На рисунке 2

представлена разработанная авторами схема пресс-гранулятора, снабженного компрессионно-формующим узлом, позволяющим устранить указанный недостаток.

Рис. 2. Схема пресс-гранулятора с КФУ: 1 – смеситель; 2 – винт пресса; 3 – измельчающий узел; 4 – компрессионная камера; 5 – манометр давления; 6 – формующий узел

При этом характерной особенностью КФУ является возможность получения полых гранул цилиндрической формы.

Как известно, при уплотнении материала продукта в нем накапливается потенциальная энергия упругих деформаций, поэтому происходит упругое расширение в направлении приложенного давления [1]. Сжатие очередной порции продукта обусловлено силами трения ранее запрессованного материала о стенки, а потому работа сжатия новой порции Асж должна быть равна работе от преодоления сил трения Атр [2]

Асж=Атр.                     (1)

Работу сил сжатия представим как

А СЖ =P·V,                   (2)

где Р – приложенное давление, создаваемое винтом пресса 2 (рис. 2);

• V – объем сжимаемой порции материала.

Давление, создаваемое винтом 2 , с учетом его конструктивных характеристик, представим следующей эмпирической зависимостью:

P = С- [pO ¹ • e ^b*-* • (1 - b _fc •

Ж,       (3)

где С – эмпирический коэффициент; ρ 0 – начальная плотность продукта (исходная); b k – величина, связанная с декрементом k уменьшения шага винта, b_k = R/2_п, Ф — угол поворота винта.

Работа от действия сил трения для принятой схемы смесителя-гранулятора определяется зависимостью Атр3:

– для камеры 4 :

ТР =      уп ∙ ^К ∙ К ,               (4)

где f – коэффициент трения; ξ– коэффициент бокового расширения; Руп3 – давление в камере 4 ; D К , L К – диаметр и длина компрессионной камеры;

– для формующего узла 6 :

А ТР4 = f ξP УП4 ·(R²-r²) l C,                    (5)

где P УП4 – давление в узле 6; R, r – радиусы в соответствии с рисунком 1 – разреза А-А; l C – длина формующей камеры КФУ.

Приравнивая и преобразуя выражения (2), (4) и (5) с учетом выражения (3), относительно давления Р получаем, что

=8  ∙   [     ∙ (1-    ∙  ]∙

_К ∙ _К

⧸ ξ(R -r ) С.(6)

С другой стороны, установившийся режим работы пресс-гранулятора Q сг характеризуется равенством

СГ= ∙ К= (R -r )ρС∙ С,(7)

где V – объем компрессионной камеры (КК); ρ к – плотность продукта в КК; t – время прохождения продукта через КК; ρ с – плотность продукта в формующем узле; v C

– скорость движения продукта в формующем узле (скорость выхода продукта).

Приняв, что t=2π/ω В , где ω в – угловая скорость винта, получаем

,    (          ) С ∙ С

=                 .

К∙ К∙ К

В выражениях (6) и (8) присутствуют соотношения, характеризующие как соотношение конструктивных параметров ^К = , так и технологических ^С = , где λ – степень уплотнения продукта. С учетом данного факта для выражения (8) имеем

,    ∙ К∙ К

(          )  ∙ С

где t p – время релаксации материала продукта.

Зависимость (8) характеризует кинетику процесса уплотнения продукта через взаимосвязь конструктивнорежимных (D К , L К , R, r, v C ) и технологических (λ) параметров.

С целью обоснования оптимально-рациональных значений параметров пресс-гранулятора проведены экспериментальные исследования с использованием тыквенного продукта, взятого в качестве связующего витаминного, и зерновых компонентов, содержащих белки и углеводы, характеристика которых [4] приведена в таблице.

Размерные характеристики зерна ( х ±т, р <0,05)

Культура (сортовая смесь)	d, мм	L, мм	R, мм	r, мм	αо	h, мм
1	2	3	4	5	6	7
Пшеница "° 1	2,0-3,0	5,0-6,0	-	-	-	-
Ячмень шелушенный \---"°	3,0-4,0	5,0-7,0	-	-	-	-
Овес	3,0-4,0	10,0-13,0	-	-	-	-

Окончание табл.

1	2	3	4	5	6	7
Кукуруза V I	-	-	8,0-10,0	1,0-2,0	45,0-60,0	4,0-5,0
Соя I	5,0-7,0	5,0-11,0	-	-	-	-

В результате эксперимента получены эмпирические позиции через конструктивные параметры компрессион-зависимости (рис. 3), характеризующие кинетику процес- ной камеры – D к и L к .

са уплотнения продукта в виде белково-витаминной ком-

Рис. 3. Зависимости давления Р в компрессионной камере от ее диаметра D к и длины L к : P=f(D k ) и P=f(L k )

Анализ данных зависимостей показывает, что оптимально-рациональное значение показателя Р=0,5 МПа, которое определяется значениями параметров: D к = 85 мм и L к = 135 мм.

Проведенные исследования положены в основу создания технологии приготовления корнеклубнеплоднозерновых продуктов в виде полых гранул и брикетов цилиндрической формы (рис. 4 и 5).

Производственной проверкой, проведенной в ООО «МиС Агро» Серышевского района Амурской области, установлено, что разработанный пресс-гранулятор в составе линии (рис. 5) обеспечивает получение качественных гранул и брикетов с их прочностью не ниже требуемой Пр = 93–95 %.

Экспериментом установлено, что оптимальными параметрами рабочего процесса пресс-гранулятора на приготовлении полых гранул и брикетов являются: λ=1,5–2,2, D К =60–65 мм, L К =100–110 мм, l c=40–50 мм и ω В =10–11 с^-1 при Q СГ =0,0427 кг/с.

Рис. 4. Принципиальная технологическая схема приготовления гранулята на основе корнеклубнеплодно-зерновых композиций

Рис. 5. Конструктивно-технологическая схема линии по производству корнеклубнеплодно-зерновых гранул:

1 – тыква (ККП); 2 – загрузочное устройство; 3 – бункер измельчителя; 4 – роторное измельчающее устройство;

5 – бункер агрегата; 6 – распределитель; 7 – шнековое загрузочное устройство;

8 – пресс-гранулятор; 9 – бункеры-дозаторы; 10 – лоток; 11 – сушилка; 12 – гранулят затаренный

Выводы

• 1.    На основе принятой структурной схемы приготовления гранулированно-брикетированных продуктов кор-неклубнеплодно-зернового состава теоретическим путем

• 2.    Экспериментальным путем обоснованы оптимально-рациональные значения диаметра компрессионной камеры и ее длины.

были получены аналитические зависимости, характеризующие кинетику рабочего процесса пресс-гранулятора содержащего компрессионную камеру и компрессионно-формующий узел.

Полученные зависимости и значения параметров позволяют использовать их при проектировании технологии и технических средств для производства качественных гранул и брикетов. Разработанный пресс в составе предложенной линии имеет высокую эффективность работы, подтвержденную проведенной производственной проверкой.