Определение рациональных режимов работы пресс-гранулятора при производстве амидоминерального гранулированного свекловичного жома

В состав амидоминерального гранулированного свекловичного жома входит, свекловичный жом, меласса, карбамиды и соли микроэлементов.

This is an open access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International License

Получение амидоминерального гранулированного свекловичного жома поможет решить ряд задач развития сельского хозяйства и защиты экологии окружающей среды.

По своему химическому составу – сухой свекловичный жом это: около 45% целлюлозы, и около 50% веществ на основе пектина. Содержание протеина – около 2%, сахаров – до 0,7%. Влажность не превышает 14%. прочая доля приводиться на зольные и минеральные элементы, а также органические кислоты и витаминоподобные соединения.

Основным применением представляется – использование его в кормовых целях выкармливания КРС и остальных животных. По уровню питательности, он сопоставим с силосом кукурузы. Между тем, кормление сухим свекловичным жомом особенно уместно в сочетании с прибиоти-ками. Это необходимо ввиду того, что в нем содержится большое процентное наличие клетчатки.

При процедуре гранулирования к сухому свекловичному жому может быть добавлена меласса и другие добавки. Эта позволяет значительно улучшить кормовую питательность продукта.

Материалы и методы

Для исследования взаимодействия различных факторов, влияющих на процесс гранулирования амидоминерального свекловичного жома, применяются математические методы планирования эксперимента. Математическое описание данного процесса может быть получено эмпирически. При этом его математическая модель имеет вид уравнения регрессии, найденного статистическими методами на основе экспериментов.

Математическая модель изучаемого процесса представлена в виде полинома второй степени:

n  nn

Y = b 0 + 1^ + у ь_йх 2 Y p j XXj    (1)

i=1             i=1           i < j где bо – свободный член уравнения, равный средней величине отклика при условии, что рассматриваемые факторы находятся на средних, «нулевых», уровнях; X – масштабированные значения факторов, которые определяют функцию отклика и поддаются варьированию; bij – коэффициенты двухфакторных взаимодействий, показывающие, насколько изменяется степень влияния одного фактора при изменении величины другого; bii – коэффициенты квадратичных эффектов, определяющие нелинейность выходного параметра от рассматриваемых факторов; i, j – индексы факторов; n – число факторов в матрице планирования.

Выбираем следующие основные факторы, влияющие на процесс гранулирования амидоминерального свекловичного жома:

x 1 – зазор между вальцом и матрицей, м;

x 2 – расход пара в пресс-гранулятор, кг/т; x 3 – количество поданного продукта, т/ч; x 4 – количество введённой мелассы,% Все эти факторы не коррелируемы между собой. Пределы изменения исследуемых факторов приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Пределы изменения входных факторов

Table 1.

Limits of change in input factors

Условия планирования Planning conditions	Кодированное значение Coded value	Значения факторов в точках плана Values of factors in the points of the plan
		Х 1	Х 2	Х 3	Х 4
		δ м,	F , кг/т	Q , т/ч	γ,%
Основной уровень | Basic level	0	403	1,15	20	2
Интервал варьирования | Variation interval	Δ	15	0,175	15	0,5
Верхний уровень | Top level	+1	418	1,325	27,5	2,5
Нижний уровень | Lower level	-1	388	0,975	7,5	1,5
Верхняя «звездная» точка | Top "star" point	+2	433	1,5	35	3
Нижняя «звездная» точка | Lower "star" point	-2	373	0,8	5	1

Результаты и обсуждение

Выбор интервалов изменения входных факторов обусловлен технологическими условиями процесса гранулирования амидоминерального свекловичного жома, а также технико-экономическими показателями процесса [3].

Критериями оценки влияния входных факторов на процесс гранулирования амидоминерального свекловичного жома являются: y1 – удельные энергозатраты процесса гранулирования, отнесенные на 1 т, (кВт×ч) / т; y2 – крошимость гранул,%.

Выбор критериев оценки y обусловлен их наибольшей значимостью для процесса гранулирования амидоминерального жома. Так, y 1 определяет энергоемкость процесса и является важным показателем в оценке его энергетической эффективности, y 2 определяет крошимость гранул процесса гранулирования. Программа исследования была заложена в матрицу планирования эксперимента.

Для исследования применяем центральное композиционное ротатабельное униформпланирование и полный факторный эксперимент ПФЭ 24. Число опытов в матрице планирования для четырех входных параметров равно 32. Порядок опытов рандомизировали посредством таблицы случайных чисел, что исключает влияние неконтролируемых параметров на результаты эксперимента. При их обработке применяем следующие статистические критерии: Кохрена, Стьюдента, Фишера [4]. В результате получаем нелинейные уравнения регрессии, описывающие данный процесс:

Y = 105,2 + 0,95 X - 1,8558 X ₂ - 0,6775 X ₃ -

• - 1,9875 X ₄ - 0,06667 X 2 + 0,08333 X 2 -      (2)

• - 0,1041 X ₃ ² - 0,06667 X 2

• Y₂ = 22,2 + 0,4612 X - 0,63 X ₂ - 0,3445 X ₃ +

  + 1,3804 Х₄ + 0,02062 ХХ + 0,02062 ХХ -     (3)

  - 0,0826 Х 2 + 0,0298 Х 2 - 0,0576 Х 2 + 0,0298 Х 2

Анализ уравнений регрессии (2) и (3) позволяет выделить факторы, влияющие на рассматриваемый процесс. На критерии оценки наибольшее влияние оказывает количество введённой мелассы, наименьшее – количество поданного продукта. Причем знак «плюс» перед коэффициентом при линейных членах указывает на то, что при увеличении входного параметра значение выходного параметра увеличивается.

Степень влияния параметров относительно друг друга в уравнении:

b : Ь 2 = 0,51; b : b 3 = 1,4; b : b 4 = 0,47;

b : b = 0,36; b : b = 0,34; b : b = 0,93. ( )

Степень влияния параметров относительно друг друга в уравнении b :b = 0,73;b :b = 1,338; b :b = 0,33;

b : b = 0,55; b : b = 0,249; b : b = 0,45 ( )

Полученные уравнения нелинейные.

В результате выполнения тридцати двух опытов получена информация о влиянии факторов и построена математическая модель процесса, позволяющая рассчитать удельные энергозатраты и крошимость гранул внутри выбранных интервалов варьирования входных факторов.

На рисунках 1–4. показаны кривые равных значений выходных параметров, которые несут смысл номограмм и представляют практический интерес.

Рисунок 1. Кривые равных значений удельных энергозатрат от зазора между вальцом и матрицей δ, м и количеством поданного продукта в пресс-гранулятор, Q , т/ч: 1–100; 2–101,25; 3–102,5; 4–103,75; 5–105; 6–106,25; 7–107,5; 8–108,7; 9–110

Рисунок 2. Кривые равных значений удельных энергозатрат от расхода пара F , кг/т и количеством поданного продукта в пресс-гранулятор, Q , т/ч: 1–100; 2–101,25; 3–102,5; 4–103,75; 5–105; 6–106,25; 7–107,5; 8–108,75; 9–110

Figure 1. Curves of equal values of specific energy consumption from the gap between the roller and the matrix δ, m and the quantity of the product fed into the press granulator, Q, t/h : 1–100; 2–101,25; 3–102,5; 4–103,75; 5–105; 6–106,25; 7–107, 5; 8–108,75; 9–110

Figure 2. Curves of equal values of specific energy consumption from steam consumption F, kg/t and the amount of product fed into the press granulator Q, t/h : 1–100; 2–101,25; 3–102,5; 4–103,75; 5–105; 6–106,25; 7–107,5; 8–108,75; 9–110

Рисунок 3. Кривые равных значений крошимости от зазора между вальцом и матрицей δ, м и количеством поданного продукта в пресс-гранулятор, Q т/ч: 1–19,5; 2–20,25; 3–21; 4–21,75; 5–22,5; 6–23,25; 7–24; 8–24,75; 9–25,5

Рисунок 5. Номограмма для определения удельных энергозатрат y 1 и крошимости y 2 в зависимости от расхода пара и количества поданного продукта в пресс-гранулятор

Figure 5. Nomogram for determining specific energy consump-tion y 1 and crumbling y 2 depending on the steam consumption and the amount of product fed into the press granulator

Figure 3. Curves of equal values of crumbling from the gap be-tween the roller and the matrix δ, m and the amount of product fed into the press granulator, Q , t/h: 1–19,5; 2–20,25; 3–21; 4–21,75; 5–22,5; 6–23,25; 7–24; 8–24,75; 9–25,5

Рисунок 4. Кривые равных значений крошимости от расхода пара F , кг/т и количеством поданного продукта в пресс-гранулятор, Q , т/ч: 1–19,5; 2–20,25; 3–21; 4–21,75; 5–22,5; 6–23,25; 7–24; 8–24,75; 9–25,5

Figure 4. Curves of equal values of crumbling from steam con-sumption F , kg/t and the amount of product fed into the press granulator, Q , t/h: 1–19,5; 2–20,25; 3–21; 4–21,75; 5–22,5; 6–23,25; 7–24; 8–24,75; 9–25,5

Q.m/ч

Рисунок 6. Номограмма для определения удельных энергозатрат y 1 и крошимости y 2 в зависимости от зазора между вальцом и матрицей и количества поданного продукта в пресс-гранулятор

Figure 6. Nomogram for determining specific energy consumption y 1 and crumbling y 2 depending on the gap between the rollers and the matrix and the amount of product fed into the press granulator

Задача оптимизации сформулирована следующим образом: найти такие режимы работы пресс-гранулятора, которые бы в широком диапазоне изменения входных параметров процесса гранулирования. На рисунках 1–4 представлены зависимости удельных энергозатрат и крошимости от входных параметров. удельных энергозатрат и максимум.

Общая математическая постановка задачи оптимизации представлена в виде следующей

В результате были получены рациональные интервалы изменения параметров:

модели:

q = q(Y i , Y 2 ) _{x e D} >  opt;

D : Y ₁( X ₁, X ₂, X ₃, X ₄)

x e D

min

Y ₂( X ₁, X ₂, X ₃, X ₄)

x e D

max;

x = (0,2_0,4)-10-4 м x2 = 56...62 кг / т x3 = 10...12 т / ч x4 = 2...10 %

Y i >  0, i = 1,2; X j < [ - 2;2 ] , j = 1,4

Согласно критерию оптимизации для принятия окончательного решения по выбору оптимальных режимов исследуемого процесса была решена компромиссная задача (таблица 2).

Рисунок 7.  Зависимость удельных энергозатрат от входных параметров.

Figure 7. The dependence of the specific energy consumption on the input parameters.

Рисунок 8. Зависимость влагонапряжения сушильного барабана от входных параметров.

Figure 8. The dependence of the moisture voltage of the drying drum on the input parameters.

Таблица 2.

Оптимальные интервалы параметров

Table 2.

Optimal parameter intervals

Y i	x 1 , м		x 2 кг/т		x 3 , т/ч		x 4 ,%
	min	max	min	max	min	max	min	max
Y 1	0,2^10-4	0,4^10-4	56	62	11	12	2	6
Y 2	0,2^10-4	0,4^10-4	59	62	10	12	6	10

Для проверки правильности результатов был поставлен ряд параллельных экспериментов. Полученные результаты попадали в рассчитанные доверительные интервалы по всем критериям качества. При этом среднеквадратичная ошибка не превышала 5,4%.

Для интенсификации процесса гранулирования и повышения качества готового материала, предложена конструкция пресс-гранулятора с возможностью подачи пара непосредственно к месту контакта материала и прессующего ролика, а также возможностью регулирования силы прижатия прессующих роликов к материалу.

Рисунок 9. Конструкция пресс-гранулятора с подводом пара и устройством регулирования силы прижатия ролика к материалу: 1-ролик; 2-направляющая роликов; 3-форсунка для ввода пара; 4-разгрузочный патрубок; 5-загрузочное устройство; 6 – дверца; 7-ручка; 8-вал; 9-стойка; 10 – перфорированный барабан; 11-прижимная площадка; 12-пружина

Figure 9. The design of a press granulator with steam supply and a device for regulating the force of pressing the roller to the material: 1-roller; 2-roller guide; 3-steam nozzle; 4-discharge nozzle; 5-loader; 6-door; 7-handle; 8-shaft; 9-post; 10-perforated drum; 11-pressure platform; 12-spring.

Пресс-гранулятор работает следующим образом.

Материал подаётся в загрузочное устройство 5 и попадает в рабочую зону гранулятора, которая состоит из корпуса 13 и перфорированного барабана 10 .

При попадании продукта на поверхность барабана, он форсунками для ввода пара размягчается, и роликами 1 продавливается через отверстия барабана, после чего по разгрузочному патрубку 4 выводится из пресс-гранулятора.

Рабочим органом пресс-гранулятора являются ролики, которые установлены на валу 8 , и приводятся в вращение под действием привода.

Для очистки и промывки пресс-гранулятора имеется дверца 6 , а для установки имеется стойка 9 .

Пресс-гранулятор отличается тем, что:

• 1)    имеет направляющие 2 по которым с помощью пружин 12 определяется усилие на материал роликами, так что пружина сжимается при большой загрузке материала, позволяя ролику прокатом сначала выровнять слой продукта, а далее выдавить его через отверстия в барабане. Пружины зафиксированы на прижимных площадках 11 .

• 2)    В корпус барабана вмонтирована форсунка пара, которая впрыскивает пар непосредственно в слой продукта перед воздействием ролика на продукт.

Заключение

Предложенная модель пресс-гранулятора позволит улучшить качество продукта и снизить энергозатраты при производстве гранул.