Влияние основных параметров на процесс прессования семян сафлора в ультразвуковом поле

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

• 22                                 БД Agris

  Антипов С.Т. и др.Вестник ВГУИТ, 2019, Т. 81, №. 4, С. 22- Введение

  Одной из актуальных проблем в настоящее время является улучшение структуры питания населения. В последние годы возрос интерес к использованию новых видов зерновых растений, отличающихся от традиционных по комплексу полезных свойств и признаков [1].

  Процесс прессования характеризуется большими удельными затратами энергии, а вопросы рационального расходования топливно-энергетических ресурсов приобретают важное значение.

  Поэтому стоит задача создания и освое-

  
  
  

  Рисунок 1. Зависимость остаточной масличности жмыха сафлора от влагосодержания исходного сырья: 1 – при Z Ж – 2,5 мм, М – 25%; 2 – при Z Ж – 1,0 мм, М – 25%

  Figure 1. Dependence of the residual oil content of safflower cake on the moisture content of the feedstock: 1 – at Z Ж – 2,5 mm, М – 25%; 2 – at Z Ж – 1,0 mm, М – 25%

  
  

ния прогрессивных процессов с применением современных физических методов обработки, проектирования и создания нового оборудования повышенной эффективности.

Вместе с тем представляет интерес изучение процесса прессования в присутствии поля ультразвука и создание оборудования, учитывающего данные свойства. Проведенный анализ показал, что ультразвуковые колебания перспективны в технологических процессах производства растительных масел. Предварительные эксперименты показывают, что ультразвук является эффективным способом воздействия на структуру деформированного сырья с целью улучшения его свойств. Для создания ультразвуковых колебаний в какой-либо технологической среде применяются ультразвуковые колебательные системы. Их назначение заключается в преобразовании электрических колебаний в механические колебания, их усиление и ввод в технологическую среду [1–3, 7, 9, 14].

Материалы и методы

Объектами исследований являлись семена сафлора, сафлоровое масло и жмых. Исследуемые объекты обладают различными физическими и технологическими свойствами, влияющими на процесс прессования, поэтому изучение этих свойств поможет подобрать оптимальные режимы процесса прессования в поле ультразвука, а также разработать конструкцию установки для прессования семян сафлора [7].

На степень прессования семян сафлора большое влияние оказывает влажность начального продукта (рисунок 1). Для повышения выхода масла можно использовать лузгу при добавлении ее к основной массе продукта (рисунок 2). Проводя анализ графических зависимостей, был установлен интервал оптимального влаго-содержания сафлора 8–10%, который обеспечивает минимальную остаточную масличность, следовательно, максимальный выход масла. С целью снижения остаточной масличности возможно добавлять в сафлор лузгу подсолнечника, позволяющую получить сафлоровый жмых с остаточным маслосодержанием в 11% с помощью форпрессования [4, 10, 11].

Рисунок 2. Зависимость остаточной масличности жмыха сафлора от содержания лузги исходного сырья при: 1 – при Z Ж – 2,5 мм, М – 25%; 2 – при Z Ж – 0,8 мм, М – 13%

Figure 2. Dependence of the residual oil content of safflower cake on the content of husks of raw materials at: 1 – at Z Ж –

Рисунок 3. Зависимость частоты вращения шнека от остаточной масличности жмыха: 1 – при L КАМ – 470 мм, Z Ж – 2,0 мм, М – 25%; 2 – при L КАМ – 470 мм, Z Ж – 0,85 мм, М – 25%

Figure 3. Dependence of the screw speed on the residual oil content of cake: 1 – at L КАМ – 470 mm, Z Ж – 2,0 mm, М – 25%; 2 – at L КАМ – 470 mm, Z Ж – 0,85 mm, М – 25%

Результаты и обсуждение

Исследования зависимости условия прессования на характер процесса, и качества получаемого продукта дает возможность глубже оценить и понять физику процесса прессования. Для этого была проделана серия опытов с целью понимания процесса извлечения масла. На основании данных, полученных в ходе эксперимента, были построены основные графические зависимости: зависимость частоты вращения шнекового вала на выход растительного масла (рисунок 3); зависимости давления в камере от размера кольцевого пространства для вывода

Рисунок 4. Зависимость давления в камере от величины зазора для вывода жмыха n = 20 мин^-1; W %: 1 – 10; 2 – 8,5

Figure 4. Dependence of the pressure in the chamber on the size of the gap for the output of cake: n = 20 min^-1; W %: 1 – 10; 2 – 8,5

Проанализировав рисунки 3, 4, можно сделать вывод, что увеличение частоты вращения шнекового вала приводит к возрастанию температуры. Происходит это быстрее для продукта с меньшим влагосодержанием из-за повышения коэффициента трения смеси о шнек и корпус камеры, чем для продукта с большим влагосо-держанием. В ходе эксперимента наблюдалось, что при исходных условиях выход растительного масла увеличивался при понижении влагосодер-жания и уменьшении размера сечения канала вывода масла, кроме того, при понижении частоты вращения. Но для однозначного получения оптимальных параметров рассматриваемого процесса этого недостаточно. Чтобы принять окончательное решение по подбору оптимальных режимов изучаемого процесса, нужно провести серию опытов по распределению влажности, давления и температуры жмыха. При этом частоту вращения шнека принимаем равной 20 мин-1, при данном значении происходит повышение выхода масла. При уменьшении влажности ниже 8% наблюдалось снижение выхода растительного масла из-за повышенной температуры маслопресса, так как происходит “сгорание” масла. Повышение влажности свыше 10% также снижало выход масла, так как лишняя влага затрудняла эффективное сжатие жмыха [1, 8].

Из анализа представленной зависимости (рисунок 4) нами было установлено, что значение величины сечения канала отверстия для вывода масла будет иметь постоянное значение и равно 2,5 мм для режима форпрессования, так как при снижении данного параметра наблюдается значительное уменьшение выхода масла сафлора вплоть до остановки, а при повышении сечения отверстия наблюдается значительный вывод твердой фазы и снижение давления в камере. Проанализировав рисунки 3, 4, нами сделан вывод, что существенное влияние на прессования семян сафлора в поле ультразвука оказывают следующие параметры: величина сечения отверстия для вывода жмыха Z ж , мм, значение частоты колебания излучателя ультразвука f , кГц, значение амплитуды колебания ультразвукового излучателя А , мм. От влияния данных параметров будет зависеть выход масла и его качество. Изучая и анализируя их совместное влияние на процесс прессования, можно определить оптимальный режим прессования [8, 13, 15].

В процессе выполнения эксперимента была поставлена задача – исследовать воздействие основных характеристик на процесс прессования семян сафлора. На рисунке 5 приведены кривые зависимости изменения давления по длине камеры маслопресса.

Из рисунка 5 видно, что величина давления повышается довольно плавно и затем резко увеличивается в доотжимной камере. Это обусловлено тем, что при снижении зазора для вывода масла давление в конусе резко повышается, при этом давление на заключительном витке повышается не так значительно, так как жмых является довольно-таки пластичным продуктом, и градиент давления в нем очень велик. Также распределению величины давления мешает последний виток шнека.

Рисунок 5. Зависимость изменения давления по длине камеры маслопресса ( W = 9%): 1 – Z Ж – 2,5 мм; 2 – Z Ж – 1,5 мм

Figure 5. Dependence of pressure change along the length of the oil press chamber( W = 9%): 1 – Z Ж – 2,5 mm;

2 – Z Ж – 1,5 mm

Из зависимости следует, что в камере до-отжима выход масла максимально затруднен из-за повышения давления прессования, как следствие, происходит закупоривание пор продукта. Именно в камере доотжима необходимо установить ультразвуковой излучатель с целью создания вибрации в слое и образования каналов для дополнительного выхода масла.

Рисунок 6. Зависимость масличности готового продукта от частоты колебаний излучателя: 1 – при n = 15 с^-1; 2 – при n = 20 с^-1; 3 – при n = 25 с^-1

Figure 6. Dependence of the oil content of the finished product on the oscillation frequency of the emitter: 1 – at n = 15 s^-1; 2 – at n = 20 s^-1; 3 – at n = 25 s^-1

Рисунок 7. Зависимость масличности готового продукта от амплитуды колебаний излучателя: 1 – при n = 15 с^-1; 2 – при n = 20 с^-1; 3 – при n = 25 с^-1

Figure 7. The dependence of the oil content of the finished product on the amplitude of the oscillator: 1 – at n = 15 s^-1; 2 – at n = 20 s^-1; 3 – at n = 25 s^-1

Из обработки экспериментов следует, что повышение давления, которое оказывается на продукт в прессе, имеет место быть только при уменьшении эффективной вязкости внутри поверхностного слоя системы, который обеспечивается наложением ультразвуковых колебаний.

На рисунках 6, 7 представлены зависимости масличности жмыха сафлора от частоты f (рисунок 6) и амплитуды колебаний A (рисунок 7) ультразвукового излучателя [4–6, 10].

Проанализировав зависимости на рисунках 6, 7, можно выделить точки перегиба, в них масличность жмыха минимальна при разных значениях амплитуды и частоты колебания.

Наблюдаемая потеря адгезионной взаимосвязи полидисперсной системы (жмыха сафлора) с колеблющейся поверхностью имеет место быть при определенном диапазоне колебаний, который локализуется в небольшом поверхностном слое. Ввиду имеющейся концентрации энергии в граничном слое наблюдается его переход в высокоэластичное состояние. Рассматриваемый слой продукта приобретает отличные от общей массы смеси адгезионнофрикционные характеристики. Снижение пристенного перемещения объясняется миграцией во внешние слои связующего компонента.

Снижение коэффициента внешнего трения о стенку камеры относительно вибрирующего слоя продукта способствует повышению степени проницаемости и равноплотности жмыха сафлора. Наблюдаемое уменьшение масличности на рисунках 6, 7 объясняется большими показателями параметров колебаний, чем резонансный диапазон массы прессуемого материала, который приводит к разрушению пограничного слоя.

Заключение

Предложена численная и графическая процедура оптимизации для прогнозирования оптимального уровня входных факторов и получения максимального выхода масла сафлора по отношению к первоначальной массе сырья в %.

В результате исследований нами были определены оптимальные интервалы входных параметров: частота колебаний f = 25,1–30,9 кГц; амплитуда колебаний A = 31,1–45,0 мм, давление, создаваемое в зеерной камере пресса, Р = 13,6–14,1 МПа [7, 13, 15].