Совершенствование и моделирование процесса пневмосепарирования рушанки подсолнечных семян

Актуальность работы. В настоящее время в РФ переработку семян подсолнечника осуществляют более 200 маслодобывающих предприятий, из которых 14 маслоэкстракционных заводов (МЭЗ) имеют производительность более 1000 тонн в сутки по семенам подсолнечника, 12 заводов перерабатывают от 500 до 1000 тонн в сутки и 75 заводов — более 100 тонн в сутки. Подготовка семян подсолнечника к извлечению масла на большинстве предприятий ведется по типовой схеме рушально-веечного цеха (РВЦ). Обрушивание семян и разделение рушанки осуществляется в рушально-веечном агрегате, состоящем из бичевой семенорушки и семеновеечной машины Р1-МС-2Т, которая включает рассев и пятиканальную аспирационную камеру, где отделяют частички лузги наклонным воздушным потоком с получением ядровой фракции, недоруша, перевея и лузги. На участке контроля перевея и лузги используются семеновеечные машины, при этом рециклический поток перевея в РВЦ составляет около 20% от производительности завода по перерабатываемым семенам, а количество отводимой из производства лузги 15−17%. Основные безвозвратные потери масла с лузгой формируются на этапе разделения рушанки наклонным воздушным потоком в аспирационной камере семеновеечной машины за счет выноса частичек ядра в лузгу, достигающего 1% и более при нормативных потерях не более 0,4%. Только за счет выноса ядра с лузгой на 0,5% сверх норматива МЭЗ производительностью 500 тонн в сутки теряет с лузгой не менее 82,8 тонн масла в год, что в стоимостном выражении составляет 2,48 млн. рублей (при оптовой стоимости 30 рублей за 1 кг масла).

Теоретические основы процесса разделения воздушным потоком зернового сырья, в том числе масличных семян и их компонентов, а так же разработка соответствующего оборудования отражены в работах А. Я. Малиса,.

A.Д. Демидова, А. Б. Демского, В. Ф. Веденьева, Е. В. Семенова,.

B.А. Масликова, В. В. Белобородова и ряда других ученых.

Разработка ресурсосберегающих технических решений по совершенствованию действующего технологического оборудования и создание высокоэффективного пневмосепаратора, обеспечивающие снижение выноса ядра в лузгу и исключение из схемы РВЦ контрольных операций фракций перевея и лузги, основанные на экспериментальном исследовании аэродинамических свойств частиц рушанки семян подсолнечника, процесса их разделения вертикальным воздушным потоком и математическом моделировании стесненного движения частичек рушанки в аэросепараторе, являются актуальными задачами.

Научная работа выполнялась по гос. контракту №П424 «Научное обоснование и разработка ресурсосберегающих технических решений по совершенствованию рушально-веечного цеха маслоэкстракционного завода» (научный руководитель аспирант Глущенко Г. А.) в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 — 2013 годы, по хоз. договору № 6.34.03.03 — 2008 г. «Разработка технологических решений (раздел ТХ) для маслоэкстракционного завода производительностью 1000 т/сутки семян подсолнечника» с ООО «Инпротех» (проектный институт) и при материальной и финансовой поддержке ООО «Экотехпром», которое безвозмездно предоставило промышленный аэросепаратор МКА-400 для проведения исследований.

Цель и задачи диссертационной работы. Цель работы — научно-техническое обоснование процесса разделения фракционированной рушанки семян подсолнечника вертикальным воздушным потоком и совершенствование пневмосепаратора, обеспечивающие снижение выноса ядра в лузгу, исключающие образование фракции перевея и участок контроля лузги в типовой схеме РВЦ.

В соответствии с поставленной целыо сформулированы следующие задачи исследования:

— экспериментально изучить скорость витания компонентов рушанки семян подсолнечника заводской смеси;

— определить в производственных условиях типового РВЦ основные параметры работы семеновеечной машины Р1-МС-2Т — нагрузку по рушанке для каждого раздела пятиканальной аспирационной камеры, ее фракционный и компонентный состав, необходимые для обоснования режимов работы при испытании в стендовых условиях промышленного аэросепаратора МКА-400;

— экспериментально исследовать в стендовых условиях аэродинамические условия работы промышленного аэросепаратора МКА-400 и его усовершенствованную конструкцию;

— экспериментально исследовать процесс отделения лузги из рушанки воздушным потоком в усовершенствованном аэросепараторе в стендовых условиях;

— разработать математическую модель стесненного движения частичек рушанки в приемном устройстве и вертикальном пневмосепарирующем канале аэросепаратора и определить его рациональные конструктивно-технологические параметры;

— разработать методику инженерного расчета аэросепаратора для разделения рушанки;

— разработать технические решения по совершенствованию пневмосепараторов для разделения рушанки и семеновеечной машины Р1-МС-2Т.

Научная новизна. Экспериментально определена средняя скорость витания частичек лузги и ядра рушанки семян подсолнечника заводской смеси, а также сечки, недоруша и масличной пыли. Впервые получены зависимости для расчета средней скорости витания от среднего диаметра частиц лузги и ядра различных фракций.

Выполнены экспериментальные исследования функционирования усовершенствованного аэросепаратора в стендовых условиях. Получена зависимость для расчета потерь полного давления и исследовано влияние основных конструктивно-технологических параметров на эффективность отделения лузги из фракций рушанки воздушным потоком.

Развиты представления о механизме движения частичек рушанки в приемном устройстве и пневмосепарирующем канале с учетом их стесненного движения на основании экспериментальных исследований и разработанной позонной математической модели, учитывающей начальную скорость движения частичек, удельную нагрузку, угол наклона приемного устройства, силы тяжести и трения, а так же аэродинамического сопротивления воздушного потока. Полученные результаты позволили рассчитать среднюю скорость и определить путь, пройденный частичками при стесненном движении в приемном устройстве и вертикальном пневмосепарирующем канале, а также установить рациональные конструктивно-технологические параметры усовершенствованного аэросепаратора.

Математическая модель идентифицирована по собственным экспериментальным данным, которые получены киносъемкой.

Практическая значимость. Разработаны технические решения, новизна которых подтверждена одним патентом на изобретение РФ № 2 397 027 «Пневмосепаратор для отделения аэроуносимых частиц» и двумя патентами на ПМ РФ № 78 794 «Пневмосепаратор» и № 88 020 «Аэросепаратор для отделения лузги».

Показано, что модернизация семеновеечной машины с использованием разработанных технических решений позволяет исключить образование фракции перевея и соответственно исключить участки контроля перевея и лузги из схемы РВЦ.

Разработана методика инженерного расчета аэросепаратора для разделения рушанки, в основу которой положена полученная математическая модель сложного движения частичек рушанки.

Технические разработки (патенты РФ № 2 397 027, № 78 794) соответственно удостоены серебряных медалей на XIV и XV Международном салоне изобретений и инновационных технологий «АРХИМЕД — 2011» и 7.

АРХИМЕД — 2012″ г. Москва. Автор удостоен дипломом 1-й степени и награжден золотой медалыо на краевом конкурсе «На лучшую научную и творческую работу преподавателей, аспирантов и студентов высших учебных заведений Краснодарского края за 2011 г.».

Технические разработки использованы: ООО «Инпротех» (проектный институт) в рабочем проекте маслоэкстракционного завода производительностью 1000 т/сут по семенам подсолнечника для ЗАО «Сорочинский комбинат хлебопродуктов» Оренбургская обл.- ООО «Экотехпром» в предпроектном решении «Разработка технических предложений по реконструкции рушально-веечного цеха» для Усть-Лабинского ЭМЭК ЗАО «Флорентина» и в технических предложениях по реконструкции РВЦ, разработанных в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 — 2013 годы для Бейсугского маслозавода АО фирмы «Агрокомплекс».

На защиту выносятся следующие положения:

— результаты экспериментального изучения скорости витания компонентов рушанки семян подсолнечника современных сортов;

— зависимости для расчета скорости витания фракций лузги и ядра семян подсолнечника;

— результаты исследования работы в производственных условиях семеновеечной машины Р1-МС-2Т — нагрузка по рушанке для разделов пятиканальной аспирационной камеры, ее фракционный и компонентный состав;

— изученные аэродинамические условия работы аэросепаратора и уравнение для расчета потерь полного давления в зависимости от его основных конструктивно-технологических факторов;

— результаты исследования процесса разделения воздушным потоком фракций рушанки семян подсолнечника в усовершенствованном аэросепараторе;

— разработанная математическая модель стесненного движения частичек рушанки в аэросепараторе, позволяющая рассчитать скорость и определить характер перемещения частичек в приемном устройстве и вертикальном пневмосепарирующем канале;

— рациональные конструктивно-технологические параметры усовершенствованной конструкции пневмосепаратора для разделения фракций рушанки;

— разработанные конструкции пневмосепарирующего оборудования, защищенные патентом на изобретение № 2 397 027 «Пневмосепаратор для отделения аэроуносимых частиц» и двумя патентами на ПМ № 78 794 «Пневмосепаратор» и № 88 020 «Аэросепаратор для отделения лузги», а также технические предложения по модернизации семеновеечной машины Р1-МС-2Т.

Результаты исследования вертикального движения частиц рушанки различных разделов в пневмосепарирующем канале аэросепаратора (зона 3).

Исходные данные:

Параметр Раздел.

II III IV V.

Удельная нагрузка, д кг/(ч-см) 8,4 7,6 3,2 5,9.

Средняя скорость воздуха, V, м/с 3,7 3,7 3,2 3,2.

Начальная скорость вертикального движения, ивн, м/с 0,65 0,69 0,8 0,66.

Средний коэф. парусности Кп, м" 2,09 2,1 2,2 2,2.

Поправочный коэффициент, кв 0,95 0,99 1,19 1,06.

Для рушанки П-го раздела п/п Интервал зоны наблюден ия Н, см Время, тв, с Скорость движения частиц на выходе из приемного устройства, и, м/с.

1 2 3 4 иср ^расч.

1 5−10 0,043 0,8 0,97 0,95 0,88 0,9 0,94.

2 10−15 0,099 1,3 0,88 1,24 1,15 1,14 1,17.

3 15−20 0,157 1,56 1,25 1,31 1,48 1,4 1,3.

4 20−25 0,214 1,62 1,53 1,3 1,37 1,46 1,37.

Для рушанки Ш-го раздела п/п Интервал зоны наблюден ия Н, см Время, тв, с Скорость движения частиц на выходе из приемного устройства, и, м/с.

1 2 3 4 иср ^расч.

1 5 — 10 0,043 0,93 1,18 1,05 1,26 1,11 0,99.

2 10−15 0,099 1,35 1,27 1,08 1,21 1,23 1,22.

3 15−20 0,157 1,21 1,39 1,23 1,3 1,28 1,35.

4 20−25 0,214 1,63 1,58 1,42 1,46 1,52 1,42 п/п Интервал зоны наблюден и я Н, см Время, тв, с Скорость движения частиц на выходе из приемного устройства, и, м/с.

1 2 3 4 ^расч.

1 5 — 10 0,043 1,03 0,92 1,24 1,1 1,07 0,98.

2 10−15 0,099 1,31 1,05 0,93 1,12 1Д 1,11.

3 15−20 0,157 1,28 1Д1 1,35 1,22 1,24 1,18.

4 20−25 0,214 1,29 1,16 1,34 1,25 1,26 1,22.

Для рушанки У-го раздела п/п Интервал зоны наблюден ия Н, см Время, тв, с Скорость движения частиц на выходе из приемного устройства, и, м/с.

1 2 3 4 ^расч.

1 5 — 10 0,043 0,74 0,91 0,69 0,86 0,8 0,84.

2 10−15 0,099 1,2 0,98 1,1 0,9 1,05 0,97.

3 15−20 0,157 0,93 1,22 1,02 1,24 1,1 1,05.

4 20−25 0,214 1,31 1,07 1,14 1,08 1,15 1,09.

Для проверки полученной модели движения на адекватность по критерию Фишера рассчитаем дисперсию адекватности по уравнению [124, 125].

0) где т — число параллельных опытов (т=4) — у1 — среднее значение скорости, м/су, — рассчитанное значение скорости, м/сN — число опытов (N=16) — Iчисло параметров в модели (/=3) [126]. = 0,024.

Дисперсию воспроизводимости рассчитывают по уравнениям т ^ ^ хи-ю с=—: — (2) т — 1 N т2.

У*.

ВОС J о2 7=1 И) вое ер д^ «/.

Я2 =0,016 вое ер '.

Тогда критерий Фишера находят из уравнения ]>49 (4> вое ер

Число степеней свободы находят из уравнений = N-1 = 13- (5).

2=М{т-1) = 48. (6).

Табличное значение критерия Фишера на уровне значимости р=0,05 составляет Т7 = 2. кр

Так как ^ <^, то полученная модель адекватно описывает полученные экспериментальные данные на уровне значимости р=0,05.

Начало.

8. />Кп, ин, и ан = g (sin, а — / со5 а) и =.

5 =.

4КП о агс^ у! аН ип йх + и = ип где ^Д-УМ^-ц) л/Ы+л/^яК-^).

5 =.

С/"л/^я.

5 / т ±/и.

Вехр²^Кп ан г +7.

5 + 7.

Конец.

Алгоритм решения уравнений движения в приемном устройстве аэросепаратора к> о 00.

Яо я Й о * со а.

13) а>

Расчет удельных энергозатрат в РВЦ на одну тонну перерабатываемых семян.