close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

bd000102624

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Щ^.
Харченко Галина Михайловна
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО
ПРОЦЕССА ОЧИСТКИ СОЕВОГО МАСЛА И ОБОСНОВАНИЕ
ПАРАМЕТРОВ Ф И Л Ь Т Р У Ю Щ Е Й Ц Е Н Т Р И Ф У Г И
Специальность 05.20.01 - технологии и средства механизации сельского
хозяйства
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата сельскохозяйственных наук
Барнаул - 2005
Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном
учреждении высшего профессионального образования «Дальневосточный го­
сударственный аграрный университет»
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор
Жирков Александр Борисович
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор
Земсков Виктор Иванович
кандидат технических наук,
Грищенко Михаил Петрович
Ведущее предприятие:
О А О Амурсоя г. Благовещенск
Защита диссертации состоится «15» декабря 2005 г., в 15 часов на засе­
дании диссертационного совета Д 220.002.04 при Ф Г О У В П О «Алтайский го­
сударственный аграрный университет» по адресу: 656049, г. Барнаул, про­
спект Красноармейский, 98.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Алтайского государ­
ственного аграрного университета.
Отзыв на автореферат диссертации, заверенный гербовой печатью, про­
сим направлять по адресу: 656049, г. Барнаул, проспект Красноармейский, 98,
отдел аспирантуры.
Автореферат разослан 12 ноября 2005 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
А.К. Бец
гшъ
Общая характеристика работы
Актуальность темы. Соя - одна из старейших сельскохозяйственных
культур в мировом земледелии, играет важную роль в решении проблем дефи­
цита белка в питании людей и животных. Семьдесят процентов всей выращи­
ваемой сои в России приходится на дальневосточный регион.
Соевое масло является ценнейшим высокобелковым продуктом с боль­
шим содержанием питательных веществ, витаминов, минеральных солей, неза­
менимых аминокислот.
Основной проблемой питания в мире является недостаток белка. В Рос­
сии это одна из острейших проблем. С 1993 года в нашей стране снизилось по­
требление мяса, рыбы, овощей, фруктов, молока - основных источников белка,
витаминов, микроэлементов, незаменимых кислот.
Для дальневосточного региона задача полного использования местных не­
традиционных ресурсов приобретает особое значение, так как климатические
условия определяют повышенную потребность в биологически активных веще­
ствах, которыми богаты соевые бобы.
В последние годы дефицит пищевых белков в России усугубляется об­
щим снижением платежеспособного спроса населения.
Однако фермерские хозяйства Амурской области, имея избыток соевого
зерна, на сегодняшний день испытывают недостаток специального малогаба­
ритного оборудования для производства и очистки соевого масла.
Все это требует поиска прогрессивных, экономически целесообразных
малоэнерго- и маломатериалоемких способов очистки соевого масла в фермер­
ских хозяйствах и малых предприятиях.
Поэтому совершенствование технологии очистки соевого масла, а также
создание технических средств, обеспечивающих тонкую очистку соевого масла
в фермерских хозяйствах и малых предприятиях, является актуальной задачей.
Это позволит значительно снизить затраты на его очистку.
Актуальность выбранного направления подтверждается соответствием
данной темы разделу Федеральной профаммы по научному обеспечению АПК
России: «Научное обеспечение агропромышленного комплекса на 2001 - 2005
годы». Работа выполнялась по плану НИР Дальневосточного государственного
аграрного университета в период с 1996 г. по 2005 г.
Цель исследования. Повышение эффективности технологического про­
цесса очистки соевого масла путем изыскания оптимальных режимов фильт­
рующей центрифуги и обоснование ее параметров.
Задачи исследования
1. Обосновать
необходимость совершенствования технологического
процесса тонкой очистки соевого масла.
2. Разработать более совершенную технологическую схему очистки
соевого масла и обосновать основные параметры фильтрующей центрифуги.
3. Провести экспериментальную проверку теоретических исследований и
обосновать конструктивно-технологические параметры фильтрующей цен­
трифуги.
4. Дать технико-экономическую оценку эффрк-1нипиии^1}!^снологического
РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ
процесса очистки соевого масла.
БИБЛИОТЕКА
СП*
•9 Щ) •*
Научная гипотеза состоит в том, чтобы полностью удалить из соевого
масла механические и другие нежировые примеси по новой безотходной техно­
логии очистки в одном техническом средстве - вертикальной конической
фильтрующей центрифуге.
Объект и предмет исследования. Объектом исследования является тех­
нологический процесс тонкой очистки соевого масла.
Предмет исследования ^ закономерности тонкой очистки соевого масла с
помощью вертикальной конической фильтрующей центрифуги в зависимости
от конструктивно- технологических параметров.
Методы исследований. В диссертации использованы аналитические и
экспериментальные методы исследования. Для решения поставленных задач
использовались методы теоретической и технической механики, методы рещения дифференциальных уравнений. При экспериментальном исследовании
применялись методы планирования эксперимента, факторного корреляционнорефессионного анализа, а при обработке результатов исследований ~ методы
математической статистики, использовались профаммы Math C A D , Microsoft
Excel 2003, Statistika 5,5.
Достоверность результатов. Достоверность проведенных исследований
обеспечивается сходимостью результатов теоретических и экспериментальных
исследований. Для сравнения использовался критерий сходимости Фишера.
Научная новизна. На основе анализа существующих способов очистки
соевого масла и конструктивно-технологических схем выявлено перспективное
направление в создании новой фильтрующей центрифуги для тонкой очистки
соевого масла.
Впервые получены экспериментальные зависимости оценочных показате­
лей фильтрующей центрифуги от ее конструктивно-технологических парамет­
ров в виде математических моделей процесса очистки соевого масла.
Предложена формула по определению выхода соевого масла в процессе
тонкой очистки соевого масла с помощью вертикальной конической фильт­
рующей центрифуги.
Разработаны технические условия на соевое масло
Т У 9141-00100493238-05.
Научно-техническая новизна экспериментальной фильтрующей центрифу­
ги для тонкой очистки соевого масла подтверждена патентом Российской Ф е ­
дерации № 2108169 от 10 апреля 1998 года.
Практическая значимость работы. Предложенные в диссертации теоре­
тические предпосылки и экспериментальные исследования процесса тонкой
очистки соевого масла положены в основу создания экспериментального образ­
ца вертикальной конической фильтрующей центрифуги, которая позволяет
полностью удалить механические и другие нежировые примеси соевого масла.
Результаты исследований могут быть использованы конструкторскими
организациями при выборе технологических и конструктивных параметров
при проектировании фильтрующих центрифуг для тонкой очистки соевого мас­
ла.
Внедрение результатов работы. На основе результатов исследований
создана фильтрующая центрифуга. Экспериментальный образец фильтрующей
центрифуги испытан в лаборатории ДальГАУ и сдан в эксплуатацию в крестьянско-фермерское хозяйство Садигова Э.Ф. Амурской области.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной
работы доложены, обсуждены и одобрены на научно-практических конферен­
циях профессорско-преподавательского состава Дальневосточного государст­
венного аграрного университета (г. Благовещенск 1996-1998 гг. 2002 - 2005 гг.)
и Амурского государственного университета (2005 г.), на расширенном заседа­
нии кафедр «Механизация А П К » и «Механизация и лесоэксплуатация»
ДапьГАУ в 2005 г.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в сборни­
ках научных трудов ДальГАУ, А м Г У и Всесоюзного научно- исследовательско­
го института сои. По результатам выполненной работы опубликовано 6 печат­
ных работ, в том числе один патент на изобретение.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из
введения и пяти глав: состояния вопроса и задач исследований, теоретического
исследования процесса очистки соевого масла в фильтрующей центрифуге, ме­
тодики экспериментальных исследований, результатов экспериментальных ис­
следований, технико-экономической оценки результатов исследований, заклю­
чения, списка использованной литературы и приложений. Общий объем рабо­
т ы изложен на 175 страницах компьютерного текста, включая 3 приложения, 48
рисунков, 23 таблицы. Список использованной литературы состоит из 160 ис­
точников, в том числе 18 на иностранных языках.
Содержание работы
Во введении изложена актуальность работы, ее цель, показаны объект
и предмет исследований, раскрыта научная новизна и практическая ценность
результатов работы.
В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследований» изложены
общие сведения о семенах сои и соевом масле, дана их органолептическая и фи­
зико-химическая характеристика, а также характеристика процесса очистки со­
евого масла.
Обзор научных исследований технологических схем и рабочего процесса
машин для разделения дисперсных систем, выполненных Н.Н. Липатовым,
В.Д. Луневым, Н.М. Личко, А.Г.Касаткиным,
Г.Д. Кавецким, В.А Жужиковым , Ю.И. Дытнерским, Е.П. Кошевым, С И . Копейковским , Н.Н. Малаховым
и др., показал, что этими авторами процесс разделения дисперсных систем изу­
чен неполно. Патентный поиск за последние 10 лет показал, что процесс тонкой
очистки соевого масла от механических примесей многостадийный и сложный,
требует больших затрат и специальных исследований. В настоящее время нет
технического средства для тонкой очистки сырого соевого масла, а на сущест­
вующих центрифугах невозможно осуществить тонкую очистку масла от меха­
нических и других нежировых примесей.
Для реализации выдвинутой гипотезы, в соответствии с поставленной це­
лью, были определены задачи исследований.
Во второй главе «Теоретические исследования процесса тонкой очистки
соевого масла на фильтрующей центрифуге» выведены дифференциальные
уравнения движения механических примесей соевого масла по конической по­
верхности фильтрующей центрифуги, а также уравнения движения неочищен­
ного соевого масла через фильтрующий элемент центрифуги, цеолит. Процесс
очистки соевого масла от механических примесей в фильтрующей центрифу-
re описывается теорией относительного движения вязкой жидкости, а также
теорией относительного движения материальной частицы в сопротивляющейся
среде.
В качестве математической модели исследуемого процесса рассмотрено
относительное движение механических примесей по конической поверхности,
вращающейся вокруг неподвижной оси симметрии с постоянной угловой ско­
ростью (рис.1).
Рассмотрим относительное движение материальной частицы М по кони­
ческой поверхности фильтрующей центрифуги, вращающейся вокруг непод­
вижной оси симметрии Oz с постоянной угловой скоростью О). На механиче­
ские примеси соевого масла действуют сила тяжести
G = mg,
(1)
где т - масса частицы; g - вектор ускорения свободного падения,
g=9,8lM/c^; N - нормальная реакция; F - сила сопротивления движению.
В соответствии с общей теорией относительного движения необходимо
ко всем действующим силам добавить переносную Фп^р и кориолисову Ф^„р си­
лы инерции. Дифференциальные уравнения относительного движения соевого
масла составляем на основе закона
п
ma = Y^F^^ F„^p + F^,,^ ,
*=/
где а - относительное ускорение частицы;
л
^ f)j - сумма всех действующих на частицу сил.
*=;
В нашем случае
Y^F^ =G + N + F.
k=l
Движение механических примесей по конической поверхности будет
описываться следующими дифференциальными уравнениями в проекциях
на оси локальной системы координат Мгвср:
mr = -mgCos0i,+тг(ф + аУ Sin'e„ + F^,
(3)
mrSind,, ф= -2тг(ф+со)8шв„
+ F,,
(4)
N =rngSind,,+ тг(ф + т)' 8тв„Сохв„
(5)
Сила сопротивления движению F может иметь составляющую трения
Fi, пропорциональную нормальной реакции N (коэффициент пропорцио­
нальности / - коэффициент трения, зависит от формы частицы и условий ее
контакта с конической поверхностью) и направленную в сторону, противо­
положную относительной скорости частицы, а также составляющую вязкого
сопротивления F j , направленную также противоположно относительной
скорости частицы и пропорциональную квадрату этой скорости (коэффици­
ент пропорциональности // - коэффициент сопротивления среды, зависит от
формы частицы, вязкости среды).
Таким образом, F = Fi+ F2, при V^0:
(2)
F =-fN
t
F
^г'+г'ф'8т'в„
'
=-/?V^=I£S^_
''
^г'+г'ф'8т%
'
(6)
^2г = -И Г, р2^ = -^^ гф8тв„.
Уравнения (3), (4), с учетом (5), (6), представляют собой дифференци­
альные уравнения движения соевого масла по конической поверхности
фильтрующей центрифуги. Это два дифференциальных уравнения второго
порядка относительно неизвестных функций r(t), (p(t) , определяющих поло­
жение соевого масла на конической поверхности в каждый момент времени
/. Начальные условия вида r{tn)^ro, (p(to)=(pn, r(t„) = r,,, ф(1д) = ф,^ опреде­
ляют соответствующее единственное рещение, если при этом нормальная
реакция неотрицательна, N > О , и относительная скорость не обращается в
ноль, V;^0.
Рис. 1. Расположение зон движения механических и других нежиро­
вых примесей соевого масла по конусу центрифуги
Механические и другие нежировые примеси соевого масла будут на­
ходиться в состоянии относительного покоя некоторый промежуток времени
(выпадают в осадок), если в это время выполняются условия:
V=0,
\F,\<fN.
(7)
Последнее неравенство, с учетом (Ъ')-( £"), дает условие:
-/(mgSineo+mrco^ БтвоСозво) <-mgCoseo+ "tra/ Sin^e,, <
<f(mgSine„+mrci/ SindoCosffo),
или систему двух неравенств
g(Cos0„ -fSinffo) <ro/ 8тво (SinOo + fCosdo),
(8)
rof Sm9o (8шво-/Сохво) < gfCosdo +/Зшво).
(9)
Анализ неравенства (8) показывает, что при C/g^o</cкoльжeниe частицы
вниз из состояния относительного покоя невозможно ни при каких значени­
ях г, со Если Ctgffn >f, то состояние относительного покоя возможно только
на некотором удалении частицы от оси вращения, а именно при условии
rsшв„>^^^^^^^.
(10)
Анализ неравенства (9) показывает, что при/Og^o >1 скольжение ме­
ханических примесей вверх из состояния относительного покоя невозможно
ни при каких значениях г, а EcswifCtgeo"^ Л то состояние относительного
покоя механических примесей соевого масла возможно только в некоторой
окрестности оси вращения, а именно при условии
8
,w„<4^^^^^^.
со'
(II)
l-JCtg9„
Таким образом, в общем случае коническая поверхность может иметь
три зоны (рис.1). В зоне 1 первоначально покоящаяся частица (относительно
вращающегося конуса) может только скользить вниз по направлению к вер­
шине конуса. В зоне 2 состояние относительного покоя сохраняется неофаниченно долго. В зоне 3 первоначально покоящаяся частица может толь­
ко скользить вверх по направлению от вершины конуса. Наличие и размеры
этих зон зависят от геометрических и динамических ( ю , / ) параметров ко­
нической поверхности.
В частности зона 1 может вырождаться в точку, зона 3 отсутствовать, а
зона 2 заполнять всю коническую поверхность.
Практически зона 3 является зоной подъема механических примесей
соевого масла к краю свободной поверхности соевого масла.
При установившемся движении в области фильтрования между обе­
чайками скорости механических примесей соевого масла не имеют состав­
ляющей по нормали к конической поверхности и являются функциями толь­
ко координаты г, то есть
V =V(r).
V=0,
V
=V(r).
Тогда из условия несжимаемости (последнее уравнение системы (5) вы­
текает
г V^Sine,) = const,
или
К=Я,
(12)
г'
С - некоторая константа; О-'го <r<ri; /-«, ri - значения координаты г,
определяемые размерами зон перфорации на внутренней и внешней
обечайках.
Из выражения (12) следует, что в зоне фильтрования скорость жидкости
в радиальном направлении F^ уменьшается обратно пропорционально квад­
рату расстояния до вершины конуса. При этом не исчезает составляющая F,,
вследствие наличия кориолисовых сил инерции в относительном движении.
Рассмотрим движение элементарного объема соевого масла Ли - усе­
ченного конического элемента опоясывающего кольца высотой Az-Ar-Cosdo,
толщиной 1(1расстояние между обечайками), соответствующего дуге
где
длиной Л(р-г8'шво, и массой
Лт=р-Ли
=р-1-г81пво-Со8во-Лг-Л(р-, поднимаю­
щегося вверх со скоростью V через фильтрующий слой между обечайками.
В плоскости осевого сечения конуса (рис. 2) на него действуют объем­
ные силы - сила тяжести G-Amg и переносная сила инерции F„"^,c проекци­
ей (F"
)^=Лтсо ^rSinOo, поверхностные силы - нормальные реакции обечаек
Ni, N2, силы давления соседних слоев жидкости Р/, Рг, а также обобщенная
сила сопротивления F= -a-V, включающая в себя силы вязкого сопротивле-
ния и силы сопротивления фильтрующего материала (а - обобщенный ко­
эффициент сопротивления).
/г
Рис. 2. Схема движения элементарного объема соевого масла
усеченного конического элемента
Уравнения фильтрования соевого масла запишутся в виде:
Атг = -AmgCose„ + Лт(ео + ф/г8ш'в„ +(Р,- Р,)Со8в„ - а К ,
Лтг8тв„ф=-2Лтг(ф+со)8тв„
-aV^.
(13)
Для получения максимального выхода очищенного соевого масла не­
обходимо выполнять следующие условия:
- процесс фильтрации является непрерывным и установившимся, при
этом жидкость заполняет все пространство между обечайками;
- зона перфораций на внешней обечайке представляет собой коническое
кольцо, соответствующее условиям в= во, го<г <ri;
- отверстия распределены равномерно по зоне перфорации и отношение
их общей площади к площади зоны перфорации характеризуется коэффици­
ентом к;
- процесс фильтрации подчиняется линейному закону Дарси с коэффи­
циентом фильтрации X, У^ХЛР (V - скорость фильтрации на данном участке
фильтрующего слоя, ЛР - пьезометрический перепад давлений).
Считая, что давление на внешней обечайке совпадает с давлением на
внутренней обечайке, определим выход соевого масла как интефал по всей
области перфорации:
W = \kpVdS
= \кр'
= ]крХЛР2ж
Л( g(z„
rSin в„dr =
- rCos в„)
= 2л kp'ASin
9„(g(z,~-
= 2л kpUSin
вJ
g(z„
+ jr'co
^Cos
'Sin 'в, )2я
в„)
rSin в „dr =
■¥ j-^<»
' ^ ^ - ^ - '"' ~ ''" Cos e„)+
2
J
'Sin
'0J
''' "" '"' 0) 'Sin
о
'в„)
Ha рисунке 3 приведены графики зависимости функции массового выхо­
да W очищенного соевого масла от числа оборотов п=2п(о '60 (с"') центрифу­
ги, размера d (м) фильтрующего элемента, высоты h (м) фильтрующего слоя в
исследуемых диапазонах значений соответствующих переменных.
10
а)
W , кг/мин
8
б)
W,Kr/MMH
3^
2^5
1^
л
0,75
14Й
в)
162
178
I/O
194
ч162
146
l:d-0,006M;h-0,lM;
2:а=0,006м;К=0,2м;
3:d-0,0lM;h-0,3M.
3: d - 0 , 0 0 6 M ; h - 0 , 3 M .
о;з
7^
0^--
5
од--
2^
-(-
1Й2
-4-
_|П,
209
-+-
178
194
1/с
0002
0004
000<
1 : п-20 9 I / O
1 : d=0,002 м; h-ОД м;
2:d=0,002M;h=0,2M;
3:d=O,OO2M;h=0,3M.
W , кг/мин
; Н - О Д м;
3 : п=20 9 1/с
;Ь=0,Зм.
W,Kr/ мин
1
г
2-
л
1О 004
1 : п= 178
О 006
I/O
2 : п-178
1/с
3 : п=178
1/с
0008
d,M
001
l i " 0 , l м;
h-0,2 м;
h-0,3 м.
001
; h=0,2 м;
3-
о 002
d,M
000S
2 : n=2Q9 1/с
4-]
1/с
209
1: d=0,01 м; h-ОД м;
W , K r / мин
10 т
д)
194
2 : d-0,01 м; h=0,2 м;
W,Kr/MHH
0,4т
14Й
п,
17S
—"^Х"^-—1—
0002
0004
0006
1
0008
1 d,M
<
001
1 ; n-14fi l / o
;Ь=ОД м;
2 : n-146
1/с
; h-=0,2 м;
3: n-146
1/с
;h-0,3M.
II
^)
„^
'
W,Kr/MMH
8т
W,Kr/MMH
3fi^
-/"
м
2-
01
015
02
1: n=20 9 1/c
2: n=178
1/c
3: n=14 6 l / c
и)
025
-I h, м
03
01
015
02
1: n-20 9 l / o
;
d=Ci,OlM;
;
d-Ci,OlM;
2: n=178
;
d-0,OlM.
3 : n=14 6 1/c
l/o
0 25
h, м
03
d-0,006 M ;
d=0,006 M ;
d=0,006 M
W , кг/мин
0,4
о;з
д
0^
0,1
01
015
-+02
-+-
025
h, м
03
1 : п=20 3 1/с
;а=-0,002м;
2: п-178
I/O
;d-0,002M;
3:rF=146 1/c
;d-0,002M.
Рис. 3. Графики зависимости функции массового выхода W очищенного со­
евого масла от числа оборотов п центрифуги, размера d фильтрую­
щего элемента, высоты h фильтрующего слоя
Анализ данных зависимостей показывает, что выход соевого масла су­
щественно увеличивается с ростом числа оборотов центрифуги я (рис.3 а - в),
с увеличением размеров частиц фильтрующего элемента d (рис. 3 г - е), и
уменьшается с ростом толщины фильтрующего слоя А (рис. 3 ж - и).
Исследовано движение неочищенного соевого масла в конической цен­
трифуге. Установлено, что при установившемся движении форма свободной
поверхности представляет собой параболоид вращения. Определено критиче­
ское значение угловой скорости, при котором начинается срыв частиц жидко­
сти на краю свободной поверхности. Построена математическая модель цен­
тробежного фильтрования соевого масла, включающая в себя известный ли­
нейный закон фильтрования Дарси. Получена формула для расчета выхода со­
евого масла при центробежном фильтровании в центрифуге Установлено, что
выход соевого масла прямо пропорционален ширине кольцевой зоны перфора­
ции внешней обечайки, квадрату угловой скорости, коэффициенту фильтрова­
ния.
В третьей главе «Программа, методика исследований и обработка экспе­
риментальных данных» изложены профамма и объект экспериментального ис-
12
следования, предложена новая безотходная конструктивно-технологическая
схема тонкой очистки соевого масла, методика проведения экспериментальных
исследований, описана экспериментальная установка, методика обработки
данных, полученных по результатам экспериментальных исследований.
Была разработана и изготовлена экспериментальная фильтрующая цен­
трифуга, которая была использована для проведения предварительных и мно­
гофакторного экспериментов (рис.5).
Технический результат изобретения заключается в улучшении качест­
ва тонкой очистки соевого масла. Этот результат достигается тем, что в
предложенной центрифуге для очистки масла, включающей установленный
на валу ротор, состоящий из двух вертикально и концентрично расположен­
ных обечаек, имеющих перфорацию, образующих между собой кольцевую
полость, заполненную фильтрующим
веществом, цеолитом, и сборники
очищенной жидкости, обечайки выполнены конусообразными. Внутренняя
обечайка 5 имеет перфорацию в нижней ее части, а наружная обечайка 6 в верхней части, причем перфорация выполнена до середины обечаек.
Верхняя часть внутренней обечайки и нижняя часть наружной обечайки
выполнены сплошными. Соевое масло подается в полость ротора 4. Ротор
приводится во вращение от привода 8. Соевое масло через перфорацию
внутренней обечайки в нижней части поступает в кольцевую полость и
распределяется в слое цеолита и движется вверх к перфорации верхней
части наружной обечайки 6.
Фильтрующее вещество, цеолит, имея зернисто-пористую структуру,
способен задерживать тонкие механические и другие нежировые примеси. Это
явление объясняется тем, что при центробежном фильтровании соевого масла
свободное сечение капиллярных каналов внутри пористой среды уменьшается
за счет адсорбции коллоидных частиц и осаждения механических, белковых
примесей, фосфолипидов, красящих веществ за счет сил межмолекулярного
сцепления на стенках этих каналов. Очищенное соевое масло отводится в его
сборники.
Коническая форма ротора с углом наклона образующих 22° позволяет
создать достаточной длины траекторию движения очищаемой жидкости ,
при которой обеспечивалось бы необходимое качество очистки. Конструк­
ция ротора обеспечивает эффективную тонкую очистку соевого масла и
возможность проведения очистки в фильтрующем режиме.
В момент подачи масла сверху в фильтрующую центрифугу включался
секундомер и фиксировалось время очистки соевого масла.
Очистку соевого масла проводили при максимальных, средних и мини­
мальных значениях числа оборотов ротора центрифуги, толщины слоя фильт­
рующего вещества и размера частиц фильтрующего вещества .
Размер частиц фильтрующего вещества, цеолита, определяли с помощью
ситового анализа набором сит.
13
Рис. 5. Схема экспериментальной установки центрифуги
1 - корпус центрифуги ; 2 - сборник очищенного масла ; 3 - вал;
4 - перфорированный ротор; 5 - внутренняя обечайка;
6 - наружная обечайка; 7 - фильтрующий материал (цеолит);
8 - электродвигатель
Толщину фильтрующего вещества, находящегося в обечайках ротора
центрифуги, определяли с помощью линейки.
Очищенное соевое масло взвещивали на весах В Л Т Э -500 с погрешностью
измерения 0,1 г для определения содержания механических и других нежировых
примесей , а также кислотного числа соевого масла.
При проведении эксперимента определяли выход соевого масла, кислот­
ное число соевого масла, содержание механических и других нежировых при­
месей по известным методикам.
Частота вращения ротора центрифуги определялась при помощи тахо­
метра ТЧ-10-Р с погрешностью измерения 1 с"'. Вариацию частоты вращения
ротора центрифуги осуществляли за счет трехкратной замены шкивов на при­
воде электродвигателя центрифуги.
В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований и их
анализ» изложены результаты исследования наиболее значимых факторов,
влияющих на процесс тонкой очистки соевого масла и получены математиче­
ские модели, описывающие данный процесс.
При проведении экспериментальных исследований было применено ор­
тогональное планирование второго порядка. Это позволило аппроксимировать
изучаемую поверхность отклика полиномом второй степени.
Значимость коэффициентов регрессии рассчитывалась по критерию
Стъюдента путем нахождения доверительного интервала для того или иного
коэффициента рефессии. Гипотеза адекватности модели второго порядка про­
верялась с помощью F-критерия Фишера.
Результаты измерений обрабатывались методами вариационной статисти­
ки и теории вероятностей с использованием электронных таблиц Microsoft
Excel 2003 из пакетов Microsoft Offise 2003.
14
Проведено обоснование оптимальных конструктивно-технологических
параметров фильтрующей конической центрифуги.
После реализации плана многофакторного эксперимента и статистической
обработки опытных данных, получена модель процесса тонкой очистки соевого
масла на фильтрующей центрифуге. Для определения оптимальных конструк­
тивно-технологических параметров фильтрующей центрифуги путем содержа­
тельного анализа был выделен ряд факторов, влияющих на критерии оптимиза­
ции: п - X] - частота вращения ротора, с '; h - Хг - толщина фильтрующего ве­
щества центрифуги, мм; d - Хз - размер частиц фильтрующего материала, мм.
Для оценки изучаемого объекта были выбраны три критерия: У| - массо­
вая доля механических и других нежировых примесей ( % ) ; Уз - кислотное
число (мг К О Н / г ) ; У з - выход соевого масла (кг/с).
Для каждого опыта матрицы планирования были определены качествен­
ные показатели и выход соевого масла. Для обоснования оценки влияния фак­
торов были рассчитаны рефессионные уравнения второго порядка.
После отсеивания статистически незначимых коэффициентов методом ша­
говой регрессии получили в кодированной форме следующие уравнения рег­
рессии. Для определения массовой доли механических примесей :
У, = 0,1- 0,01Х|- 0,01x2+ 0,0275x3-0,015х,Х2 - 0,055x2^ .
(14)
Для определения кислотного числа соевого масла:
Уз = 0,448 + 0,1468x2+ 0,2329хз + 0,1296 х, Х2+ 0,1762 х, хз+
+ 0,1774x2X3+ 0,423х|'.
Для определения выхода соевого масла:
(15)
Уз = 2,075+ 0,5817x1-0,4542x2+ 0,3269хз+ 0,2225 х,Х2 - 0,125 х,Хз+
+ 0,0942 Х2Хз - 1,0583x2^.
(16)
Проверка нулевой гипотезы (Т ц,^ = <т „„^„ Нп. моделей(14), (15), (16)
осуществлялась с помощью расчетного значения критерия Фишера:
F„ =
где
R^
N-k
"'Tl-^'
R - коэффициент .множественной корреляции;
к - число коэффициента в модели;
Л' - число опытов;
Расчетное значение критерия Фишера сравнивали с табличным значением
при выбранной доверительной вероятности (PD) для проверки значимости раз­
личия между дисперсией адекватности и дисперсией воспроизводимости. При­
нимали гипотезу о значимости коэффициентов модели, если FK> Fj.
Анализ коэффициентов уравнений показал закономерности, отражающие
влияние факторов на качество очистки и выход соевого масла. Чем больше раз­
мер частиц цеолита в фильтрующем материале (хз), тем больше выход соево­
го масла (Уз), но в нем больше механических примесей (У;) и его кислотное
число (Уг). Увеличение толщины слоя фильтрующего материала (хг) увеличи­
вает кислотное число соевого масла (У2) при уменьшении общего выхода со­
евого масла (Уз) и снижения содержания механических примесей (У|). Чем
15
больше число оборотов ротора (Х|), тем больше выход соевого масла (Уз) и
меньше содержание механических и других нежировых примесей (У]).
Поверхности отклика математической модели процесса тонкой очистки со­
евого масла исследованы с помощью двумерных сечений, в результате чего изу­
чены свойства и получены оптимальные интервалы значений конструктивных и
технологических параметров.
При анализе влияния факторов в процессе тонкой очистки соевого масла
на фильтрующей центрифуге большую наглядность дают поверхности от­
кликов У| , Уг и Уз (рис. 6 - 14). Так как полученные уравнения все трехфакторные, поэтому от исходных уравнений регрессии переходили к уравнениям с
двумя факторами, оставляя один из факторов на постоянном уровне.
Рассмотрим совместное влияние толщины фильтрующего слоя и размера
частиц при фиксированной частоте вращения ротора Xi=0,55(195 с ').
Для определения массовой доли механических примесей;
У|(Х| = 0,55) =0,0945- 0,01x2 + 0,022хз - 0,055x2^
(17)
Для определения кислотного числа соевого масла:
У2(х, = 0,55) = 0,576+ 0,218x2+ 0,233хз+0,177х2Хз.
(18)
Для определения выхода соевого масла:
Уз(Х| = 0,55) = 2,395 - 0,332x2+ 0,647хз+0,094 X2X3 - 1,058x21
(19)
Существенную нелинейность дает толщина фильтрующего слоя (хг) в
массовой доле механических примесей и выходе соевого масла. Для получения
определенного кислотного числа следует учитывать совместное влияние тол­
щины фильтрующего слоя и размера частиц (х2Хз). На основании анализа се­
чений поверхности отклика можно заключить, что при стабилизации факто­
ров Х| = 0,55(195с''):
1) наименьшее число механических примесей (У|= 0,010 % ) получим
(рис.6) при увеличении толщины слоя фильтрующего материала хг = 1 (300 мм)
и уменьшении размера частиц хз = -1 (2 м м ) ;
1^ ^
"^ 7i
*'>»Х110И)12ХЭ|
---'^ /
/ /
// //
\ \
10
-01
Yl-t(X1-0 5SX2X3)
/
^Ш
■■
аш
^Ш
f "3
( J3
Е^
^Ш
М
0017
0 027
0 037
0 047
О 057
0 067
0 077
0 087
0 097
Рис. 6. Сечение поверхности отклика У] на плоскость Х2 Хз и поверхность
отклика У] при Xi = 0,55
2) наименьшее кислотное число (У2 = 0,206 мг КОН/г) имеем (рис. 7)
при минимальных значениях толщины фильтрующего слоя и размере час­
тиц фильтрующего вещества Х2 = Хз =-1 (хг = 100 мм, Хз=2 м м ) ;
16
3) наибольший выход соевого масла (Уз= 2,799 кг/мин) получим (рис.8)
при максимальном размере частиц фильтрующего материала x^ =1(6мм) и
Х2=-0,25 то есть при толщине фильтрующего слоя 175 мм.
y?-f(X1=055X3X3)
\
\
Y2=f(X1=0 55X2X3)
\
\
'"Ч,
\
\
\\
\
\
\
"v.
\
"---
^0384
^0466
^0546
^ 0 6 3
£13 0712
IIZI07M
^0в7в
^0958
^ 1 0 4
0 712
- 0794
авте
Рис. 7. Сечение поверхности отклика Уг на плоскость Х2 Хз и поверх­
ность отклика Уз при Х) =0,55
Х1«ид1)а1
\ \
\
\
\
^
\
У
' 11
/
Y3=f(X1=0 54 Х2 ХЗ)
/
/ /
/
/
/ //
V/
/ /
—
^Ш
^О
tmia
CZU
cr:!
^Ш
^Ш
^т
^ И
0518
0 771
1 025
1 279
1 S33
1 786
204
2294
2S48
2в01
Рис. 8. Сечение поверхности отклика У^ на плоскость Хг Хз и поверхность
отклика Уз при х, =0,55
Рассмотрим совместное влияние частоты вращения ротора центрифуги и
размера частиц фильтрующего материала при фиксированной толщине слоя
материала хг = - 0,25 (175мм).
Для определения массовой доли механических примесей:
У,(Х2= - 0,25)= 0,099 - 0,01x1 + 0,0275хз- 0,015 х,Хз .
(20)
Для определения кислотного числа соевого масла:
У2(Х2=-0,25) = 0,411 -0,032х|+0,189хз + 0,176х,хз+0,423х|'
(21)
Для определения выхода соевого масла:
Уз(х2= - 0,25) = 2,122-0,526x1 + 0,303хз- 0,125х,х,.
(22)
Для улучшения качества очистки соевого масла следует учитывать суще­
ственное совместное влияние частоты вращения и размеров частиц (X1X3). К и ­
слотное число соевого масла (Уг) в большей степени определяется правильно
выбранной частотой вращения ротора центрифуги (Х|). На основании анализа
17
сечений поверхности отклика, можно заключить, что при стабилизации фак­
тора Х2 = - 0,25 (175 мм):
1) наименьшее содержание механических примесей (У|=0,067 % ) будет
(рис.9) при хз=- 1 (2 мм) и при изменении Х| .[-У,- 0,25], то есть
частоте вращения ротора от 147 до 170 с'' ;
Y1=t(X1X2^-025X3)
Y1=«X1X2=^25X3)
10 074
I 0 082
I 009
d ]
О
О
■
■
■
■
0105
0113
0121
0128
0136
0144
above
Рис. 9. Сечения поверхностей откликов У| на плоскость Х| хз и по­
верхность откликов V i при Х2 = - 0,25
2) наименьший размер частиц фильтрующего материала хз= -1 (2мм)
является предпочтительным (рис.10) для получения наименьшего кислотно­
го числа Уг при частоте вращения ротора в интервале Xi _[0,1; 0,3], то есть
от 181 до 187 с ' ;
ГМХ1Д2--0г5ДЗ)
Y2-f{X1 Х2=-0 25 ХЗ)
1
, Сечения поверхностей откликов Уг на плоскость Х]Хз и поверх­
ность откликов Уг при Х2 = - 0,25
3) наиболее возможный выход (Уз= 2,83 кг/мин) соевого масла при очи­
стке на фильтрующей центрифуге {рис.11) при значениях
Xi = Хз = 1
(Х|=209с''и х з = 1 0 м м ) ;
18
УЭИ(Хи(2-Ч)25ЛЗ)
^
1 733
^Ш 1 Вв4
хт 7ам
CI3 2 185
^
233в
^
2 4Я/
^
гвЭ8
Рис. 11. Сечения поверхностей откликов Уз на плоскость XiX^ и поверх­
ность откликов У ) при Х2 =- 0,25
Совместное влияние толщины фильтрующего слоя и частоты вращения
ротора центрифуги при фиксированном значении размера частиц фильтрующе­
го материала Хз = - 0,22 (5,12 мм) находим из следующих уравнений:
Для определения массовой доли механических примесей:
У,(хз = - 0,22) = 0,094 - 0,007х| - 0,01x2 " 0,055x2^.
(23)
Для определения кислотного числа соевого масла:
У2(хз = -0,22) = 0,397 - 0,039х,+ 0,108x2+ 0,1 Зх,Х2+ 0,423х,^.
(24)
Для определения выхода соевого масла:
(25)
Уз(хз = -0,22) = 2,003 +0,609х| - 0,475x2+ 0,223 XjXj- 1,058x2^
При определенном размере частиц фильтрующего материала на содержа­
ние механических примесей (У;) и выход соевого масла (Уз) существенно влия­
ет в сторону уменьшения значений толщина слоя фильтрующего материала
(хг), то есть чем больше толщина фильтрующего слоя, тем меньше содержание
механических примесей в масле и общий выход масла. На кислотное число в
большей степени влияет число оборотов ротора центрифуги. На основании
анализа сечений поверхности отклика, можно заключить, что при стабилиза­
ции фактора Хз = -0,22 (5,12 мм);
1) наименьшее значение механических примесей У1= 0,022 % может быть
(рис.12) получено при максимальных значениях числа оборотов ротора цен­
трифуги Х| = 1 (209 с'') и Х2= 1 (300 м м ) ;
vi-txDc^o::!
-4X1 X2JC3--0 22)
^Л 0029
^Л ООЭб
^Ш 0044
^ 0 051
L_J 0 0S8
L J OOee
^
0 071
■■ ooe
■ i 0 087
^Л
0094
Рис. 12. Сечение поверхности отклика У| на плоскость \\Х2 и поверхность
отклика У1 при Хз =-0,22
19
2) наименьшее значение кислотного числа У2= 0,272 мг КОН/г может быть
получено (рис. 13) при минимальной толщине слоя фильтрующего материала
Х2=-1 (100 мм) и частоте вращения ротора xi=0,2 (184 с"');
':«^)'ix:x3»J3^:
1i
'
\
'
/
' 1/
i ' ;
1 /
1
(
' "
/
/
Y2"I(X1 Х2 ХЗ--0 22)
\ \^
\ . \
\
\
\
\
\
\
;
—
—
-
0409 3
0 4 ' в ■.
С544
D612
06в
0 747
0515
:ввз
^ 0 343
! ■ 0411
Ю 0 478
Ш 0546
_ J 0 013
Э 0 681
^ 0 74в
Н ОЙ1в
■ 0 883
■ 0 951
Рис. 13. Сечение поверхности отклика Уг на плоскость Xi Хги поверхность
отклика У2 при хз = - 0,22 (d==5,12 мм)
I ) максимально возможный выход соевого масла (Уз= 2,627 кг/мин) можно
получить (рис. 14) при максимальной частоте вращения ротора центри­
фуги xi = 1 (209 с'') и толщине слоя фильтрующего материала \2= - 0,1
(190 мм).
VJ=flXl Х2ХЗ--022)
Рис. 14. Сечение поверхности отклика Уз на плоскость XiXi и поверхность
отклика Уз при Хз =-0,22(d=5,12 мм)
Поверхности отклика математической модели процесса тонкой очистки со­
евого масла исследованы с помощью двумерных сечений, в результате чего изу­
чены свойства и получены оптимальные интервалы значений конструктивных и
технологических параметров.
На рисунке 15 представлены зависимости размера частиц фильтрующего
материала, числа оборотов ротора центрифуги и высоты фильтрующего слоя от
выхода соевого масла, полученные экспериментальным и теоретическим путем.
20
W, кг/мин
W,Kr/M4H
0002
0004
0006
a) n=146 1/c
0008
a 1/c
d.M
001
116
162
178
194
209
6) d=0,006M;h-0,3Mi
; h=0,3 M.
W,Kr/MMH
h, M
013
в) n=14 6 1/c
02
025
03
; d-0,006M.
Рис. 15. Сравнение теоретических и экспериментальных графиков функции в ы ­
хода очищенного соевого масла на вертикальной конической
фильтрующей центрифуге: 1 - теоретический, 2 - экспериментальный
Результаты экспериментальных исследований подтверждают теоретические
исследования
(рис. 15) по
обоснованию
основных
конструктивно
технологических параметров центрифуги и устанавливают взаимосвязь с выход­
ными характеристиками. На основании анализа сечений поверхности отклика и
поверхностей отклика (рис.6-14), а также выполненного математического моде­
лирования, можно заключить, что при следующих конструктивно- технологи­
ческих параметрах вертикальной конической фильтрующей
центрифуги для
очистки соевого масла: xi = 0,55 (п =195 с"'), Хг = - 0,25 (h = 175 мм) и Хз = - 0,22
(d = 5,12 мм), будет получено соевое масло по физико-химическим показателям
(кислотность соевого масла - 0,459 мг КОН/г , массовое содержание меха­
нических примесей - 0,089 % ) соответствующее требованиям Государственно­
го стандарта с максимально возможным выходом соевого масла 80 % .
В пятой главе «Экономическая эффективность использования фильтрую­
щей центрифуги» экономический эффект от внедрения опытной центрифуги в
технологической линии по очистке соевого масла в фермерском хозяйстве «Садигов Э.» составляет 1 259 954 рублей, а срок окупаемости - 1,6 года.
21
ОБЩИЕ В Ы В О Д Ы И РЕКОМЕНДАЦИИ
На основании теоретических и экспериментальных исследований
сделаны следующие выводы:
1. Построена математическая модель фильтрования соевого масла,
включающая известный закон Дарси. Получена
формула для расчета
теоретического выхода соевого масла. Установлено, что выход соевого масла
прямо пропорционален ширине кольцевой зоны перфорации внешней
обечайки, квадрату угловой скорости и коэффициенту фильтрации.
2. Разработана более совершенная безотходная технологическая схема
очистки сырого соевого масла, в одной вертикальной конической фильт­
рующей центрифуге, нетребующая сложного аппаратурного оформления.
3. Впервые разработана и изготовлена
вертикальная
коническая
фильтрующая центрифуга для тонкой очистки сырого соевого масла и по­
лучен патент № 2108169.
4. В результате
исследований
рабочего
процесса фильтрующей
центрифуги
впервые
получены математические модели, устанавливающие
взаимосвязь
критериев с конструктивно-технологическими параметрами
фильтрующей центрифуги. Установлены зависимости выхода соевого масла,
содержания механических и других нежировых примесей , кислотного числа
соевого масла от числа оборотов центрифуги, толщины фильтрующего веще­
ства, цеолита, размеров частиц фильтрующего материала и обоснованы пу­
ти интенсификации процесса очистки на центрифуге.
5. Исследования показали, что
с увеличением
числа
оборотов
центрифуги от 147 до 209 с'', толщины фильтрующего слоя от 175 до 300 мм и
размера частиц фильтрующего слоя от 4 до 6 мм повышается интенсив­
ность очистки соевого масла от механических, коллоидных и других нежировых
примесей, влияющих на качественные показатели соевого масла.
6. Проведенные
исследования
позволили
установить оптимальные
значения конструктивно-режимных параметров разработанной центрифуги,
которые имеют следующие значения:
частота вращения ротора - 195 с ' ' ;
размер частиц фильтрующего материала-цеолита-5,12 мм ;
толщина слоя фильтрующего материала - 175 м м ;
выход соевого масла - 80 % .
7. Результаты теоретических исследований подтверждены эксперименталь­
ными данными. Адекватность модели составляет 0,95.
8. Были
проведены
лабораторные
испытания
в
ДальГАУ
и
производственные - в фермерском хозяйстве Садигова по очистке сырого со­
евого масла в конической вертикальной фильтрующей центрифуге, ре­
зультаты которых подтверждают экономическую
эффективность.
Экономический эффект при тонкой очистке соевого масла в конической вер­
тикальной фильтрующей центрифуге составил 1 259 954 рублей в ценах ок­
тября 2005 года, а срок окупаемости - 1,6 года.
9. Применение конической фильтрующей центрифуги для очистки соевого
масла в сравнении с центрифугой ОГШ-321 обеспечит годовую экономию на
322426 рублей.
22
10. Впервые разработаны технические условия Т У 9141 - 001 - 00493238
- 2005 на соевое масло с использованием новой технологии очистки.
11. Таким образом, благодаря простоте технологии и аппаратурного
оформления тонкой очистки соевого масла, небольшой энерго- и материалоем­
кости используемого технического средства, обладающего оптимальными пока­
зателями надежности (долговечности, безотказности, ремонтопригодности),
обеспечивающими высокую работоспособность, а также наиболее совершенно­
му способу выделения мелких взвешенных частиц в центробежном поле, данная
вертикальная коническая фильтрующая центрифуга превосходит существующие
конструкции и может использоваться также в различных отраслях народного
хозяйства для очистки жидкости.
Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:
1. Доценко, С М . Разработка технологии производства и очистки соевого
масла
для
фермерских
хозяйств[Текст]/ С М . Доценко, Г.М. Харченко,
Ю.Б. Курков //Механизация технологических процессов в животноводстве.- Бла­
говещенск, 1996.-С77-85.
2. Доценко, С М . Классификация устройств для разделения дисперсных
систем [Текст] / С М . Доценко, С В . Вараксин, Г.М. Харченко, В.В. Самуйло // Ме­
ханизация технологических процессов в животноводстве.-Благовещенск, 1997.Ч.1.-С126-132.
3. Доценко, С М . Обоснование параметров фильтрующей центрифуги для
очистки соевого масла [Текст] / С М . Доценко, Г.М. Харченко// Вопросы перера­
ботки сельскохозяйственной продукции. - Благовещенск, 2003,- С. 140 - 152.
4. Харченко, Г.М. Обоснование способа очистки соевого масла и конструк­
тивно-технологической схемы центрифуги [Текст] /Г.М. Харченко // Механизация
и электрификация технологических процессов в сельскохозяйственном производстве.-Благовещенск, 1998.-Вьш.З.-С.56- 59.
5. Харченко Г.М. Определение экономической эффективности при тонкой
очистке соевого масла на фильтрующей центрифуге [Текст] /Г.М. Харченко //
Вопросы переработки сельскохозяйственной продукции. - Благовещенск, 2004.С.80 - 86.
6. Центрифуга для очистки жидкости: пат. 2108169 Рос. Федерация: М П К
В 04 В 3/00, В 04 В 11/00[Текст] /Доценко С М . , Харченко Г.М., Курков Ю.Б; зая­
витель и патентообладатель Благовещенск ДальГАУ - №96110552/13; заявл.
27.05.1996; опубл. 10.04.1998, Бюл. №10.-3 с : ил.
122430
РНБ Русский фонд
2006-4
22813
v^
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
937 Кб
Теги
bd000102624
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа