CC BY
25
УДК 66.021.1
И. Р. Марданова, Н. З. Дубкова, О. В. Иванова, М. Г. Кузнецов
ПЕРЕРАБОТКА ОТХОДОВ ЗЕРНОПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЙ В ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ МЕЛЬНИЦАХ
Ключевые слова: гидродинамические мельницы, мокрое измельчение, средний диаметр, касательные напряжения
Проведено исследование приготовления эмульсий и суспензий из отходов зерноперерабатывающих предприятий в гидродинамических мельницах. Описаны конструкция гидродинамических мельниц и особенности их работы при измельчении. Приводятся результаты исследований тонины помола в зависимости от различных зазоров и размеров впадин диска
Keywords: Hydrodynamic mills, wet grinding, the average diameter, shear stresses.
A study of the preparation of emulsions and of suspensions of waste grain processing enterprises in hydrodynamic mills. The design of mills and hydrodynamic features of their work during grinding. The results of research Tonini grinding depending on the different gaps and sizes of the depressions of the disk.
Производство зерна в России является важнейшей сферой сельскохозяйственного производства, влияющее на степень обеспечения населения продовольствием, уровень развития кормовой базы для животноводства, птицеводства и сырьевой базы для ряда отраслей промышленности.
В период массового поступления зерна перед хлебоприемными предприятиями встает задача размещения, хранения и сортирования отходов. Обычно их размещают на открытых площадках, где они хранятся до подработки и реализации. За это время отходы начинают самосогреваться, теряют свои качества. Часто размещают вместе отходы, полученные от подработки различных культур, с разными влажностью и содержанием полезного зерна, что ведет к частичной или полной потере питательных веществ, содержащихся в них. Если учесть, что отходы по содержанию питательных веществ приближаются к таким зерновым кормам, как ячмень, овес, кукуруза, то их сохранность представляет собой большой практический интерес.
В процессе подготовки продуктов питания определенная часть продукции становится непригодной для потребления человеком. Эти отходы содержат немалое количество питательных веществ, и часть их представляет собой полноценные корма для животных. В результате выработки муки и круп в остатке для кормовых целей используют отруби, кормовую муку, мельничную пыль и другие компоненты от переработки.
При кормлении сельскохозяйственных животных применяют различные кормовые средства. Низкое качество кормов, их несбалансированность по необходимым для животного составляющим рациона повышает затраты на корма в производстве молока, мяса часто в 2 раза научно-обоснованные нормы.
К кормам предъявляются повышенные требования по соотношению и концентрации, прежде всего основных питательных веществ (протеин, углеводы, жир).
В промышленном кормопроизводстве кормовые частицы имеют размеры 600-900 мкм, тогда как величина растительных клеток составляет 20-50 мкм, поэтому при крупном помоле опорные структуры
клетчатки недостаточно разрушаются, что препятствует доступу пищеварительных ферментов желудочно-кишечного тракта животных к основным питательным веществам [1].
Предлагаются физические, механические, химические, микробиологические способы ее разрушения опорных структур клетчатки. В настоящее время лучшими признаны экструзия и экспандирование зерна, при которых происходит разрыв клеточных стенок и высвобождение питательных веществ корма [2]. Однако отруби и зерноотходы в силу особенностей их строения указанными способами не разрушить. Запасы белка зерновых культур содержатся в их оболочке, в так называемом алейроновом слое, отсекаемом с отрубями [3]. Предложено использовать деструкцию клетчатки механическим путем, за счет тонкого помола [4].
Переработка отходов зернового производства путем тонкого помола сырья позволит, с одной стороны изменить принципиальный подход к подготовке и использованию кормов в рационах сельскохозяйственной птицы и моногастричных животных; с другой - способствует решению проблемы рационального использования отходов зернового производства.
Предлагается способ получения кормового продукта из отходов зернового производства (пшеничные отруби, зерноотходы) по технологии мокрого измельчения в гидродинамических мельницах. Разработанные корма способны активно взаимодействовать с гидролитическими ферментами желудочно-кишечного тракта животных за счет увеличения площади контакта «субстрат - фермент» кормовых частиц малых размеров.
Однако процесс измельчения является весьма энергоемким. Так, в ряде источников отмечается, что в настоящее время на измельчение затрачивается около 5-10% производимой в мире электроэнергии. Например, в комбикормовом производстве на измельчение идет до 70 % от всей используемой энергии [5]. Большие энергетические затраты объясняются низким КПД технологического оборудования — измельчителей.
Перспективным направлением интенсификации процесса разрушения тел до требуемых размеров является применение мокрого измельчения [6]. В этом случае жидкость служит в качестве диспергирующей среды, которая способствует рассредоточению частиц материала и противодействуют их повторному слипанию. Другая особенность мокрого измельчения — появление в жидкости касательных напряжений, которые становятся сопутствующими, наряду с основным, факторами процесса разрушения частиц и способствуют повышению степени измельчения.
Гидродинамические мельницы мокрого помола достаточно давно показали свою эффективность при измельчении твердых материалов малой и средней твердости в потоке жидкости. Однако в силу своей универсальности они могут применяться и для изготовления различных эмульсий [6].
Гидродинамическая мельница комбинированного измельчения, исследованная авторами, принципиально состоит из следующих основных узлов: корпуса, ротора, статора (рис. 1). Отдельно колесо 4 и диск ротора 5 изображены на рисунке 2, и диск статора 7 на рисунке 3.
Т
Рис. 1 — Схема конической мельницы мокрого помола: 1 — корпус; 2 — крышка корпуса; 3 — входной патрубок; 4 — колесо ротора; 5 — диск ротора; 6 — прокладка; 7 — диск статора; 8 — выводной патрубок
Грубая суспензия измельчаемого материала различного размера подается через входной патрубок 3 во внутреннюю полость мельницы. В дальнейшем, за счет перепада давлений на входе и выходе мельницы и частично центробежных сил, возникающих при вращении ротора, поток попадает в кольцевой зазор между диском ротора 5 и диском статора 7, а соответственно на их гарнитуру, где происходит процесс измельчения. Готовая суспензия выводится через выводной штуцер 8.
Промышленные мельницы обычно изготовляются многодисковыми, углы наклона зубьев в которой чередуются. Наклон зубьев сделан для увеличения времени пребывания двухфазной смеси в аппарате,
что приводит к увеличению монодисперсности капелек жидкой фазы.
Рис. 2 — Колесо и диск ротора
Рис. 3 — Диск статора
Измельчение в мельнице осуществляется комбинированным способом: резанием гарнитурой и ударами об них, гидродинамическими эффектами в виде касательных напряжений.
Измельчение частиц дисперсной фазы резанием осуществляется при попадании его в гарнитуру дисков статора и ротора.
Частицы дисперсной фазы, продвигаясь вместе с несущей фазой, попадают в кольцевой разор между ротором и статором и затем в канавки ротора. За счет центробежного эффекта, образующегося при вращении ротора мельницы, измельчаемые частички материала отбрасываются в сторону ротора.
При переходе материала с ротора на статор частички пересекают ножевые поверхности и режутся на две частички. При дальнейшем своем продвижении частичка опять выдвигается из канавки ротора до следующего пересечения ножей ротора и статора. Получаемые частички имеют примерно равную длину, так как скорость движения суспензии имеет одинаковую скорость и момент пересечения ножей статора и ротора происходит периодически с определенной частотой, обусловленной их размерами и скоростью вращения ротора.
В конце каждого диска статора проходное сечение канавки статора уменьшается и суспензия, преодолевая центробежные силы, переходит с гарнитуры статора на ротор. В этот момент, измельчаемый материал опять пересекает ножевые поверхности, т.е. осуществляется процесс резания.
Таким образом, на одной ступени, т.е. на одном диске процесс измельчения происходит дважды, на входе на диск и при выходе с него. Лимитирующим
фактором стадии измельчения резанием является кольцевой зазор между ротором и статором, который является неотъемлемым фактором технической конструкции мельницы.
На частички материала, размеры которого соизмеримы с толщиной зазора, перестают действовать срезающие факторы ножевых поверхностей мельницы и начинают оказывать измельчительное влияние касательные напряжения, возникающие в жидкости и ударные нагрузки о зубья гарнитуры.
Проведен теоретический анализ влияния размеров конструкции измельчителя и технологических параметров на гранулометрический состав измельченного материала на основании кинетической модели измельчения, представленной в предыдущей главе.
Для исследования процесса измельчения в качестве измельчаемого материала выбрано предварительно измельченные в дисмембраторе отруби; несущая (диспергирующая) среда - вода при температуре 20ОС. Предварительное измельчение требуется для устранения эффекта забития частичками измельчаемого материала гарнитуры мельницы.
По данным эксперимента кольцевой зазор менялся от 0,1 до 1 мм. Размер впадины меняется от 3 до 7 мм. Остальные размеры менее эффективны либо по технологическим соображениям, либо в связи с трудностями в технологии изготовления. Величина зазора незначительно влияет на скорость движения суспензии вдоль мельницы и величину касательных напряжений.
По проведенным расчетам п<3000 об/мин и Dср< 250 мм при безразмерном зазоре Д+>1 величина касательных напряжений не достаточна для разрушения материала, т.е.
т< [т ]=0,7-0,9 Па (1)
[т ]=0,7-0,9 Па данные [7]
Размер впадины вместе с минимальным диаметром ротора определяет число их на дисках ротора и статора.
Графически результаты исследования представлены на рисунке 4.
g 1.32- _______________________
g 1.30 - ^ --- а=3
g" 1.28-
-
g 1.02-
& 1.00 q-,-1-,-1-.-1-,-,-.-,-1
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
Вешчика зазора
Рис. 4 - Графическая зависимость диаметрамате-риала от зазора
Как видно с увеличением размера впадин, величина среднего диаметра измельченного материала уменьшается. Однако, это увеличение очень незначительно (при разных диаметрах при а1 =3 мм и а2 = 7 мм разница составляет от 16 до 24 %).
Литература
1. Carré, B., A. Idi, S. Maisonnier, J.-P. Melcion, F.-X. Oury, J. Gomez, and P. Pluchard.. Relationships between digestibilities of food components and characteristics of wheats (Triticum aestivum) introduced as the only cereal source in a broiler diet. Br. Poult. Sci. 43.404-415 (2002).
2. Бойко И.А. Биологическая ценность молока при использовании в рационах коров новой витаминно-минеральной добавки / И.А. Бойко, А.А. Шапошников, А.И. Иопа // Экология и здоровье населения: тезисы докладов научно-практической конференции. Пущино, С.280(1998)
3. М. Г. Кузнецов, В. В. Харьков, Н.З. Дубкова Вестник технологического университета. Т. 19. № 20. С. 164166. (2016).
4. М. Р. Вахитов, Е. Г. Хакимова, А. В. Толмачева, М. Г. Кузнецов, А. Н. Николаев, Вестник технологического университета, 18, 20, 57-60 (2015).
5. Завражнов А.И., Николаев Д.И. Механизация приготовления и хранения кормов. Агопромиздат, 1990, 336 с.
© И. Р. Марданова - магистр кафедры оборудование пищевых производств «Казанский национальный исследовательский технологический университет», Н. З. Дубкова - к.т.н., доцент той же кафедры, О. В. Иванова - к.т.н., доцент той же кафедры, М. Г. Кузнецов - к.т.н., доцент той же кафедры, opp-max@yandex.ru;
© 1 R. Mardanova - Candidate for a M, Candidate of Science, Associate Professor, Department of Food Production Equip-ment,aster's degree, Department of Food Production Equipment, KNRTU; N. Z. Dubkova - Candidate of Science, Associate Professor, Department of Food Production Equipment, KNRTU; O. V. Ivanova - Candidate of Science, Associate Professor, Department of Food Production Equipment M. G. Kuznetsov - Candidate of Science, Associate Professor, Department of Food Production Equipment, KNRTU, opp-max@yandex.ru.
