CC BY
36
553^*^Аграрный вестник Урала № 10 (89), 2011
Инженерия Д7
УДК 665.3:532.13
ИЗМЕНЕНИЕ ВЯЗКОСТИ ЭКСТРУДАТА РАПСА В ПРОЦЕССЕ ОТЖИМА МАСЛА (ВЛИЯНИЕ ДАВЛЕНИЯ)1
Е. В. СЛАВНОВ,
доктор технических наук, профессор,
И. А. ПЕТРОВ, аспирант,
С. Д. АНФЕРОВ,
аспирант, Институт механики сплошных сред УрО РАН
614013, г. Пермь, ул. Акад. Королёва, д. 1
Аннотация. Получены зависимости вязкости экстру-дата рапса от скорости сдвига в условиях нагружения образца давлением при разных массовых долях масла. На основании построенных аппроксимирующих зависимостей можно заключить, что экструдат рапса является существенно нелинейной средой, зависимость вязкости которой от скорости сдвига можно описать степенным законом. При этом вязкость его существенно увеличивается в условиях нагружения давлением, уровень которого характерен для процесса экструзии. Отмеченный эффект особенно выражен в области низких скоростей сдвига и зависит от массовой доли масла в образце.
Ключевые слова: экструдат рапса, вязкость, содержание масла, скорость сдвига, давление, отжим масла.
Abstract. Relationships between shear rate and viscosity for the rapeseed extrudate sample loaded under pressure have been obtained for different mass fractions of oil. From these approximate relationships, it follows that the rapeseed extrudate is a significantly nonlinear medium, and the dependence of its viscosity on shear rate can be described by a power law. The viscosity of the extrudate increases substantially with pressure under typical extrusion process conditions. This effect is especially pronounced at low shear rates, and it depends on the mass fraction of oil in the sample. Keywords: rape extrudate, viscosity, oil fraction, shear rate, pressure, oil extraction.
Рапсовое масло является ценным продуктом сельского хозяйства, используемым во многих отраслях промышленности от пищевой до энергетической. Наиболее современным способом механического экстрагирования растительных масел и рапсового, в частности, служит переработка с использованием шнек-прессов.
В процессе шнек-прессовой экструзии происходит разрыв клеточной структуры семядоли, в результате чего жидкая фаза высвобождается из сферосомы в матрицу. Экструдат предлагается рассматривать как двухкомпонентную среду, представляющую смесь жидкости (масла) и деформируемую пористую основу, состоящую в основном из клетчатки. Отжим жидкой фазы изменяет структуру смеси и массовое соотношение между компонентами, в результате чего изменяются реологические и фильтрующие свойства смеси.
Создание конкурентно способного оборудования, нахождение удачных технических решений, определение наилучших технологических режимов связано с моделированием процесса, включая адекватное описание изменения свойств перерабатываемого материала в процессе отжима.
Цель и методика исследования.
Целью представленной работы является определение зависимости вязких свойств рапса, подвергнутого предварительно экструзии, от скорости сдвига и давления при различных массовых долях компонентов.
В качестве исходных образцов в эксперименте был использован экструдат семян рапса, полученный на лабораторном экструдере с диаметром шнека 32 мм, при частоте вращения 2 • П сек -1 (60 об/мин), без внешнего нагрева.
Измерение вязких свойств образцов проводилось на установке, разработанной в Институте механики сплошных сред УрО РАН (г. Пермь) [1]. В измерительном узле установки использована схема ротационной вискозиметрии. Рабочая камера имеет боковые стенки и два диска с фторопластовыми уплотнениями, что позволяет
создавать в рабочей камере необходимое давление. Диски имеют рифления для уменьшения эффекта скольжения исследуемого материала по их поверхностям. Более подробно об установке и методике получения образцов с заданной массовой долей масла изложено в [2].
Образец с остаточным количеством масла помещался в рабочую камеру установки. Задавались гидростатическое поджатие образца в рабочей камере и скорость верхнего диска. В конце поджатия по прибору регистрировалась величина зазора между дисками. В режиме заданных оборотов нижнего диска регистрировались текущие параметры эксперимента: время, угловая скорость верхнего диска, силовой момент на
скорость сдвига, 1/сек
б/д
■с/д-0,44
■с/д- 0,28
-с/д- 0,23
Рисунок 1
Аппроксимирующие зависимости вязкости экструдата рапса, полученные при давлении 3 МПа (цифры соответствуют массовой доле масла в образце)
533^*^ Аграрный вестник Урала № 10 (89), 2011 г
Инженерия
Вид поверхностей образца: слева — со стороны неподвижного диска; справа -
Рисунок 2
■ со стороны подвижного диска
нижнем диске, температура камеры. Затем устанавливали более высокие обороты нижнего диска, и процесс повторялся. Параметры эксперимента с дискретностью 0,8 секунды записывались в память компьютера и в дальнейшем обрабатывались.
Обработка заключалась в том, что по двадцати точкам каждого параметра в установившемся режиме определяется среднее значение и дисперсия. Полученные значения служат исходными данными для определения скорости сдвига и касательных напряжений на внешней окружности дисков [3]. В результате отношение касательных напряжений к скорости сдвига определяет вязкость образца для конкретных условий нагружения. Набор значений вязкости образца при различных скоростях сдвига в выбранном диапазоне определяет кривую течения материала. Вязкие свойства всех исследованных экструдатов обладают сильной нелинейностью по скорости сдвига и с достаточной точностью описываются степенным уравнением Оствальда-де Виля.
При изложении результатов используются полученные подобным образом аппроксимирующие зависимости.
В эксперименте использованы образцы экструдата с массовой долей масла 0,446, 0,28 и 0,234. Эксперимент проводился при комнатной температуре Т = 25°С. Изменения температурного режима в результате диссипативного разогрева не превышали 5-7°С.
Результаты исследований.
Результаты обработки экспериментальных данных, полученных без давления и при давлении 3 МПа на образцах с содержанием массовой доли масла 0,446,
0,28 и 0,234, в виде аппроксимирующих кривых представлены на рис. 1. В литературе встречается мнение, что изменение вязкости от давления для процесса экструзии несущественно, поскольку заметное ее увеличение характерно при достижении давления в тысячу атмосфер [4, 5]. Однако это не всегда соблюдается для дисперсных сред и тем более, когда свойства отдельных компонент сильно отличаются по вязкости.
Рисунок 3
Аппроксимирующие зависимости вязкости экструдата рапса с массовой долей масла 0,28, полученные при различных уровнях давления (цифры соответствуют
уровню давления в МПа)
Рисунок 4
Аппроксимирующие зависимости вязкости экструдата рапса с массовой долей масла 0,28 от уровня давления для различных значений скоростей сдвига (цифры означают величину скорости сдвига в сек-1)
333^ Аграрный вестник Урала № 10 (89), 2011 г.- е - (
Инженерия /Щ
Как видно из графиков, в отличие от случая отсутствия давления [2], когда кривые изменения вязкости от скорости сдвига для образцов с разным содержанием масла можно описать одной зависимостью (на графике кривая б/д), наблюдается значительная разница по вязкости исследуемых образцов при уровне давления характерного для экструзии. Особенно это проявляется при низких скоростях сдвига. Чем меньше массовая доля масла, тем выше вязкость экструдата, так, при скорости сдвига 10 сек -1 она возрастает в 2,5, 4,6 и 10,3 раза, соответственно при массовой доле 0,446, 0,28 и 0,234. Аппроксимирующие кривые зависимости вязкости от скорости сдвига в выбранном диапазоне параметров хорошо описываются степенным законом
/и = К 'у~р(Н -сек/м2)
где // — динамическая вязкость, у — скорость сдвига. Значения коэффициента консистенции К составляют 69000, 162000, 446000, 939000, а показатель нелинейности в 0,825, 0,857, 0,94, 0,946, соответственно для кривых в обозначениях рисунка б/д, с/д-0,44, с/д-0,28, с/д-0,23.
При повышенных скоростях сдвига, выходящих за представленный диапазон, в случае нагружения образца давлением со стороны подвижного диска, несмотря на рифления, образуется поверхность скольжения. Вид поверхностей со стороны подвижного и неподвижного дисков представлен на рис. 2. В измерениях отмечается снижение касательных напряжений. Отмеченный эффект может приводить в практике к нестабильности процесса отжима на повышенных оборотах шнека.
Характер изменения зависимости вязкости от скорости сдвига при различных уровнях давления представлен на рис. 3. Из зависимостей видно, что приращение вязкости с ростом давления нелинейно и отличается при разных скоростях сдвига. В более явном виде это можно проследит на рис. 4. Из кривых следует, что в диапазоне скоростей сдвига 5-15 сек -1 зависимость вязкости от давления с достаточной точностью можно описать экспоненциальной зависимостью
( для у = 5сек-1, цГа_5 = 17200 • е0'54фр;для у = 15сек_1, цГа_15 = 7200 • е0А9'р среднеквадратичное отклонение 0,9834 и 0,9954 соответственно). При больших скоростях можно использовать линейную аппроксимацию.
Рассматривая полученные результаты с точки зрения шнек-прессового отжима, следует отметить, что для создания необходимой напорности шнека процесс следует вести в диапазоне низких скоростей сдвига, где вязкость перерабатываемого материала значительно выше. При работе на повышенных оборотах шнека даже при наличии нарезки на корпусе может образовываться поверхность скольжения, приводящая к снижению касательных напряжений по корпусу и потере напорных характеристик шнека. Количественные оценки технологического процесса отжима могут быть получены в результате математического моделирования с использованием полученных результатов.
Выводы.
Получены зависимости вязкости экструдата рапса от скорости сдвига в условиях нагружения образца давлением при разных массовых долях масла. На основании построенных аппроксимирующих зависимостей можно заключить, что экструдат рапса является существенно нелинейной средой — «жидкой смесью», зависимость вязкости которой от скорости сдвига можно описать степенным законом. При этом вязкость его существенно увеличивается в условиях нагружения давлением, уровень которого характерен для процесса экструзии. Отмеченный эффект особенно выражен в области низких скоростей сдвига и зависит от массовой доли масла в образце.
С точки зрения шнек-прессового отжима полученные результаты говорят о том, что для создания необходимой напорности шнека процесс следует вести в диапазоне низких скоростей сдвига, где вязкость перерабатываемого материала значительно выше. При работе на повышенных оборотах шнека даже при наличии нарезки на корпусе может образовываться поверхность скольжения, приводящая к снижению касательных напряжений по корпусу и потере напорных характеристик шнека.
1 Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 10-08-96069р_урал-а
Литература
1. Славнов Е. В., Судаков А. И., Пепеляева Е. В., Коробов В. П., Трутнев М. А. Способ определения зависимости пищевой ценности биопродукта от параметров физико-механического воздействия на него и устройство для этого: патент № 2408883 РФ // БИ. 2011. № 1.
2. Славнов Е. В., Петров И. А. Изменение вязкости экструдата рапса в процессе отжима масла // Аграрный вестник Урала.2011. № 7.
3. Малкин А. Я., Исаев А. И. Реология: концепции, методы, приложения. СПб. : Профессия, 2007. 557 с.
4. Абдрафиков Р. Н., Полищук В. Ю. К определению реологических свойств комбикормов в процессе их экстру-дирования // Вестник Оренбургского государственного университета. 2004. Вып. 4. С. 139-141.
5. Янков В. И.,. Боярченко В. И,. Первадчук В. П,. Глот И. О., Шакиров Н. В. Переработка волокнообразующих полимеров. Основы реологии полимеров и течение полимеров в каналах. Москва-Ижевск, 2008. 264 с.
