CC BY
35
ПРОДОВОЛЬСТВЕННОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ
УДК 51-74:664
Системное проектирование ресурсосберегающей машинной технологии переработки семян рапса
System design resource-saving machine technology of processing colza seeds
Доцент А.В. Журавлев, аспирант А.С. Марухин (Воронежский государственный университет инженерных технологий) кафедра машин и аппаратов пищевых производств, тел. (8473)255-38-96 E-mail: alexjav2@mail.ru
Associate Professor A.V. Zhuravlev, Graduate Student A.S. Marukhin (Voronezh State University of Engineering Technologies) chair of cars and devices of food productions, tel. (8473)255-38-96 E-mail: alexjav2@mail.ru
Реферат. В последние годы в России на фоне прогресса в агротехнике и селекции наблюдается рост посевных площадей под рапс. Рапс улучшает агрофизический и фитосанитарный состав почвы. Рапсовую солому используют как топливо для хозяйственных нужд или сдают предприятиям целлюлозно-бумажной промышленности. Масло рапса поставляется для пищевой промышленности, лакокрасочного производства или бугилизируется для продажи населению. Но самое перспективное применение рапсового масла - производство биотоплива. В последние годы производство биодизельного топлива особенно широко развивается в Европе, в связи с чем значительная доля сырья идет на экспорт. Именно поэтому его производство очень рентабельно. Развитие производства рапса сдерживается рядом факторов, среди которых особое место занимает механизация технологических процессов. Специальных машин для возделывания, уборки и послеуборочной доработки рапса на семена в России не выпускается. Используемая отечественная техника, выпускаемая для производства, сушки и послеуборочной обработки зерна, не совсем пригодна для рапса, так как допускает до 50 % потерь мас-лосемян. Приобретение дорогой импортной техники рядовыми предприятиями весьма затруднительно. Кроме того, в настоящее время очень остро обозначена проблема сбережения энергоресурсов, что требует определенной перестройки во всех отраслях, а также широкого внедрения энергосберегающих техники и технологии. В связи с этим весьма актуальным является проведение исследований с целью дальнейшего совершенствования техники и технологии сушки рапса путем разработки новых способов сушки и конструкций сушилок; повышения эффективности использования действующих типов сушильных аппаратов на основе совершенствования конструкции и режимов работы их отдельных узлов, а также технологии сушки.
Summary. In recent years in Russia against progress in an agrotechnology and selection growth of cultivated areas under a colza is observed. The colza improves agrophysical and phytosanitary structure of the soil. Rape straw is used as fuel, for economic needs or handed over to the enterprises of pulp and paper industry. Oil of a colza is delivered for the food industry, paint and varnish production or butilizirutsya for sale to the population. But the most perspective use of rape oil - production bio - fuels. In recent years production of biodiesel fuel especially widely develops in Europe in this connection the considerable share of raw materials goes for export. For this reason its production is very profitable. Development of production of a colza restrains a number of factors among which the special place is taken by mechanization of technological processes. Special cars for cultivation, cleaning and postharvest completion of a colza on seeds in
<£> Журавлев А.В., Марухин А.С., 2016
Технологии пищевой и пе
ЛПК-прооукты з ±
ывающей промышленности питания, iVe 1, 2016
Russia isn't issued. The used domestic equipment produced for production of drying and postharvest processing of grain isn't absolutely suitable for a colza as allows to 50 % of losses. Acquisition of expensive import equipment by the ordinary enterprises very difficult. Besides, the problem of saving of energy resources that demands a certain reorganization in all branches, and also widespread introduction energy saving equipment and technology is very sharply designated now. In this regard carrying out researches for the purpose of further improvement of equipment and technology of drying of a colza by development of new ways of drying and designs of dryers is very actual; increases of efficiency of use of the acting types of drying devices on the basis of improvement of a design and operating modes of their separate knots, and also technologies of drying.
Ключевые слова: рапс, масличные культуры, биотопливо, новые способы сушки, совершенствование техники.
Keywords: colza, oil-bearing crops, biofuel, new ways of drying, improvement of equipment.
В последние годы в России на фоне прогресса в агротехнике и селекции наблюдается рост посевных площадей под рапс [1]. Рапс улучшает агрофизический и фитосанитарный состав почвы. Рапсовую солому используют как топливо, для хозяйственных нужд или сдают предприятиям целлюлозно-бумажной промышленности. Масло рапса поставляется для пищевой промышленности, лакокрасочного производства или бутилизируется для продажи населению.
Но самое перспективное применение рапсового масла - производство биотоплива. В последние годы производство биодизельного топлива особенно широко развивается в Европе, в связи с чем значительная доля сырья идет на экспорт. Именно поэтому его производство очень рентабельно [1].
Однако развитие производства рапса сдерживается рядом факторов, среди которых особое место занимает механизация технологических процессов. Специальных машин для возделывания, уборки и послеуборочной доработки рапса на семена в России не выпускается. Используемая отечественная техника, выпускаемая для производства, сушки и послеуборочной обработки зерна не совсем пригодна для рапса, так как допускает до 50 % потерь маслосемян. Приобретение дорогой импортной техники рядовыми предприятиями весьма затруднительно [2].
Кроме того, в настоящее время очень остро обозначена проблема сбережения энергоресурсов, что требует определенной перестройки во всех отраслях, а также широкого внедрения энергосберегающих техники и технологии.
Снижение затрат на сушку семян рапса, как самый энергоемкий процесс при его производстве, наряду с повышением интенсивности влагоотдачи рассматривается как важнейшая задача при разработке новых технологий сушки и конструкций сушилок, а также при совершенствовании существующих. Любая модернизация сушилки может быть признана достаточно эффективной, если достигнуто сокращение удельных энергозатрат (при обязательном сохранении качества продукта) [3].
В связи с этим весьма актуальным является проведение исследований с целью дальнейшего совершенствования техники и технологии сушки рапса путем разработки новых способов сушки и конструкций сушилок; повышения эффективности использования действующих типов сушильных аппаратов на основе совершенствования конструкции и режимов работы их отдельных узлов, а также технологии сушки; проведения мероприятий, направленных на снижение удельных затрат энергии на процесс сушки.
На основании результатов исследования было разработано оригинальное машинно-аппаратурное оформление технологической линии переработки семян рапса (рис. 1) [4].
V 1 Технологии пищевой и перерабатывающей промышленности ЛПК-продукты здорового питания, № 1, 2016
Для системного и функционального анализа ресурсосберегающей машинной технологии линии переработки семян рапса целесообразно воспользоваться операторным моделированием. Принимая за элементы технологической системы технологические операции, можно представить её в виде операторной модели (рис. 2).
Технологическая линия работает следующим образом: исходные семена рапса, поступая с поля, попадают в бункер-накопитель 1 (рис. 1), из которого небольшими партиями направляются на взвешивание в автоматических порционных весах 2. Далее семена из промежуточных накопителей 3 подаются на первичную очистку в магнитный сепаратор 4 для удаления металлопримесей, а затем в воздушно-ситовой сепаратор 5 для удаления органического сора и зерновой примеси, которые собираются в накопителе 6. Сепараторы, работающие на первой очистке, должны снимать не менее 25 % от общего количества сора в семенах при содержании минерального сора до 1 %, органического - до 5 % и не менее 35 % при содержании минерального сора до 1 %, органического - более 5 %.
После этого семена подаются в камнеотборник 7, где из них удаляют минеральные примеси в накопитель минеральных отходов 8. Воздух из воздушно-ситового сепаратора 5, загрязненный пылью и остатками зерновой примеси, отводится центробежным вентилятором 26 в циклон 28, где проходит грубую очистку и направляется в рукавный фильтр 29 для тонкой очистки. Предварительно очищенные семена рапса с помощью нории 9 подаются в промежуточные накопители 10 и далее на сушку.
Сушка семян рапса производится в сушильном комплексе, основной единицей оборудования которого является вихревая СВЧ-сушилка 14, использующая принцип закрученного потока теплоносителя и многократно интенсифицирующая процесс сушки. Поток теплоносителя (воздуха) нагревается в калорифере 12 до температуры 60...80 °С, обеспечивающей щадящий режим сушки и нагнетается в камеру СВЧ-сушилки 14 центробежным вентилятором 11. В смесителе 13 происходит образование зерновой газовзвеси, которая захватывается потоком теплоносителя и подается в камеру СВЧ- сушилки 14. Высушенные до влажности не более 8 % се-
Технологии пищевой ЛПК-
¿щевой и перерабатывающей промышленности Ш прооукты здорового питания, № 1, 2016
мена рапса осаждаются в циклоне 15 сушильного комплекса и через промежуточные накопители 16 транспортируются с помощью нории 17 в бункер хранения и активного вентилирования 18. Отработанный теплоноситель из циклона 15 сушильного комплекса подается в рукавный фильтр 29 комплекса очистки отработанного воздуха. В бункере хранения и активного вентилирования 18 семена рапса подвергаются продувке атмосферным воздухом и охлаждению до температуры не более 30 °С. Отработанный воздух очищается в рукавном фильтре 29.
При дальнейшей переработке семян рапса с целью получения масла их подвергают второй очистке в воздушно-ситовом сепараторе 20 и магнитном сепараторе 22 комплекса повторной очистки (съем минерального сора не менее 50 %, органического - не менее 25 %), а затем измельчают на измельчителе 23 (например, пя-тивальцевом станке) через четыре прохода, при этом измельченные семена должны содержать не менее 65...70 % прохода через сито с размерами ячеек не менее 1 мм.
При подготовке семян рапса к прессованию для уменьшения содержания серы в масле осуществляют обжарку в обжарочном аппарате 24 быстрым нагревом мят-ки в течение 30...40 с до температуры 85...90 °С, затем подсушиванием и нагревом до температуры 100... 105 °С.
Для извлечения масла семена рапса, прошедшие обжарку, направляются в форпресс 25. Далее масло подают на очистку и фасовку.
Жмых и (или) шрот, получаемые из семян рапса, содержат до 37...40 % ценного белка. Рапсовые жмыхи и шроты используются в качестве питательных добавок при приготовлении комбикормов, которые, кроме того, является богатым источником органического фосфора и кальция.
При проектировании поточно-механизированного производства важную роль играет определение оптимального количества оборудования, степень его загруженности, а также использования производственных площадей. При решении данной задачи необходимо учитывать такие случайные факторы, как время обслуживания, поломку отдельных устройств, время, требуемое на их устранение, а также ряд факторов, влияющих на эксплуатацию этого оборудования [5, 6, 7].
15
1
/ / Г™
18 19
Рис. 2. Операторная модель технологической линии переработки семян рапса: 1 - бункер-накопитель; 2 - весы автоматические порционные; 3 - накопитель промежуточный; 4 - сепаратор магнитный; 5 - сепаратор воздушно-ситовой; б - накопитель зерновой примеси; 7 - камнеотборник; 8 - накопитель минеральных отходов; 9 - нория; 10 -вентилятор центробежный; 11 - калорифер; 12 - смеситель; 13 - СВЧ-сушилка вихревого типа; 14 - циклон; 15 - фильтр рукавный; 16 - бункер хранения и активного вентилирования; 17- станок пятивальцевый; 18 - аппарат обжарочный; 19 - форпресс
Технологии пищевой и перерабатывающей промышленности АПК-продцкты здорового питания, № 1, 2016
Известно, что время обработки одного потока сырья одним аппаратом описывается показательной функцией с параметром //, причем вероятность того, что время обслуживания *обс, меньше t, определяется по формуле
где = _|_ - положительная постоянная величина; - функция распределения; I-
^ Т
'обе
время нахождения партии продукции в технологической системе.
В технологическую систему на обработку поступает простейший поток сырья с параметром А. Это значит, что поток стационарный, ординарный, без последействия. Вероятность поступления единичных партий сырья или полуфабрикатов в промежуток времени t равна К требований и определяется по формуле Пуассона
К\
где Л>0 - плотность потока сырья или полуфабрикатов; К - число аппаратов или машин, занятых обработкой. Параметры технологической системы рассчитывают в следующей последовательности. Определяется параметр а:
= (1) Вероятность того, что все машины или аппараты свободны и ожидают приема партий сырья при ® < | определяется по формуле
п
7> - 1
> -+-
к' К! {п-\)\{п-а)
Вероятность того, что все машины или аппараты осуществляют обработку сырья или полуфабрикатов при < ^ определяется по формуле
п
а" -Р0 (3)
п =---.
(п-\)\(п-а)
Среднее время ожидания каждой партией своей обработки:
_ л •
'оор (4)
1 =
ож
п-а
где т _ - среднее время обработки партий в технологической системе.
1обр
М
Общее время нахождения партии в машине или аппарате:
1б„(=1бр+1ж- (5)
Технологии пищевой и перерабатывающей прол АПК-продукты здорового питания, № 1,
омыимпенности 2016
Вероятность того, что занято обработкой К единиц оборудования определяется по формуле
Р при\<К<п. (6)
К\
Среднее число партий, которое находится в машинах или аппаратах:
Р-а пР а"
(7)
п | 1-
I и
п
где р - средняя длина очереди.
\/ =—"'а—
"» 2
1 а П\ 1 -
V
Технологические линии производства целесообразно рассматривать как многоканальную, многофазную систему с ограниченным временем ожидания обработки потока сырья.
Ниже приводится методика расчета оптимального количества единиц технического оборудования в соответствии с предлагаемой методикой системного проектирования и функционирования технологических линий.
Определим оптимальное количество сушильных установок, экстракторов, об-жарочных машин и форпрессов.
Продолжительность сушки, экстракции, обжарки и прессования должна удовлетворять технологическим требованиям (сушка не более 3 ч, экстрагирование не менее 5 ч, обжарка 30 мин, прессование не менее 1 ч), объем производства - запланированным показателям 215 т в месяц.
Пусть в технологическую систему на обслуживание поступает простейший поток полуфабрикатов с параметром Л = 20 партий в месяц. Массовое количество продукции в одной партии равно 10,75 т. Единовременная загрузка установок равна 0,4 т.
Количество сушильных установок, экстракторов, обжарочных машин и фор-прессов рассчитывают по формулам (1) - (7).
При увеличении числа сушилок до 3 снижается продолжительность сушки (до 0,127 сут), что удовлетворяет технологическим условиям, при одновременном сокращении длины очереди в 2,5 раз (табл. 1).
Таблица 1
Параметры Численные значения параметров при количестве сушилок, шт
технологической
системы 2 3 4 5
Ро 0,128 0,246 0,195 0,123
к 0,835 0,365 0,090 0,016
Ъэж, сут 0,015 0,002 0,0003 0,00003
£збщ, сут 0,140 0,127 0,1253 0,12503
Мож, т 3,400 1,260 0,720 0,460
М, т 5,400 5,820 6,860 7,240
Увеличение числа экстракторов до 3 снижает продолжительность экстрагирования (до 0,2113 сут), что удовлетворяет технологическим условиям, при одновременном сокращении длины очереди в 2 раза (табл. 2).
Технологии пищевой и перерабатывающей промышленности А11К-прооукты здорового питания, № 1, 201ь
Таблица 2
Параметры технологической системы Численные значения параметров при количестве экстракторов, шт
2 3 4 5
Ро 0,465 0,541 0,457 0,368
к 0,524 0,155 0,030 0,005
Ж, сут 0,023 0,003 0,0004 0,00005
£збщ, сут 0,2313 0,2113 0,2087 0,20835
Мож, т 0,566 0,247 0,127 0,074
М, т 2,561 3,332 3,511 3,481
При увеличении числа обжарочных машин до 3 снижается продолжительность обжарки (до 0,0191 сут), что удовлетворяет технологическим условиям, при одновременном сокращении длины очереди в 2 раза (табл. 3).
Таблица 3
Параметры Численные значения параметров
технологической при количестве обжарочных машин, шт
системы
2 3 4 5
Ро 0,229 0,334 0,267 0,184
к 0,725 0,279 0,064 0,011
Ж, сут 0,006 0,001 0,0001 0,00002
£збщ, сут 0,0241 0,0191 0,0182 0,01812
Мож, т 1,650 0,721 0,406 0,254
М, т 3,650 4,670 5,330 5,533
Увеличение числа форпрессов до 3 снижает продолжительность прессования (до 0,03503 сут), что удовлетворяет технологическим условиям, при одновременном сокращении длины очереди в 2 раза (табл. 4).
Таблица 4
Параметры Численные значения параметров при количестве форпрессов, шт
технологической
системы 2 3 4 5
Ро 0,398 0,501 0,422 0,332
к 0,584 0,170 0,034 0,005
Ъэж, сут 0,00225 0,00031 0,00004 0,000004
£збщ, сут 0,03697 0,03503 0,03476 0,034724
-Мож, т 0,620 0,290 0,150 0,090
М, т 2,490 3,460 3,720 3,710
Результаты расчетов по приведенной методике хорошо согласуются с данными практики по проектированию технологических линий. Правильность определения оптимального количества установок подтверждается тем, что количество их удовлетворяет запланированному объему переработки семян рапса и технологическому времени процессов сушки, экстракции, обжарки и прессования. На сегодняшний день данная машинная технология, реализованная ресурсосберегающей технологической линией с устойчивым, целостным и стабильным потоком, является наиболее перспективной, позволяющей получать качественные готовые продукты со сравнительно низкими капитальными и эксплуатационными затратами.
Технологии пищевой и перерабатывающей промышленности ЛПК-прооукты здорового питания, iVp 1, 201b
ЛИТЕРАТУРА
1. Антипов, С.Т. Тепло- и массообмен при сушке семян рапса в СВЧ-аппарате с закрученным потоком теплоносителя [Текст] : монография / С.Т. Антипов, Е.С. Бунин, А.В. Журавлев, Д.А. Казарцев. - Воронеж, 2010. - 212 с.
2. Савенко, В.Г. Рапс - проблемы производства и пути их решения [Электронный ресурс]/ В.Г. Савенко // «Российский Центр Сельскохозяйственного Консультирования», 2009, http://mcx-consult.ru/. Загл. с экрана.
3. Малин, Н.И. Энергосберегающая сушка зерна [Текст] / Н. И. Малин. - М.: КолосС, 2004. - 240 с.
4. Технологическая линия безотходной переработки семян рапса [Текст] / Антипов С. Т., Журавлев А. В., Бунин Е. С., Казарцев Д. А., Юрова И. С. Воронеж, гос. универ. инж. технол. - № 2012118161; заявл. 03.05.2012; опубл. 27.09.2013. Бюл. № 27.
5. Панфилов, В. А. Теория технологического потока [Текст]: учебник / В.А. Панфилов. - М.: КолосС, 2007. - 391 с.
6. Овсянников, В.Ю. Системное проектирование технологического потока производства концентрированных соков [Текст] / В.Ю. Овсянников, Я.И. Кондратьева, Н.И. Бостынец / / Хранение и переработка сельхозсырья.- 2014.- № 7.
- С. 20-22.
7. Назаров, С.А. Практикум по курсу «Теория технологического потока» [Текст]: учеб. пособие / С.А. Назаров, В.Ю. Овсянников.- Воронеж, 2006.
REFERENCES
1. Antipov, S.T. Teplo-and a mass exchange when drying seeds of a colza in the microwave device with the twirled stream of the heat carrier [Text]: monograph / S.T. Antipov, E.S. Bunin, A.V. Zhuravlev, D.A. Kazartsev. - Voronezh, 2010. - 212 p.
2. Savenko, V.G. Raps - problems of production and a way of their decision [An electronic resource] / V.G. Savenko // «the Russian Center of Agricultural Consultation», 2009, http://mcx-consult.ru/
3. Malines, N.I. Energy saving drying of grain [Text] / N.I. Malin. - Moscow, 2004. -240 p.
4. Technological line of waste-free processing of seeds of a colza [Text] / Antipov S.T., Zhuravlev A.V., Bunin E.S., Kazartsev D.A., Yurova I.S. Voronezh.
- № 2012118161; it is declared 03.05.2012; it is published 27.09.2013. Bulletin № 27.
5. Panfilov, V.A. Theory of a technological stream [Text]: textbook / V.A. Panfilov. -Moscow, 2007. - 391 p.
6. Ovsyannikov, V.Yu. System design of a technological stream of production of the concentrated juice [Text] / V.Yu. Ovsyannikov, Ya.I. Kondratyeva, N.I. Bostynets // Storage and processing of agricultural raw materials. - 2014. - № 7.
- P. 20-22.
7. Nazarov, S.A. Praktikum at the course «Theory of a Technological Stream» [Text]: studies, grant / S.A. Nazarov, V.Yu. Ovsyannikov. - Voronezh, 2006.
