Влияние промывок мезги сорго на угол трения ее осадков Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

DOI: 10.24411/0235-2451-2018-11121

УДК 664.22.235

влияние промывок мезги сорго на угол трения ее осадков

в. Г. ЖУков, доктор технических наук, главный научный сотрудник (е-mail: vniik@arrisp.ru) в. Г. коСтЕнко, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник

Всероссийский научно-исследовательский институт крахмалопродуктов - филиал Федерального научного центра пищевых систем им. В. М. Горбатова РАН, ул. Некрасова, 11, Красково, Люберецкий р-н, Московская обл., 140051, Российская Федерация

Резюме. Особенности процесса разделения кашки сорго в центробежных ситах, на которых кашка и ее осадки, подвергаемые неоднократным промывкам, должны скользить по поверхности без зависания, заключаются в том, что их угол трения, определяющий условия движения без зависания, изменяется в процессе разделения и промывок. Поэтому сито, работающее с несколькими промывками, должно иметь по пути движения продукта поверхность с переменным углом наклона. Угол трения осадков кашки сорго и суспензий ее мезги до трехкратных промывок определяли на установке, моделирующей условия начала движения на сите исследуемых суспензий. Переменными параметрами служили различное процентное содержание сухих веществ, моделирующих промывки и разделение, а также величина поджатия продукта к поверхности сита. Угол трения осадков увеличивался с повышением содержания сухих веществ и снижением количества свободного крахмала, уменьшался с ростом давления в осадке. В исследованном диапазоне нагрузок, соответствующих тонкослойному скольжению осадков по ситу и составлявших55... 105Па, угол для осадков кашки менялся в диапазоне 24.35°, после первой промывки - 45.55°, после второй - 50. 63°, после третьей промывки - 55.70°. Ключевые слова: кашка сорго, центробежное сито, разделение, мезга, суспензия, сухие вещества, осадок, угол трения, промывка.

Для цитирования: Жуков В. Г., Костенко В. Г. Влияние промывок мезги сорго на угол трения ее осадков // Достижения науки и техники АПК. 2018. Т. 32. № 11. С. 79-81. йСН: 10.24411/0235-2451-2018-11121.

Неизменно актуальной проблемой производства остается интенсификация технологических процессов на современном технологическом оборудовании. Для его разработки необходимо знать структурно-механические свойства перерабатываемых продуктов и физические явления, протекающие на поверхности деталей и узлов, соприкасающихся с обрабатываемым продуктом. Это относится и к процессам выделения крахмала из сорго.

Использование фильтрующих центрифуг влиниях получения крахмала из кашки сорго создает возможности интенсификации проце сса ее разделения на крахмальную суспензию и осадок в виде мезги. При этом выделяется часть свободного крахмала. Кашка содержит до 65.. .70 % крахмала (по сухому веществу). При проведении процесса разделения

в поле центробежных сил в роторе конусной центрифуги выделяется 45.70 % свободного крахмала [1, 2]. Для его более полного выделения мезга проходит стадии промывки с повторными операциями разделения. В фильтрующих центрифугах конического или лопастного типа эти операции могут быть совмещены в едином цикле подачи кашки в ротор центрифуги [3, 4]. Учитывая изменение свойств движущегося по ситу продукта, фильтрующую поверхность ротора необходимо делить на участки, каждый из которых предназначен для разделения суспензии, имеющей определенные свойства. Такие особенности проще всего обеспечивать в лопастных центрифугах подбором угла наклона конкретного участка фильтрующей поверхности к радиусу [5]. Чтобы суспензия, слабо фильтруясь, не проскальзывала, или осадок не зависал на фильтрующей поверхности, необходимо знать углы трения кашки и промываемой мезги.

Цель работы заключалась в определении углов трения разделяемых кашки и суспензий мезги, обеспечивающих ее движение по центробежному ситу.

Условия, материалы и методы. Суспензии крах-малопаточных производств относятся к сложным реологическим телам [6, 7, 8], меняющим свои свойства в процессе переработки.

Для экспериментов брали сорго продовольственное (ГОСТ 8759-92). Продукты для исследования приготавливали следующим образом. Зерно сорго замачивали в растворе пиросульфита натрия (0,4 %) при температуре 50 оС в течение 48 ч. Затем его измельчали на лабораторном измельчителе, добавляя воду до содержания сухих веществ (СВ) по условиям опытов.

Крахмал обладает высокой гидрофильностью и способен связывать до 50 % воды. Его суспензии весьма подвижны до концентрации 25 %. С повышением содержания крахмала до 33 % вязкость подаваемой на разделение суспензии возрастает [1, 2]. По мере выделения крахмала подвижность кашки снижается и начинают проявляться структурные свойства мезги, осадки которой могут зависать на поверхности сита.

рис. 1. Изменение коэффициентов трения от нормального напряжения осадка после

разделения кршки сорто с |эазнымсодержанием сухих веществ: —■--34 %; --36 %;

-•--38 %; -с--40,6 %; -й--среднее.

Рис. 2. Влияние нормального напряжения на коэффициент трения осадка после первой

промывки мезги сорго с разным содержанием сухих веществ,

- 34 %; -*- - 36 %;-- среднее.

Для преодоления зависания и достижения требуемой полноты выделения свободного крахмала осуществляют промывку мезги со свободным крахмалом.

С целью приближения условий лабораторного эксперимента к реальным экспериментальная установка представляла собой неподвижную кювету с глухим днищем и сетчатой подвижной пластиной площадью А, вырезанной из фильтрующей щелевой сетки сита. Щели сетки были направлены поперек движения пластины. Параметры сетчатой поверхности: размер щели 2x0,1 мм, живое сечение - 30 %. Исследуемый продукт размещали тонким слоем между днищем кюветы и сеткой пластины подобно его положению на сите центрифуги. На пластину устанавливали грузы, создающие давление на продукт, соответствующее среднему расчетному, возникающему в тонком слое продукта в сите. Давление определяли как нормальное напряжение а = F/A. Пластина сдвигалась вдоль поверхности продукта усилием N, создающим касательные напряжения т = N/A. Усилие N увеличивали до момента начала движения пластины. Коэффициент трения подсчитывали как f= F/N. Угол трения а соответствовал arctg(F/N). Эксперименты проводили с кашкой и суспензиями ее мезги при разных концентрациях СВ. Таким образом, моделировали условия, возникающие от центробежных сил в тонком слое кашки при ее движении по ситу.

Зависание происходит, как правило, в конце участка сита, где образуется обезвоженный слой осадка. Поэтому эксперименты проводили на суспензиях, имеющих свойства осадков в конце каждого участка сита.

Исследовали кашку и осадки мезги после разделения кашки, первой, второй и третьей промывок с разным содержанием СВ (от 18,4 до 40,6 %). Поскольку кашка и суспензии мезги во вех промывках легко теряли избыточную жидкость, на коэффициенты и углы трения решающее влияние оказывала концентрация

- 29,4 <

- 32 1

СВ и свободного крахмала в осадках. Поэтому установленные экспериментальные величины следует относить к осадку.

В связи с большим количеством экспериментов на рисунках выборочно показаны некоторые примеры характерных результатов.

Результаты и обсуждение. Процесс движения начинается с превышения угла трения продукта по ситу. Чем он меньше, тем подвижнее продукт. Наименьшими углами трения обладают суспензии с содержанием СВ менее 38 %. При этом с ростом нормального напряжения а коэффициент трения f для суспензий с высоким содержанием СВ заметно снижается (рис. 1, суспензия с 40,6 % СВ), а при меньшей величине этого показателя меняется незначительно. При этом с ростом величины нормального напряжения это снижение уменьшается и становится практически нулевым, что дает основание предположить постоянство коэффициента трения и при несколько большем давлении в центробежном сите. Угол трения в наших опытах составлял 24.. .35°, причем большие его значения ожидаемо отмечали для продукта с более высоким содержанием СВ. Следовательно, в зоне движения кашки по поверхности центробежного сита достаточен угол 35°.

Анализ результатов разделения суспензий осадков мезги с разным содержанием СВ после первой промывки показывает заметное и одинаковое для разных СВ снижение коэффициента трения с ростом напряжения поджатия продукта к сетке (рис. 2), а с увеличением содержания СВ в осадках мезги он линейно возрастает. Соответствующие крайним значениям напряжений углы трения менялись в диапазоне от 45° при содержании СВ 29,4 % до 63° при 36 %. Однако с ростом напряжения этот диапазон уменьшался до 45.55°. Именно его следует считать характерным для условий разделения в центробежном сите. Таким образом, после первой промывки увеличение напряжения снижает угол трения, а рост содержания СВ увеличивает его.

Рис. 3. Вл ияние нормального напряжения н а коэффициент трения осадка после второй промывки мезги сорго с разным содержанием сухих веществ, %: —♦— - 24 %; -и— - 26 %; а - 28 %; -■- - 30 %; -и- - 32 %; -•- - среднее.

Рис. 4. Влияние нормального напряжения на касательное напряжение осадка после третьей промывки мезги сорго с разным содержанием сухих веществ, %: -□— 18,4 %; д -22 %; -■- - 25,4 %; -о- - 26 %; -•- - 28 %; -о- - среднее.

Вторую промывку мезги сорго проводили при исходной концентрации сухих веществ 12.20 %, величина этого показателя в полученных осадках составляла 24.32 %. С ростом напряжения коэффициент трения снижался по кривой малой кривизны, а угол трения у осадков всех исследованных концентраций уменьшался практически линейно (рис. 3). У осадков с концентрацией 24 % СВ он снижался с 62° до 35°, 32 % - с 67° до 60°, 26.30 % - с 63° до 54,3°. В целом угол трения у осадков после второй промывки мезги был выше, чем после первой.

По мере вымывания крахмала из мезги ее подвижность уменьшалась. В зависимости от а величина т линейно возрастала у всех осадков с содержанием сухих веществ 18,4.28,0 % (рис. 4). Для осадков с разным содержанием СВ величина т, коэффициент и угол трения возрастали, достигая наибольшего значения при содержании СВ 25,4 %, а при дальнейшем повышении концентрации СВ - снижались. Границы изменения угла трения после третьей промывки расположены в интервале значений 55.70°.

Выводы. Угол трения увеличивался с повышением содержания СВ и снижением количества свободного крахмала во всех исследованных суспензиях. С ростом давления в осадке его величина, как правило, уменьшалась.

От промывки к промывке угол трения увеличивался. В исследованном диапазоне нагрузок на продукты для осадков кашки он в среднем составлял 24.35°, после первой промывки - 45.55°, после второй - 50.63°, после третьей промывки - 55.70°.

Для предотвращения зависания осадка суспензий сорго на центробежном сите с участками промежуточных промывок необходимо уменьшать угол наклона его поверхности к линии радиуса после каждой промывки, что достаточно просто достигается в лопастных ситах.

Литература.

1. Андреев Н. Р. Основы производства нативных крахмалов. М.: Пищепромиздат, 2001. С. 87-95.

2. Украинец А. И. Технология пищевых продуктов. К.: Изд. дом «Аскания», 2008. 736 с.

3. Устройство для разделения суспензий, преимущественно крахмалсодержащих / В. Г. Жуков, Н. Д. Лукин, В. Г. Костенко и др. // Патент Яи №2346953 от 07.11.07, 20.02.2009. Бюл. № 5.

4. Устройство для разделения суспензий, преимущественно крахмалсодержащих/В. Г. Жуков, Н. Д. Лукин, В. Г. Костенко и др. // Патент Яи №2346954, 20.02.2009. Бюл. №5.

5. Фильтрующее устройство для разделения суспензий, преимущественно крахмалсодержащих/ В. Г.Жуков, В. Г. Костенко, Н. Д. Лукин и др. // Патент на изобретение Яи № 2517841. Опубл. 10.06.2014. Бюл. № 16.

6. Урьев Н. Б. Физико-химические основы технологии дисперсных систем и материалов. М.: Химия, 1988. 255 с.

7. Мачихин Ю. А., Мачихин С. А. Инженерная реология пищевых материалов. М.: Легк. и пищ. пром-ть, 1981. 212 с.

8. Зимон А. Д., Лещенко Н. Ф. Коллоидная химия. 3-е изд., доп. и исправл. М.: Агар, 2001. 320 с.

Effect of Sorghum Pulp Washes on the Friction Angle of Its Sediments

V. G. Zhukov, V. G. Kostenko

All-Russian Research Institute of Starch Products - the branch of the V. M. Gorbatov Federal Science Center of Food Systems of the RAS, ul. Nekrasova, 11, pos. Kraskovo, Lyuberetskii r-n, Moskovskaya obl., 140051, Russian Federation

Abstract. The peculiarities of separation of sorghum squash on centrifugal sifters, where squash and its sediments subjected to repeated washes should slide along the surface without lagging, consist in the fact that their friction angle, which determines the conditions of movement without lagging, changes during the process of separation and washing. Therefore, a sifter working with several washes should have a surface with a variable angle of inclination along the path of the product. The studies were performed to determine the friction angle of precipitation of sorghum squash and suspensions of its pulp after washing. The experiments were carried out on the installation simulating the conditions of the movement beginning of the studied suspensions on the sifter. The results are presented in the form of graphs illustrating the nature of the changes in the parameters of the products under study from squash to triple washing of its pulp. The variable parameters were the different percentages of dry matter, simulating washing and separation, as well as the magnitude of the preload of the product to the surface of the sifter. It was calculated ranges of friction angles of precipitation. The friction angle of precipitation rose with increasing dry matter content and decreasing amount of free starch, and the angle reduced with increasing pressure in the sediment. In the studied range of loads, corresponding to thin-layer sliding of sediments along the sifter (55-105 Pa), the angle varied in the range of 24-35 degrees for squash sediment, 45-55 degrees after the first washing, 50-63 degrees after the second washing, 55-70 degrees after the third washing.

Keywords: sorghum squash; centrifugal sifter; separation; pulp; suspension; dry matter; sediment; friction angle; washing. Author Details: V. G. Zhukov, D. Sc. (Tech.), chief research fellow (e-mail: vniik@arrisp.ru); V. G. Kostenko, Cand. Sc. (Tech.), leading research fellow.

For citation: Zhukov V. G., Kostenko V. G. Effect of Sorghum Pulp Washes on the Friction Angle of Its Sediments // Dostizheniya nauki i tekhnikiAPK. 2018. Vol. 32. No. 11. Pp. 79-81 (in Russ.). DOI: 10.24411/0235-2451-2018-11121.