Научные основы разработки структуры драного и ситовеечного процессов

31.10.2014

Современная методология структурного построения технологических схем сортового помола с обогащением промежуточных продуктов основывается на обобщенной долголетней практике переработки зерна пшеницы в муку на вальцовых станках.
Расширение и углубление фундаментальных теоретических основ технологических процессов, высокое качество принятых в них технических решений, развитие теории аналогизации и методологии системного подхода к анализу и количественному описанию технологических процессов создали достаточно емкую теоретическую базу для принятия научно обоснованных решений при разработке технологических схем производства муки.
Научное обоснование любого технологического процесса исходит из современных интерпретаций его задач и критериальной оценки технологической эффективности.
С позиции системного подхода к анализу структурно-механических и химических свойств зерна пшеницы и технологии переработки его в муку задача драного процесса состоит в получении и подготовке крупок и жесткого дунста к обогащению, выделение низкозольных мягкого дунста и муки и эффективному вымолу отрубей.
С позиции критериальной оценки процесса, его задачи сводятся к разрыву связей между оболочками и эндоспермой и представление их виде механической смеси с минимально допустимой крупностью эндосперма и максимальной оболочечных частиц.
Теоретические аспекты разделения круподунстовых продуктов в ситовеечной машине. Процесс разделения круподунстовых продуктов в ситовеечной машине до настоящего времени изучен недостаточно глубоко и единого представления о его механизме нет. Однако в изучении явлений, происходящих в слое материала, движущегося по ситу в восходящем потоке воздуха, можно выделить два направления: детерминистское и статистическое. Их анализ показывает, что детерминистское направление не учитывает вероятностно-случайный характер как самого процесса, так и физико-химических характеристик крупок, участвующих в процессе. Поэтому в дальнейших исследованиях предпочтение отдается статистическому направлению.
В соответствии с принятым направлением процесс разделения крупок в ситовеечной машине подчиняется закономерностям случайных марковских процессов и может быть описан выражением:

Научные основы разработки структуры драного и ситовеечного процессов

где εi — вероятность выноса частиц i-ой фракции из слоя в продукта разделения;
zi — положение частиц i-ой фракции в псевдоожиженном слое;
ci — статистический коэффициент, имеющий смысл скорости упорядоченного движения частиц i-ой фракции под воздействием внешнего поля;
bi — статистический коэффициент, являющийся мерой неупорядоченности движения и имеющий смысл коэффициента диффузии частиц i-ой фракции;
ωi — плотность распределения вероятности, имеющая смысл относительной концентрации частиц i-ой фракции в смеси.
Из выражения (2,94) следует, что вероятность выноса частиц анатомических частей зерна в проходовые или сходовые продукты, при прочих равных условиях, прямо пропорциональна их концентрации в исходной смеси. Максимального значения эта концентрация может достигнуть при полном отделении оболочек от эндосперма. Следовательно, крупки, направляемые на обогащение, должны иметь максимальную степень раскрытия I, которая, как было показано ранее, является не только количественным показателем процесса избирательного измельчения, но и качественным. Ее можно представить в виде:
Научные основы разработки структуры драного и ситовеечного процессов

где z0, zэ, zоп — соответственно зольности исходного продукта, эндосперма, оболочечных продуктов, %.
Разделение крупок в ситовеечной машине осуществляется не по крупности и плотности, а по некоторой обобщенной характеристике, учитывающей еще форму частиц, состояние их поверхности, режим обтекания воздухом и др. Такой обобщенной характеристикой в теории гравитационных процессов является скорость витания, а с учетом взаимодействия частиц между собой в пседоожиженном слое — скорость стесненного падения.
Необходимым условием взаимного разделения низко- и высокозольных частиц является различие в их скоростях стесненного падения и превышение инерционных сил взаимодействия частиц над силами аутогезии. Это означает, что в разрушаемом продукте не должно быть равнопадающих частиц и частиц крупностью ниже критерия агрегирования. Выполнение этих условий в практике гравитационного разделения достигается простым технологическим приемом — сортированием на ситах, который широко распространен в технологии муки. Для его реализации необходимо обосновать пределы крупности фракций для обогащения и предел крупности, ниже которого обогащение малоэффективно или не реализуется вообще.
Научное обоснование качества промежуточных продуктов для обогащения. Ранее показано, что более объективным показателем качества крупок является не традиционная зольность, а степень раскрытия I. Последняя характеризует готовность крупок к обогащению и определяет максимально возможную эффективность реализации этого процесса. Установлено, что при I →100 % эффект обогащения максимальный. Достижение такого значения I рассмотрено автором в работе при степени измельчения В технологии муки максимальное значение степени измельчения можно легко определить как отношение максимального размера зерна пшеницы к максимальному размеру муки, Imax = Dmax3/dmaxM. При Dmax3 = 4250 мкм (размер сортировочного сита A1-БИС) и dmaxМ = 156 мкм (проход 46-го сита) imax ≈ 30. Принятие крупности муки в качестве dmax основывается на том, что в муке наблюдается полное отсутствие сростков. Данные наблюдения автора полностью согласуются с микроскопическими исследованиями муки многими учеными.
В работе автором между I и i установлена эмпирическая зависимость в виде:
Научные основы разработки структуры драного и ситовеечного процессов

где I — степень раскрытия;
i — степень измельчения;
k, К — эмпирические коэффициенты, зависящие от структурномеханических свойств зернопродуктов, способа и условий измельчения.
Она установлена на основании анализа граничных условий процесса, кинетики и эффективной реализации избирательного измельчения, механизма избирательного измельчения, теории упрочнения частиц с уменьшением крупности, практики измельчения зерна в вальцовых станках.
Проверим установленную зависимость на соответствие граничным условиям процесса: i=1 и i→∞. При i=1, I=0. При i→∞ I асимптотически приближается к единице.
Характер зависимости I=f(i) должен отвечать оптимальным условиям критериальной оценки избирательности процесса. Последняя установлена в оптимальном виде может быть представлена выражением dI/di → mах. Это означает, что минимальный прирост i должен вызывать значительное изменение I.
Измельчение любых продуктов, как было показано ранее, как правило, осуществляется в несколько этапов-стадий. Зерно пшеницы не является исключением. В соответствии с теорией упрочнения прочность связей оболочка-эндосперм возрастает с уменьшением их крупности. Тогда процесс отделения оболочек от эндосперма будет носить затухающий характер, при котором I асимптотически приближается к 100 %.
Практика реализации крупообразующего процесса на вальцовых станках указывает на необходимость получения большего количества крупок и лучшего качества. Следовательно, на первых этапах измельчения важно достигать максимального значения dI/di.
Таким образом, изложенные требования могут быть выполнены при экспоненциальном характере зависимости I=f(i). Эмпирические коэффициенты k и К обеспечивают выполнение условия адекватности выражения (2.96) эксперименту и определяются из эксперимента, что будет показано ниже.
Оптимизация параметра I представляет собой в большей мере не математическую, а технологическую и экономическую задачу. Это обусловлено тем, что низкое значение I инициирует увеличение содержания сростков, количество сходовых продуктов ситовеечных машин, нагрузки на шлифовочные и драные системы, нагрузки на пневмотранспорт. Повышение I инициирует их снижение при одновременном повышении выходов мелких продуктов, что отрицательно может отразиться на качестве муки. Решение этой задачи в технологическом аспекте можно достаточно обосновано выполнить, основываясь на данных многолетнего опыта работы схем сортового помола зерна пшеницы.
В рекомендуют считать работу ситовеечной машины эффективной при выходе обогащенной крупной крупки на системах первого качества в пределах 75...80 %, средней и мелкой — 85...90 %, дунстов — 90...95 %. Зольность этих продуктов не должна превышать 0,6 %, т. е. можно считать, что они представлены частицами эндосперма. Из уравнения (2.94) следует, что не все частицы эндосперма могут быть выделены в обогащенный продукт, т. е. эффективность работы А1-БСО или любой другой обогатительной машины не равна, а только стремится к 100 %. Тогда для обеспечения высокой эффективности работы обогатительной машины степень раскрытия должна быть не ниже выхода обогащенной крупки. При этом фракции с более низкой степенью раскрытия следует направлять на последующие драные системы.
Научное обоснование пределов крупности и количества фракций промежуточных продуктов для обогащения. В технологии производства сортовой муки широко известна общепринятая шкала крупности промежуточных продуктов. Она была разработана с развитием процесса обогащения промежуточных продуктов на основе долголетней практики производства сортовой муки. Введение шкалы способствовало более высокому уровню организации драного, сортировочного и ситовеечных процессов сортового помола. Однако, несмотря на значительный прогресс в развитии теоретических основ разделительных процессов и самой технологии производства сортовой муки, до настоящего времени не существует научного обоснования построения этой шкалы. Такое положение приводит к тому, что практика продолжает развиваться методом проб и ошибок, принятием необоснованных технических решений.
Известные и вновь разработанные автором научные основы позволяют дать научное обоснование известной шкале, объяснить многочисленные отклонения от нее на практике и сформулировать принципы ее изменения для повышения эффективности технологии переработки зерна в муку.
Фракции, подготовленные к обогащению не должны содержать агрегирующих и равнопадающих частиц. Крупность первых, как было показано ранее, определяются по зависимости (2.48) или закономерности (см. рис. 2.2). Для смеси частиц оболочек и эндосперма зерна пшеницы критерий агрегирования соответствуют 150...160 мкм, что близко к средней крупности мягкого дунста.
В основу определения крупности фракций примем постулат равнопадаемости — частицы разной плотности при определенной крупности имеют одинаковую скорость падения в одной и той же среде. Отношение диаметров таких частиц в теории гравитационных процессов обогащения называется коэффициентом равнопадаемости. Известны следующие его выражения:
Научные основы разработки структуры драного и ситовеечного процессов

где d1, d2 — крупность частиц плотностью ρ1 и ρ2;
λ1, λ2 — толщина пограничного слоя для частиц d1 и d2;
k1, k2 — коэффициенты стесненного падения частиц d1 и d2;
ψ1, ψ2 — коэффициенты сопротивления для частиц d1 и d2;
Δ — плотность разделительной среды.
Проанализируем возможность использования приведенных выражений для обоснования шкалы крупности. Полагаем k1 = k2 и λ1 = λ2, что при близости значений d1 и d2 и идентичности условий разделения вполне допустимо для практических расчетов. Принимаем по К. В. Дрогалину и К. А. Карповой плотность эндосперма — (1,44...1,47)*10в3; оболочек — (1,37...1,39)*10в3 и сростков — (1,37...1,47)*10в3 кг/м3. Тогда значения kр по Риттингеру, Стоксу, Аллену, Фоменко будут находиться в пределах 1,02...1,06, что свидетельствует о его неприменимости.
Определение kp по методу Фоменко предполагает наличие корректной зависимости между ψ и числом Рейнольдса Re для частиц неправильной формы, которая еще не установлена. Таким образом, анализ известных, определяющих kp зависимостей, указывает на их неприменимость для промежуточных продуктов зерна пшеницы и необходимости корректировки методологии поиска и постулата равнопадаемости. Примем новый постулат в формулировке — частицы разной зольности при определенной крупности могут иметь одинаковые скорости падения в одной и той же среде. Этот постулат подтверждается многочисленными экспериментальными исследованиями К. В. Дрогалина и К. А. Карповой скоростей витания частиц промежуточных продуктов по методу ВНИИЗ.
Математическое выражение сформулированного постулата можно представить в виде:
Научные основы разработки структуры драного и ситовеечного процессов

где υв/z, υн/z, — соответственно скорости витания высоко- и низкозольных частиц, м/с;
υст*н/z, υст*в/z — соответственно скорости стесненного падения низко- и высокозольных частиц, м/с;
dв/z, dн/z — соответственно крупность высоко- и низкозольных частиц, мкм;
kв/z, kн/z — соответственно коэффициенты стесненного падения частиц dв/z, dн/z.
Значения kp известны в теории пневмотранспорта в исследованиях ряда авторов:
Р. Б. Розенбаумена для ламинарного и
Научные основы разработки структуры драного и ситовеечного процессов

турбулентного режимов
Научные основы разработки структуры драного и ситовеечного процессов

А. С. Креммера
Научные основы разработки структуры драного и ситовеечного процессов

Я. Циборовского в области ламинарного и
Научные основы разработки структуры драного и ситовеечного процессов

турбулентного течений
Научные основы разработки структуры драного и ситовеечного процессов

И. Монроэ и др.
Научные основы разработки структуры драного и ситовеечного процессов

Приведенные выражения используются для пневматической классификации частиц равной плотности и близкой формы при их разделении по граничному диаметру d в пневмоканале с эквивалентным диаметром D. Поэтому в последующих исследованиях мы остановимся на математическом выражении сформулированного постулата, выражение (2.102).
Закономерности, определяющие υст и υ, установлены рядом известных ученых; Ридчарсоном, Риттингером, Стоксом, Алленом, Лященко, Фоменко, Миллером, Классеным, Олевским, Озееном, Финкеем, Ханкоком, Качаном, Годеном, Кизевальтером и др. Однако их практическое применение связано с рядом трудностей, обусловленных следующим: наличием эмпирических коэффициентов необобщающего характера или предполагающих наличие других эмпирических закономерностей, например ψ/Re = f(Re); ограниченной областью применения, например формула Алена и Стокса применимы для частиц крупностью соответственно 85...150 и 12...120 мкм; несоответствием, иногда значительным, расчетных значений экспериментальным, (например, скорость стесненного падения, определенная по формуле Ричардса, превышает экспериментальную в 1,8...3,0 раза); значительной разницей в форме частиц эндосперма, сростков и оболочечных продуктов, которая не постоянна при изменении крупности и т.д. Таким образом, анализ известных исследований в области определения υст и υ указывает на целесообразность определения kp эмпирическим путем. Для этого воспользуемся диаграммой последовательных классов крупности крупок и дунстов зерна пшеницы z — υ, полученной К. В Дрогалиным и К. А. Карповой по результатам фундаментальных исследований. Достоинство этой диаграммы состоит в том, что она устанавливает зависимость между скоростью витания и зольностью частиц во всем диапазоне ее изменения (оболочка — сросток — эндосперм) для наиболее узких классов крупности в пределах крупности промежуточных продуктов крупообразующих систем.
Диаграмма z—υ, в совокупности с ранее разработанными научными основами, позволяет определить диапазон крупности фракций, в которых высокоэффективное разделение частиц разной зольности и крупности обеспечивается различием скоростей падения в воздушной разделительной среде. Методология этого определения может быть реализована в следующем порядке:
1. По выражению (2.61) рассчитывается гранулометрический состав продукта измельчения посредством подстановки значений d сита последовательных классов крупности.
2. По зависимости (2.96) определяется степень раскрытия последовательных классов крупности и устанавливается самый крупный класс, имеющий достаточную, технологически и экономически обоснованную в п.2.6.2 степень раскрытия.
3. По диаграмме z—υ определяются скорости витания высоко- и низкозольных частиц самого крупного класса. Их зольность устанавливается в зависимости от зольности анатомических частей перерабатываемого зерна, эффективности обогатительной машины и задач технологии. Как правило, они соответствуют зольностям сходовых и проходовых продуктов ситовеечных машин. Проходовое сито узкого класса крупности является проходовым ситом фракции для обогащения.
4. Сходовое сито фракции определяется сходовым ситом более мелкого низкозольного узкого класса крупности, имеющего большую на 0,5...1,0 м/с скорость витания, чем высокозольный продукт проходового сита фракции. Затем для сходового сита устанавливают скорость витания высокозольного продукта. Она будет наименьшей из всех установленных скоростей витания.
В сформированной таким образом фракции нет частиц разной зольности и крупности, которые бы имели равную скорость падения, а скорости витания низко- и высокозольных частиц разной крупности отличались бы менее чем на 0,5...1,0 м/с. Такое различие в аэродинамических свойствах крупок в сформированной фракции позволяет установить скорость восходящего потока, обеспечивающую их высокоэффективное разделение. Эта скорость, очевидно, будет равна среднему значению скоростей витания высокозольных частиц проходового и низкозольных частиц сходового продуктов. Тогда выражение (2.102) можно преобразовать к виду:
Научные основы разработки структуры драного и ситовеечного процессов

где dп в/z, dсх н/z — соответственно размеры ячеек сит проходовых высокозольных и сходовых низкозольных зернопродуктов для обогащения, мкм;
ςсх н/z, ςп в/z — соответственно скорости витания низко- и высокозольных частиц крупностью равной размерам ячеек сходового и проходового сит, м/с.
Постулированное равенство коэффициентов стесненного падения обусловлено следующим:
— постоянством скорости восходящего потока для всех частиц фракции в ситовеечной машине;
— постоянством высоты слоя крупок в ситовеечной машине в установившемся режиме работы;
— постоянством степени разрыхления слоя в псевдоожиженном состоянии при постоянной скорости восходящего потока воздуха;
— постоянством коэффициента сопротивления для частиц граничной крупности фракции. Так, например, числа Рейнольдса для крупной крупки при скорости воздушного потока равной 2,0 м/с, динамической вязкости воздуха μ = 18*10в-6 (Н*с)/м2, плотности воздуха ρв=1,23 кг/м3, крупности частиц 1,0 и 0,56 мм соответственно составят, Re=137 и Re=76. Эти значения Re входят в переходную область (1≤Re≤10в3), где коэффициент сопротивления движения частиц в воздухе приближается к постоянной величине.
В приведенных расчетах не учтено различие форм частиц эндосперма и оболочек. Это обусловлено тем, что диапазон изменения Rе в переходной области на порядок превышает расчетный.
Приведенные доказательства позволяют, с достаточной для практики точностью, принять постулированное равенство коэффициентов стесненного падения.
Для проверки проведенных исследований рассчитаем пределы крупности крупной крупки с использованием диаграммы z—υ. Скорости витания следующего крупного узкого класса 1000/ 900 мкм для зольностей 0,6 и 3,5 % соответственно составят 3,65 и 1,75 м/с. Скорость витания следующего узкого класса крупности для зольности 0,6 % должна быть на 0,5...1,0 м/с (принимаем 0,75 м/с) больше 1,75 м/с, т. е. равная 2,5 м/с. Крупность этого класса составит 630/560 мкм. Скорость витания его частиц зольностью 3,5 % равна 1,45 м/с. Высокоэффективное разделение низко- и высокозольных частиц в этом случае возможно при скорости восходящего потока равной 2,1 м/с, т. е. средней между 1,75 и 2,5 м/с. Тогда размер ячейки сходового сита фракции определится с учетом выражения (2.112) как:
Научные основы разработки структуры драного и ситовеечного процессов

Однако сита с таким размером ячейки нет, поэтому принимаем ближайшее по размеру сито 056 или 063. Таким образом, крупность крупной крупки составляет 1.0/056 или 1.0/063, что подтверждает многолетняя практика производства муки на комплектном оборудовании. Зольности пределов крупности фракций в расчете были приняты для условий эффективной работы А1-БСО в соответствии с рекомендациями.
Методология расчета крупности последующих фракций аналогична. При этом нижний предел крупности самой мелкой фракции ограничивается диаметром частиц, склонных к агрегированию, т. е. критерием агрегирования, установленном ранее.
Методология разработки структуры драного, сортировочного и ситовеечного процессов в технологии производства сортовой муки. Методология разработки сводится к выполнению следующих этапов: определение показателей качества зерна; выбор способа измельчения и реализующего его измельчительного оборудования; выбор или определение коэффициентов уравнения Розина-Раммлера; расчет гранулометрического состава продуктов измельчения; формирование из продуктов измельчения потоков сортовой муки, крупок и дунстов на обогащение, необогащаемых дунстов на вторичное измельчение, сходовых продуктов на первичное измельчение или вымол оболочечных продуктов.
Рассмотрим практическую реализацию приведенных этапов в порядке их представления. К показателям качества зерна, определяющим крупность промежуточных продуктов следует отнести тип, сорт, район произрастания, стекловидность, зольность и влажность. Эти показатели в совокупности определяют микротвердость и прочность зерна. Последнее, как известно из теории и практики измельчения, оказывает определяющее влияние на характеристику крупности измельченных продуктов. Более прочные продукты измельчения при любом способе измельчения и применяемом оборудовании содержат больше крупных классов, чем менее прочные. В технологии измельчения зерна пшеницы этот факт известен из характеристик крупности измельченных в секции А высокостекловидного и в секции Б низкостекловидного зерна. Продукты измельчения высокостекловидного зерна на I др. с. в среднем содержат на 4,5 % больше крупок, чем соответствующие низкостекловидного. Опираясь на приведенный факт, который установлен по данным многолетней практики измельчения зерна пшеницы, можно принять стекловидность зерна, из вышеперечисленных показателей качества, за основной показатель прочности. Показатель влажности, который оказывает существенное влияние на прочность, в сортовых помолах всегда приводится в соответствие со стекловидностью для обеспечения хрупкого механизма разрушения эндосперма, что убедительно показано ранее. Таким образом, в последующих исследованиях принимаем стекловидность за показатель, характеризующий прочность зерна пшеницы технологической влажности.
Для принятой стекловидности выбираются значения коэффициентов m и n уравнения Розина-Раммлера по выражению (2.61). При отсутствии их значений в базе данных они рассчитываются по методике, приведенной ранее. Выбор значений m и n следует согласовывать с качеством сортовой муки, выделяемой на этой системе. Последняя определяется видом помола и желательным соотношением сортов — какой сорт прогнозируется получить и в каком количестве.
Известные значения m и n позволяют по выражению (2.61) рассчитать гранулометрический состав продукта измельчения. При этом рекомендуется принимать более узкую шкалу крупности, которая составляется с учетом выпускаемых промышленностью сит.
Каждый класс крупности проверяется на потенциальную обогатимость посредством степени раскрытия I. Ее значения рассчитывается по выражению (2.96). Для эффективного обогащения значения I должны быть не менее установленных ранее для каждого продукта, направляемого на обогащение. Классы крупности с меньшими значениями I следует направлять на последующие системы первичного измельчения. Эти классы и формируют сходовый продукт. Тогда размер сита, проходом которого устанавливается режим системы, очевидно не должен иметь постоянного значения, как это рекомендуется. Этот вывод подтвержден и практикой, в которой известна установка верхнего сита на I др. с. более чем 1,0 мм, например 1,2 мм. Таким образом, научно-обоснованным режимом работы драных систем следует считать проход промежуточных продуктов с необходимой степенью раскрытия через сито. При этом размер ячейки сита принимается таким, который обеспечит проход промежуточных продуктов с необходимой степенью раскрытия. Такой подход к выбору работы режима драных систем обеспечивает не только высокую технологическую эффективность работы ситовеечных систем, но и максимально возможный выход промежуточных продуктов для обогащения.
Формирование потоков муки и дунстов для размола осуществляется проходом соответствующих сит. Размер ячейки первого определяется качеством муки, а второго — критерием агрегирования, определяемым по выражению (2.48). При этом следует учитывать, что значение критерия агрегирования является условным пределом начала агрегирования частиц, а относительная ошибка его определения достигает 15 %. Поэтому установленный размер сита следует выбирать как минимум на 50 % больше расчетного.
Формирование потоков крупок и дунста для обогащения осуществляется по коэффициенту равнопадаемости, определяемого по выражению (2.111).
Определение потоков на вымол также производится по степени раскрытия. При этом сопоставляются значения nэ и n0 выражения (2.30). Для вымола необходимо чтобы n0≫nэ, т. е. продукт должен преимущественно состоять из частиц, представляющих собой агрегаты разрушенного и спрессованного с оболочками эндосперма. Структура последних хорошо видна под бинокулярной лупой с обычной кратностью увеличения.
Структура сортировочного и ситовеечного процессов определяются по количеству сформированных потоков и их качеству. Этот этап не нуждается в дополнительной интерпретации, за исключением определения качества крупок и дунстов. Последнее определяется тем же соотношением n0 и nэ, по которому продукт относится к первому или второму качеству. Из теории и практики обогащения известно, что смешивание продуктов разного качества перед обогащением не допускается.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: