Научное обоснование методов комплексной интенсификации драного процесса

31.10.2014

В качестве исходных данных для обоснования методов приняты результаты работы вальцовых станков на драных системах Одесского, Кулиндоровского и Бельцского комбинатов хлебопродуктов. Они работают по классической схеме трехсортного помола. Первые два комбината — на комплектном оборудовании, а третий — на традиционном. Отбор проб осуществлялся на протяжении трех суток при переработке одной помольной партии в режиме одна смена в сутки. Представительные пробы каждого продукта были составлены ил 48 разовых проб и их массы изменялись в пределах 20...27 кг. За время исследований было переработано в среднем около 750 тонн зерна. Стекловидность переработанного зерна и результаты работы вальцовых станков представлены в табл. 3.1-3.3.

Показатели оценки, принятые для анализа. Технологическую эффективность драных систем принято оценивать рядом показателей. Основными из них, непосредственно или косвенно обобщающими остальные, являются выход и качество крупок, муки и дунстов. Качество оценивают зольностью. Однако этот показатель необъективен для продуктов, которые подвергаются обогащению, так как он не характеризует способность смеси к разделению. Показателем, характеризующим такую способность, можно считать предложенную автором в степень раскрытия разделяемых фаз, т. е. эндосперма и оболочек. С ее увеличением повышается эффективность обогащения. Степень раскрытия отвечает физической сущности избирательного измельчения и непосредственно характеризует его эффективность. Она также характеризует качество продукта, т. к. представляет собой сумму содержания свободных частиц эндосперма и оболочек. Следовательно, можно считать степень раскрытия совокупным показателем эффективности процесса.
Поскольку разрыв связей между оболочками и эндоспермом в драном процессе осуществляется при разрушении зерна, то соотношение между степенью измельчения и степенью раскрытия, как это было показано ранее, также характеризует эффективность процесса. Однако применение этого показателя целесообразно при сопоставлении и выборе способов измельчения и реализующих их измельчителей, что будет показано в последующих главах. Поэтому для оценки результатов исследований воспользуемся показателем, характеризующим готовность крупок к обогащению, т. е. степенью раскрытия. Минимальные Значения последней обоснованы ранее, коррелируются с и определены автором в работе.

Анализ результатов исследований. Результаты микроскопических анализов и расчета степени раскрытия представлены в табл. 3.1-3.3. Они показывают, что степени раскрытия более крупных классов ниже чем 100 %, в то время как дунстов и муки равны 100%. Следовательно, для полного раскрытия эндосперма на вальцовых станках необходима степень измельчения фракции не менее 87. Однако для продуктов, направляемых на обогащение, ее значение не должно превышать 28. Степени раскрытия крупок и дунстов, направляемых на обогащение, близки к необходимым. Сходовые продукты имеют низкие степени раскрытия и направляются на последующие драные системы или подвергаются вымолу в вымольных машинах. Это характерно как для комплектного, так и традиционного оборудования.
Общая степень раскрытия продуктов измельчения первых трех драных систем довольно низкая и находится в пределах 36-39 %. Она повышается на полтора-два десятка на вторых драных системах и значительно увеличивается на последующих. Эти данные свидетельствуют о том, что рост эффективности отделения оболочек от эндосперма преимущественно происходит за счет снижения крупности частиц, а не изменения их структурно-механических свойств. Очевидно, этим можно объяснить разработку и создание фирмой “Buhler” восьмивальцового станка Эйртроник модели MDDL с двухкратным последовательным измельчением продукта без промежуточного рассева.
Возможности вальцовых станков по снижению крупности продукта при избирательном измельчении за один проход ограничены ввиду ряда причин. Определим основные в порядке их значимости. Это, прежде всего, однократность акта приложения нагрузки и разрушения, недопустимость установки межвальцового зазора, менее рекомендуемого для данной системы, и особенности механизма реализации самого способа измельчения. Рассмотрим влияние этих причин на качественно-количественные и энергетические показатели процесса.
Однократность акта предполагает развитие разрушающих усилий для наиболее прочных зерновок и в области, как правило, значительно превышающей предел прочности менее прочных зерновок. Такой механизм разрушения ограничено соответствует росту трещин, развитию их в дислокации и не прессованию продукта. Подтверждением этому может служить прессование измельчаемого продукта на 1-3 р. с., которое устраняется применением энтолейторов, и снижение затрат энергии до 30 % при применении систем предразрушения. Последнее было известно в России и значительно раньше, чем это было применено фирмой “Buhler” в восьмивальцовых станках типа MDDL.

Недопустимость установки межвальцового зазора, менее рекомендуемого для данной системы, обусловлена снижением угла захвата и динамического коэффициента трения измельчаемого продукта о рабочую поверхность. Несоответствие последних, равно как и повышение относительной скорости движения вальцов, снижает избирательность измельчения вследствие повышенного скольжения зерна по их поверхности. Примером этому являются многочисленные исследования, указывающие на повышение зольности муки. Повысить угол захвата возможно при увеличении диаметра вальцов. Однако при этом увеличится крутящий момент, а, следовательно, и расход электроэнергии.
Степень измельчения, рассчитанная как средневзвешенная величина для продуктов драных систем, находится в пределах 1,5...2,9 (табл. 3.1-3.3). Ее повышение, при данном способе измельчения, приводит, как указывалось выше, к повышению зольности и энергозатрат. Следовательно, повышение степени раскрытия измельчаемого в вальцовых станках продукта нецелесообразно.
Известно, что совершенство любого технологического процесса в итоге характеризуется уровнем соответствия условий его проведения особенностям структурно-механических свойств перерабатываемого материала. Рассмотрим эту аксиому на примере драного процесса. Исследованиями В.Я. Гиршсона установлено, что разрушающие усилия сжатия для зерна и эндосперма пшеницы превалируют над усилиями сдвига и среза. В большей степени это наблюдается для твердых сортов пшеницы, При этом разрушающие усилия оболочки при растяжении вдоль и поперек волокон в 2-3 раза ниже усилия сжатия. Тогда способ измельчения в вальцовых станках, основанный на сочетании деформаций сжатия и сдвига, не отвечает минимальным затратам энергии, возможным при срезе. Кроме этого деформации среза неприемлемы при сортовом помоле, так как равно разрушают и оболочки. Деформациям сдвига в межвальцовом зазоре всегда предшествуют деформации сжатия. В противном случае будет наблюдаться нежелательное для драного процесса скольжение зерен по поверхности вальцов. Величина деформаций сжатия определяется с одной стороны крупностью поступающего на измельчение продукта, а с другой — величиной межвальцового зазора. Их соотношение должно обеспечить разрушение всех зерновок. Тогда зазор устанавливается таким, чтобы обеспечить разрушение самых мелких зерен зерновки. При этом крупная зерновка испытывает значительно большие, чем необходимо для ее разрушения, деформации, что снижает избирательность измельчения и повышает энергозатраты. Следовательно, измельчение зерна пшеницы в фиксированном зазоре нуждается в комплексной интенсификации.
Согласно данным ранее зерно пшеницы следует отнести к конденсационно-кристаллизационным структурам. Для этих структур характерна зависимость деформаций от напряжений. Характер их реограмм и классификация Горбатого А. В. относят зерно пшеницы к реологическим телам. Следовательно, каждому циклу разрушения предшествует цикл деформации, на который расходуется определенное количество энергии. Ее значение тем больше, чем больше масса продукта подвергающегося повторному нагружению. После I др.с. 65...75 % продукта подвергается повторному измельчению, что способствует росту энергозатрат.
Механизм избирательного измельчения в вальцовых станках, особенно на первых его этапах, направлен на интенсивное отделение эндосперма от оболочек при их минимальном измельчении. Этому способствует известное соотношение скоростей вальцов. Однако это характерно только для хорошо выполненного зерна, имеющего соответственно минимальную площадь срастания оболочки с эндоспермом. Для плохо выполненного зерна с большой площадью срастания сдвиговые деформации мало приемлемы для избирательного измельчения.
Методы комплексной интенсификации драного процесса. Проведенная оценка работы вальцовых станков показывает, что повышение эффективности процесса измельчения на драных системах возможно только методами комплексной интенсификации. Последние предлагают сочетание методов интенсификации различной природы (механические, физические, химические и др.) с конструктивными решениями их обеспечивающими. Рассмотрим возможные методы интенсификации в порядке их представления.
Механические методы, как следует из анализа, первостепенно должны касаться способа приложения разрушающих усилий. В известном в вальцовых станках изначально заложен эффект проскальзывания измельчаемого продукта относительно рабочих поверхностей посредством заданного соотношения скоростей вальцов. Частично он снижен за счет геометрии поверхности вальцов особенно в драном процессе. Однако наличие рифлей и микрошероховатостей способствуют в первом случае развитию эффекта среза, а во втором — истирания. Последние, как известно, способствуют разрушению оболочечных продуктов. Кроме этого, развитие сдвиговых деформаций, как менее энергоемких для разрушения, возможно только после развития деформаций сжатия, которые более энергоемкие и приводят к нерациональному расходу энергии. Устранение рассмотренных отрицательных эффектов возможно заменой трения скольжения, при развитии сдвиговых усилий, на трение качения, которое, как известно, значительно ниже.
К физическим методам, интенсифицирующим процесс, в совокупности с исследованиями указанными ранее, следует отнести разупрочнение перед измельчением, снижение вероятности переизмельчения и агрёгирования, повышение вероятности разрушения до необходимого размера и согласование периодичности нагружения с особенностями реологических свойств разрушаемого материала.
Реализация рассмотренных методов, очевидно, требует принятия новых конструктивных решений и новой организации процесса, которые находятся за пределами вальцовых станков. Рассмотрим реализацию методов интенсификации посредством новых конструктивных решений, принятию которых предшествуют технические. Ими, очевидно, может быть многократное приложение усилий с регулируемым периодом и интенсивностью. В технике измельчения, согласно сведениям данным ранее, подобное техническое решение известно в планетарных мельницах и инерционных дробилках, где рабочие органы цилиндрической формы обкатывают внутреннюю рабочую поверхность корпуса как сателлиты. Они также способствуют формированию вращающегося внутри корпуса воздушно-дисперснохо потока. Соответствующая организация последнего обеспечит эффект циклонирования, а следовательно, и разделение тонкодисперсного продукта по крупности. Принятие такого технического решения как рабочего обеспечит выполнение всего комплекса методов, интенсифицирующих процесс. Конструктивным решением, обеспечивающим данное техническое решение, является конструкция планетарного механизма. Следовательно, данное конструктивной решение способствует интенсификации процесса измельчения.