Актуальной проблемой предприятий АПК является повышение энергоэффективности производства путем внедрения ресурсо- и энергосберегающих технологий. Значительное ресурсосбережение в кормопроизводстве достигается за счет использования вторичного сырья. Какаовелла составляет 15 % от массы дорогостоящего импортного сырья семян какао-бобов и является побочным продуктом (отходом) перерабатывающей промышленности. Между тем в какаовелле содержится белок, крахмал, дубильные вещества, алкалоид, аминокислоты (лейцин, изолейцин, аланин, валин, тирозин, фениланин), клетчатка, крахмал, пектин и пентазан. На долю углеводов приходится 41–46 %, массовая доля белка, клетчатки и пентозанов превышает их массовую долю в ядре. Содержание витаминов в какаовелле в два раза выше, чем в ядре какао-бобов. Использование такого ценного по химическому составу вторичного сырья в производстве комбикормов ограничено отсутствием энергоэффективного измельчающего оборудования. Традиционное измельчающее оборудование в аппаратурно-технологических системах кормопроизводства не обеспечивает выход продукта с оптимальными качественными и энергетическими показателями. Решение этой проблемы возможно путем внедрения электромагнитного способа механоактивации [3, 4, 6, 12] в технологические схемы переработки сырьевых материалов. В результате теоретических и экспериментальных исследований [1, 5, 7–11] выявлено, что электромагнитные дисковые механоактиваторы ЭДМА-С и ЭДМА-К [2, 14] в технологических линиях производства витаминизированной добавки – какаовеллы обеспечивают получение готового продукта в узком и оптимальном диапазоне дисперсности при минимальных энергозатратах.
Цель работы – исследование энергоэффективности электромагнитных механоактиваторов дискового исполнения на основании анализа кинетических и энергетических закономерностей процесса диспергирования вторичного сырья шоколадного производства – какаовеллы.
Материал и методы исследований
Предметом исследований являются кинетические и энергетические закономерности процесса механоактивации в аппаратах типового ряда ЭДМА.
Результаты исследования и их обсуждение
Технологические требования, предъявляемые к гранулометрическому составу дисперсной фазы комбикорма с использованием витаминизированной добавки – какаовеллы [15], обуславливают использование двух критериев для оценки качества их измельчения – степень измельчения Dδ 1,8 и «проход» фракций размером менее 1,0 мм Dδ1,0.
С целью выявления кинетических и энергетических закономерностей процесса механоактивации какаовеллы были проведены серии опытов на аппаратах типового ряда ЭДМА (патенты РФ № 2045195 и № 84263) при различных режимах работы. Математической обработкой экспериментальных данных получено эмпирическое уравнение, позволяющее определить степень измельчения исследуемого продукта в любой момент времени обработки
(1)
где DδH – степень измельчения материала по контролируемым фракциям в начальный момент времени; t – время измельчения; Gg – коэффициент, характеризующий прочность продукта, его измельчаемость и условия измельчения; Gs – коэффициент, характеризующий скорость измельчения в начальный момент времени и определяющий наклон кинетической кривой к оси абсцисс в начале процесса.
Значения коэффициентов Gg и Gs приведены в табл. 1.
Таблица 1
Значения коэффициентов уравнения кинетики измельчения какаовеллы в ЭДМА
|
Исследуемый продукт |
Значение коэффициентов по критерию D1,8 |
Значение коэффициентов по критерию D1,0 |
|
Какаовелла |
Gg = 4,75 |
Gg = 1,692 |
|
Gs = 0,151 |
Gs = 0,092 |
|
|
GgGs = 0,717 |
GgGs = 0,155 |
Сравнительный анализ расчетных значений (Р) и опытных данных (О) представлен в табл. 2.
Математический анализ уравнения (1) показывает, что оно имеет физическое обоснование, так как удовлетворяет граничным условиям процесса измельчения и легко сводится к известному аналитическому уравнению Разумова [13]:
(2)
где Rδ – (Rȕckstand – остаток, нем.) измельченного материала (контролируемого крупного класса) в любой момент времени измельчения t; RδH – содержание крупного класса в начальный момент времени (t = 0);P и K – параметры уравнения кинетики (P = Gg и K = Gs).
В уравнениях (1) и (2) скорость измельчения 
или 
в начальный момент времени (когда t → 0) и в конце процесса (при t → ∞) имеет определенную конечную величину (не 0 и не ∞).
Таким образом, коэффициенты уравнения кинетики процесса измельчения какаовеллы в ЭМДА могут быть определены аналитическим путем по двум точкам кинетической кривой, т.е. по двум значениям «остатков» R1,8 и R1 при времени обработки t2 = 2t:
(3)
Таблица 2
Расчетные и опытные данные по измельчению какаовеллы в ЭДМА
|
Исследуемый продукт |
«Durchgang» по контролируемой фракции менее 1,8 мм |
Время измельчения, с |
|||||
|
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
60 |
||
|
Какаовелла |
Dδ1,8(О) |
19,0 |
39,9 |
63,2 |
78,9 |
90,5 |
97,0 |
|
Dδ1,8 (Р) |
18,5 |
41,1 |
62,9 |
79,7 |
90,4 |
96,5 |
|
|
Dδ1,8(0)–Dδ1,8(Р) |
0,5 |
-1,2 |
0,3 |
-0,8 |
0,1 |
0,5 |
|
|
Какаовелла |
«Durchgang» по контролируемой фракции менее 1,0 мм |
Время измельчения, сек |
|||||
|
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
60 |
||
|
Dδ1,0(О) |
9,2 |
18,0 |
26,9 |
34,5 |
42,0 |
48,2 |
|
|
Dδ1,0 (Р) |
9,0 |
17,8 |
26,1 |
33,9 |
41,2 |
47,9 |
|
|
Dδ1,0(0)–Dδ1,0(Р) |
0,2 |
0,2 |
0,8 |
0,6 |
0,8 |
0,3 |
|
Решение этой системы дает следующее значение коэффициентов уравнения кинетики:
(4)
(5)
По формулам (4) и (5) определены коэффициенты Gg и Gs и составлены уравнения кинетики, описывающие содержание контролируемых фракций измельченной в ЭДМА какаовеллы в любой момент времени обработки (табл. 3).
Таблица 3
Уравнения кинетики процесса измельчения в ЭДМА
|
Исследуемый продукт |
Уравнение кинетики по «остатку» фракций размером более 1,8 мм |
Уравнение кинетики по «остатку» фракций размером более 1,0 мм |
|
Какаовелла |
|
|
Продолжительность обработки какаовеллы в ЭДМА до содержания готового класса (1,8 мм) от 30 до 90 % определялась по формуле [13]:
(6)
где
DδН(1,8), Dδ(1,8) – степень измельчения продукта в начальный и конечный моменты времени обработки в ЭДМА.
Относительное возрастание затрат энергии при измельчении какаовеллы от степени измельчения Dδ1,8 = x (0 ˂ x ˂ 90 %) до стандартизированной степени измельчения Dδ1,8 = 90 % определяется только отношением времени измельчения до 90 % ко времени измельчения до Dδ1,8 = x, так как мощность рабочего процесса в ЭДМА при делении сократится.
Из анализа табл. 4 и 5 следует, что относительное возрастание затрат энергии при снижении крупности какаовеллы в типовых рядах аппаратов ЭДМА имеют одинаковые значения, что позволяет моделировать промышленное измельчение в лабораторных условиях.
Зависимость относительных затрат энергии при измельчении какаовеллы электромагнитным способом от содержания в продукте готового класса (1,8 мм) до стандартизированного значения представлена на рисунке.
Таблица 4
Продолжительность обработки какаовеллы от 30 до 90 %
|
Тип аппарата |
Время измельчения, с до содержания класса 1,8 мм |
||||||
|
30 |
40 |
50 |
60 |
70 |
80 |
90 |
|
|
ЭДМА-С |
20,42 |
20,64 |
20,89 |
30,21 |
30,65 |
40,35 |
60,06 |
|
ЭДМА-К |
20,47 |
20,71 |
20,9 |
30,35 |
30,83 |
40,57 |
60,25 |
Таблица 5
Относительные затраты энергии при измельчении компонентов корма в ЭДМА
|
Тип аппарата |
Относительные затраты энергии |
|||||
|
t90/t30 |
t90/t40 |
t90/t50 |
t90/t60 |
t90/t70 |
t90/t80 |
|
|
ЭДМА-С |
2,504132 |
2,295455 |
2,096886 |
1,88785 |
1,660274 |
1,393103 |
|
ЭДМА-К |
2,530364 |
2,306273 |
2,155172 |
1,865672 |
1,631854 |
1,367615 |
Зависимость относительных затрат энергии при измельчении какаовеллы от содержания в продукте готового класса (1,8 мм)
Выявленная закономерность позволяет моделировать процесс промышленной переработки какаовеллы в лабораторных условиях при условии адекватности силовых и энергетических воздействий на частицы продукта в магнитоожиженном слое рабочих объемов ЭМДА.
Заключение
В результате исследований кинетических закономерностей изменения гранулометрического состава какаовеллы в ЭДМА получено уравнение кинетики, удовлетворяющее граничным условиям процесса измельчения. Уравнение кинетики позволяет определять относительные затраты энергии на обработку продукта до стандартизированной степени измельчения и моделировать промышленное измельчение в лабораторных условиях.
Рецензенты:
Ракутько С.А., д.т.н., профессор, заведующий лабораторией энергоэффективных электротехнологий ГНУ СЗ НИИМЭСХ Россельхозакадемии, г. Санкт-Петербург;
Салова Т.Ю., д.т.н., профессор, зав. кафедрой «ТиТ» «Санкт-Петербургский аграрный университет», г. Санкт-Петербург.
Работа поступила в редакцию 17.10.2013.