Влияние степени измельчения кукурузного и пшеничного зернового сырья на энергозатраты при двухступенчатом разваривании

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВЛИЯНИЕ СТЕПЕНИ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ КУКУРУЗНОГО И ПШЕНИЧНОГО ЗЕРНОВОГО СЫРЬЯ НА ЭНЕРГОЗАТРАТЫ ПРИ ДВУХСТУПЕНЧАТОМ РАЗВАРИВАНИИ

Степень измельчения зерна в технологии производства ректификованного спирта оказывает существенное влияние на последующие процессы: разваривание зернового замеса, осахаривание и брожение. Экспериментальное определение оптимальной степени измельчения на базе технико-экономических показателей производства спирта связано с очень большим объемом работ. В этой связи при решении указанной задачи целесообразно использовать методы математического моделирования. Достаточно подробная и обоснованная математическая модель разработана по экспериментальным данным низкотемпературного ферментативного разваривания пшеничной крупки в лабораторных условиях [1], а также по данным промышленных испытаний для кукурузной [2] и пшеничной крупки [3] при высокотемпературном двухступенчатом разваривании зернового замеса. В основу модели положено решение уравнения нестационарной диффузии, которое выполнено численным методом сеток по неявной схеме. В модели учтен разрыв крахмальных гранул в результате набухания и, следовательно, отрыв слоев материала, граничащих с жидкой фазой, в период всего процесса вплоть до полного разваривания зерновой крупки. Учтена также динамика изменения температур при нагревании зернового замеса и его разваривании. Точность результатов моделирования нестационарной диффузии проверена путем сравнения с результатами известных аналитических решений, полученных с помощью метода разделения переменных [4]. Идентификация математической модели проведена при использовании в качестве параметра величины энергии активации по данным работы спиртовых заводов ООО «КХ Восход» (республика Адыгея, г. Майкоп) и ООО «Стандарт Спирт» (Кабардино-Балкарская республика, г. Нарткала), на которых используется степень измельчения, соответственно по спиртзаводам, для кукурузной крупки при 90 %-ном проходе через сито и для пшеничной крупки 80 %-ном проходе через миллиметровое сито.

В настоящей работе проанализировано влияние размера частиц кукурузной и пшеничной крупки на энергетические затраты при разваривании. Моделирование проведено для частиц крупки размером, в мм: 0,5; 0,75; 1; 1,25; 1,5; 1,75 и 2. Двухступенчатое разваривание на обоих спиртзаводах протекало по следующей технологической схеме. После смешения в смесителе измельченного зерна с водой в пропорции 1:3 (1 кг зерна на 2,5-3 литра воды) замес подавался насосом через контактную головку вместе с паром из парового коллектора в выдерживатель I ступени, где обрабатывался под избыточным давлением 3,6-3,8 атм, затем поступал в паросепаратор-выдерживатель II ступени, где за счет резкого падения давления до 1,3-1,4 кгс/см2 происходило охлаждение замеса и выделение вторичного пара. На обоих спиртзаводах используется крупка, размером 1 мм. Технологический режим разваривания приведен в таблице 1.

Таблица 1 - Технологический режим разваривания на спиртзаводах ООО «Стандарт Спирт» (г. Нарткала) и ООО «КХ «Восход» (г. Майкоп)

Найденные значения энергии активации и коэффициентов диффузии D при идентификации двухступенчатого разваривания приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Параметры идентификации модели разваривания

Определение времени разваривания для частиц, размер которых отличен от 1 мм, требует большого объема вычислений. В связи с тем, что используемое на производстве время разваривания на каждой из ступеней найдено в результате лабораторных испытаний и подтверждено в производственных условиях, то при поиске необходимого времени разваривания использовано то же соотношение времен для частиц другиз размеров. В связи с этим подбиралось такое суммарное время разваривания, при котором частицы крупки были полностью разварены. Этот итерационный процесс потребовал очень больших затрат машинного времени. Зависимость времени разваривания от размера частиц крупки приведена на рисунке 1. Результаты расчета времени разваривания кукурузной и пшеничной крупки для обеих ступеней приведены в таблицах 3 и 4.

Таблица 3 - Расчетное время разваривания кукурузной крупки

Таблица 4 - Расчетное время разваривания пшеничной крупки

Данные таблиц 3 и 4 использованы для определения оптимальной степени измельчения при принятии в качестве критерия оптимизации минимума суммарных энергозатрат на измельчение и разваривание.

Работа, затраченная на измельчение , Дж/кг, определена по формуле С.В. Мельникова [5]

,

где ? степень измельчения (отношение величины крупности исходного материала к крупности размолотого); , - коэффициенты, зависящие от свойств измельчаемого материала, Дж/кг.

В расчетах принято кДж/кг и кДж/кг.

Степень измельчения определена по выражению (3) [5]

,

где D, d ? эквивалентный диаметр частиц до и после измельчения, мм.

Рисунок 1 - Зависимость времени разваривания от размера частиц крупки

Эквивалентный диаметр частиц после измельчения принят равным размеру частиц крупки. Для определения эквивалентного диаметра зерна кукурузы и пшеницы необходимо определить объем зерновки. Для этого рассмотрим геометрическую форму зерна кукурузы и пшеницы, а также характеристики длины, ширины и толщины, приводимые в литературе.

Зарубежными авторами [6] предлагается рассматривать форму зерна кукурузы в виде параллелепипеда. На рисунке 2 приведены характерные размеры для зерна, выращенного в Мексике. Вычисленный по этим размерам эквивалентный диаметр оказался равным 9,784 мм.

Рисунок 2 - Зерно кукурузы [6]

Рассмотрим отечественные зерна кукурузы и пшеницы, внешний вид которых приведен на рисунках 3 и 4. Геометрическая форма зерна кукурузы различна. Круглые зерна можно отнести к яйцеобразной форме (рисунок 3 а), а большие плоские - к неравностороннему эллипсоиду (рисунок 3 б). Зерно пшеницы (рисунок 4) определим как неравносторонний эллипсоид.

Рисунок 3 - Зерно кукурузы [7]

Рисунок 4 - Зерно пшеницы [8]

В соответствии с внешним видом проведем расчет, основываясь на геометрической форме яйца и неравностороннего эллипсоида.

Применяя принцип «золотого сечения» при расчете геометрических показателей авторами [9] изучена форма яиц, классифицированная на: а - моноасимметрическое; б - биоасимметрическое и в - симметрическое (рисунок 5).

Рисунок 5 - Форма яиц [9]

В результате определено [9], что объем любого яйца независимо от его геометрии подчиняется формуле

,

где b и l - линейные размеры яйца (l > b).

Объем неравностороннего эллипсоида (рисунок 6) вычисляется по формуле (5) [10]. разваривание зерновой пшеница дробление

.

Характеристика зерен кукурузы (длина и толщина), калиброванных на шесть фракций (по Цециновскому) приведена в работе [11] (таблица 5). Объем зерна кукурузы вычислен по формуле (4) (таблица 5, фракции 1 и 2) и по формуле (5) - для фракции 3. В качестве эквивалентного диаметра принят диаметр шара, объем которого равен объему зерна. Результаты расчетов, вычисленные по средним значениям длины и ширины, приведены в таблице 6.

Таблица 5 - Геометрические размеры зерна кукурузы

Таблица 6 - Результаты расчетов эквивалентного диаметра зерна кукурузы

Эквивалентный диаметр, найденный по среднему значению объема мм3 (таблица 4, фракция 3), составляет мм. Примем мм.

Размеры зерна пшеницы приведены в таблице 7. Эквивалентный диаметр зерна пшеницы определим так же, как для зерна кукурузы. Так как в уравнении (5) параметры a, b и c являются радиусами по трем осям координат, то средние значения длины, ширины и толщины (таблица 7), разделим пополам. Объем зерновки пшеницы вычислим по формуле (5). Результаты расчетов приведены в таблице 8.

Таблица 7 - Геометрические размеры зерна пшеницы

Таблица 8 - Результаты расчета эквивалентного диаметра зерна пшеницы

Полученные значения объема зерна пшеницы (таблица 8) находятся в согласии с диапазоном экспериментальных значений, приведенным в таблице 7. Эквивалентный диаметр, найденный по среднему значению объема (таблица 7) составляет мм. По данным С.В. Мельникова [5] средний диаметр для пшеницы равен 3,8 мм, что находится в согласии с полученными данными.

Мощность на дробление N, Вт, вычислим по формуле (6) [5]

,

где G ? количество перерабатываемого зерна, кг/с.

В работе [12] крахмалистость кукурузы приведена в диапазоне от 67 до 76 %. По данным исследований, проведенных в работе [13], крахмалистость двух образцов фуражного зерна кукурузы, поступившего на переработку на спиртовые предприятия РФ в 2009-2010 гг. (природно-климатические условия выращивания и сбора зерна в эти года существенно отличались друг от друга) составила 64,7 % и 62,9 % на СВ. По данным [14] содержание крахмала в кукурузе в среднем составляет 66 % от СВ злака. Таким образом, при средней крахмалистости зерна кукурузы 66 % и выходе спирта из 1 т условного крахмала 65,9 дал согласно нормам технологического проектирования предприятий спиртовой промышленности НТП 10-12976-2000* для производства 6000 дал спирта в сутки на ООО «Стандарт Спирт» (г. Нарткала) требуется 138 т зерна в сутки или порядка кг/с.

В соответствии с НТП 10-12976-2000* при крахмалистости зерна пшеницы 52,3 % и выходе спирта из 1 т условного крахмала 66,4 дал для производства 3000 дал спирта в сутки на ООО «КХ «Восход» требуется 86,33 ( ? 87) т зерна в сутки или порядка кг/с.

Результаты расчетов мощности на дробление приведены в таблицах 9 и 10.

Расчет затрат на греющий пар проведен из условия, что потери теплоты пропорциональны времени процесса разваривания и, таким образом, возрастал при увеличении размера частиц крупки.

Количество зернового замеса при гидромодуле вода-зерно 3:1 составляет для кукурузы =138·4=552 т/сут. и для пшеницы =87·4=348 т/сут. Учитывая, что кукурузный замес при разваривании нагревается от єС до єС, а пшеничный от єС до єС, то количество требуемой для этого теплоты Q составит

,

где C ? теплоемкость замеса, Дж/(кг·К).

C вычислена по правилу аддитивности при гидромодуле вода-зерно 3:1, равная для кукурузного замеса 3420 Дж/(кг·К), для пшеничного - 3800 Дж/(кг·К) [15].

Поскольку время разваривания влияет только на потери теплоты, были определены потери теплоты в случае разваривания замеса при размере частиц 1 мм. Они оказались равными при разваривании кукурузы 19,82 ГДж/сут., пшеницы 12,96 ГДж/сут. Величина потерь теплоты при других размерах частиц вычислена пропорционально времени разваривания. Затраты теплоты в стоимостном выражении найдены при цене 1 ГДж, равной 120 руб. Стоимость электроэнергии определена из расчета 500 руб. за 1 ГДж. Общие затраты вычислены как сумма затрат на дробление и потери теплоты (таблицы 9 и 10). Зависимость суммарных энергозатрат от размера частиц крупки представлена на рисунках 7 и 8.

Таблица 9

Таблица 10

Рисунок 7 - Зависимость суммарных энергозатрат от размера частиц кукурузной крупки

Рисунок 8 - Зависимость суммарных энергозатрат от размера частиц пшеничной крупки

Из рисунков 7 и 8 видно, что оптимум по энергозатратам как при переработке кукурузы, так и пшеницы находится в районе размера частиц крупки, равного 1 мм.

Список литературы

1. Константинов Е.Н., Короткова Т.Г., Ксандопуло С.Ю., Черепов С.В. Разработка модели разваривания зернового замеса // Вестник ВГУИТ, 2014. № 1. С. 40-46.

2. Черепов С.В., Короткова Т.Г., Мариненко О.В., Солонникова Н.В. Моделирование нестационарной диффузии при разваривании зерновой крупки методом сеток и на базе аналитических решений // Известия вузов. Пищевая технология, 2014. - № 2-3 - С. 113-116.

3. Ruiz-Gutiйrrez M.G., Quintero-Ramos A., Melйndez-Pizarro C.O., Lardizбbal-Gutiйrrez D., Barnard J., Mбrquez-Melendez R., Talamбs-Abbud R. Changes in mass transfer, thermal and physicochemical properties during nixtamalization of corn with and without agitation at different temperatures // Journal of Food Engineering 98 (2010) 76-83

4. Эллипсоид. Неравносторонний эллипсоид http://planetcalc.ru/149/

5. Пипилюк В.Л. Технология хранения зерна и семян: Вузовский учебник, 2009. 457 с.

6. Андреев Н.Р., Карпов В.Г. Структура, химический состав и технологические признаки основных видов крахмалсодержащего сырья // Хранение и переработка сельхозсырья, 1999. № 7. С. 30-33.

Аннотация

ВЛИЯНИЕ СТЕПЕНИ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ КУКУРУЗНОГО И ПШЕНИЧНОГО ЗЕРНОВОГО СЫРЬЯ НА ЭНЕРГОЗАТРАТЫ ПРИ ДВУХСТУПЕНЧАТОМ РАЗВАРИВАНИИ

Черепов Сергей Владимировичаспирант

Майкопский государственный технологический университет, г. Майкоп, Россия

В статье проанализировано влияние размера частиц кукурузной и пшеничной крупки на энергетические затраты при высокотемпературном разваривании. Приведена графическая зависимость времени разваривания от размера частиц зерновой крупки. Определены эквивалентные диаметры зерновок кукурузы и пшеницы. Установлено, что минимальные энергозатраты соответствуют размеру частиц, равному 1 мм, широко применяемому на спиртовых заводах России

Ключевые слова: ДВУХСТУПЕНЧАТОЕ РАЗВАРИВАНИЕ, КУКУРУЗА, ПШЕНИЦА, СТЕПЕНЬ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ, ЭНЕРГОЗАТРАТЫ, ДИФФУЗИЯ

INFLUENCE DEGREE OF GRINDING CORN AND WHEAT GRAIN MATERIAL ON ENERGY WITH TWO-STAGE OF COOKING

Cherepov Sergey Vladimirovich postgraduate student

The article analyzes the effect of particle size of corn and wheat middlings on energy costs at temperature cooking. It shows a graphical depiction time of cooking on the particle size of middlings grits. We have also defined the equivalent diameters of seed corn and wheat. We have found that the minimum energy correspond to a particle size of 1 mm, is widely used in alcohol plants in Russia

Keywords: TWO-STAGE OF COOKING, CORN, WHEAT, DEGREE OF GRINDING, ENERGY, DIFFUSION

Размещено на Allbest.ru