Проектирование технологических линий для утилизации отходов пищевых производств

Размещено на http://www.allbest.ru/

Проектирование технологических линий для утилизации отходов пищевых производств

И.В. Севостьянов, А.И. Ольшевский

Аннотация

В статье приводятся блок-схемы алгоритмов для выбора оптимальной структуры высокоэффективных технологических линий для утилизации отходов пищевых производств (спиртовой барды, пивной дробины, свекольного жома, кофейного и ячменного шлама), а также для определения основных рабочих параметров линий.

Ключевые слова: утилизация отходов пищевых производств, виброударная нагрузка, гидроимпульсный привод.

Анотація

У статті приводяться блок-схеми алгоритмів для вибору оптимальної структури високоефективних технологічних ліній для утилізації відходів харчових виробництв (спиртової барди, пивної дробини, бурякового жому, кавового та ячмінного шламу), а також для визначення основних робочих параметрів ліній.

Ключові слова: утилізація відходів харчових виробництв, віброударне навантаження, гідроімпульсний привод.

В данный момент значительная часть украинских предприятий сахарной, спиртовой и пивоваренной промышленности Украины испытывает трудности с утилизацией отходов (свекольного жома, спиртовой барды, пивной дробины, кофейного и ячменного шлама). В основном данные отходы, содержащие 90 - 95% воды, приходится выливать на землю, что приводит к загрязнению окружающей среды. Реализуемые на Западе технологии обезвоживания и сушки данных отходов с дальнейшим их использованием в качестве кормовых добавок, в нашей стране пока не получили широкого распространения, вследствие своей высокой энергоемкости, а также сложности и дороговизны применяемого оборудования [1].

Постановка проблемы. В статье решается проблема разработки высокоэффективного оборудования для утилизации отходов пищевых производств с использованием способов многостадийного виброударного обезвоживания и фильтрования с обеспечением высокой производительности рабочих процессов (от 1 до 10 т исходных отходов/ч), приемлемой энергоемкости (порядка 90 кВт/т удаленной жидкости), достаточно низкой конечной влажности твердой фазы отходов (20 - 22%) при сравнительной простоте надежности и дешевизне используемого оборудования с гидроимпульсным приводом (ГИП) [1].

Литературный обзор. Как указывалось выше, описанные в литературе [2, 3] известные способы обезвоживания и очистки отходов пищевых производств являются в большинстве случаев достаточно энергоемкими. Например, при использовании одного из наиболее эффективных способов низкотемпературного вакуумного обезвоживания в многоколонных аппаратах, затраты энергии составляют порядка 740 - 760 кВт/т. Правда известное оборудование для механического обезвоживания - шнековые и ленточные прессы, декантерные центрифуги - обеспечивают на два порядка более низкую энергоемкость, однако конечная влажность отходов на выходе данных прессов и центрифуг составляет от 30 до 76%, что обуславливает необходимость в их дополнительной сушке и существенно увеличивает общие затраты на утилизацию. Оборудование для химического и биологического обезвоживания является сравнительно громоздким, дорогим и малопроизводительным (длительность разделения порции отходов в некоторых аппаратах составляет от 10 до 40 ч). Что касается известных способов очистки отходов пищевых производств с использованием вакуумных фильтров, а также трубчатых или дисковых керамических фильтровальных мембран (способ тангенциального потокового фильтрования [3]), то они не обеспечивают высокой производительности рабочего процесса [1, 3]. Кроме того, фильтры со временем засоряются, что вынуждает останавливать процесс и осуществлять их очистку. Потоковое виброударное фильтрование по сравнению с безударным позволяет повысить производительность (на 18 ч 31% - при фильтровании спиртовой барды, свекольного жома и кофейного шлама), а также практически исключить необходимость периодической очистки фильтровальных мембран. Все это дает основание рассматривать предлагаемое оборудование с ГИП для виброударного обезвоживания и фильтрования как достаточно перспективное. технологический утилизация отход пищевой

Разработка блок-схемы алгоритма проектирования технологических линий для утилизации отходов пищевых производств. Для повышения эффективности гидроимпульсного оборудования для виброударного обезвоживания и фильтрования необходимо разработать блок-схему алгоритма синтеза на его основе технологических линий для утилизации отходов пищевых производств, с учетом их физико-механических характеристик, суточной массы отходов на предприятии, режима работы последнего, способа дальнейшего использования отходов и ряда других факторов. Кроме того, необходим алгоритм для определения основных производственных и рабочих показателей проектируемой линии (производительности, мощности и энергоемкости оборудования, параметров режима нагрузки). Описанные задачи и решаются в данной статье.

Как только что указывалось, первую группу исходных параметров для проектирования технологической линии образуют физико-механические характеристики отходов [1]. При этом учитывается их вид (в ряде случаев у предприятия может возникнуть необходимость утилизации отходов нескольких видов, например, кофейного и ячменного шлама), первоначальная U_н и конечная U_к влажность, первоначальная плотность - с_о и плотность с_о.о после окончательного обезвоживания, тип и интенсивность связей между частицами твердой и жидкой фаз отходов [1, 3], диаметр d_т.ч и молекулярная масса М_м твердых частиц отходов.

Так, вид отходов и соответствующие ему тип и интенсивность связей между частицами фаз определяют количество необходимых стадий виброударного обезвоживания для достижения заданной U_к твердой фазы. Очевидно, что при наличии в среде отходов более интенсивной связи между частицами необходимое количество стадий обезвоживания увеличивается. Кроме того, от указанных физико-механических характеристик зависит мощность, производительность, конструкция и режим работы оборудования проектируемой линии. Например, в соответствии с результатами экспериментальных исследований одного из авторов [1], при виброударном обезвоживании на гидроимпульсном стенде при одних и тех же режимах виброударной нагрузки в пресс-форме закрытого типа одинаковых по массе порций спиртовой барды, свекольного жома и кофейного шлама с U_н = 75%: U_к порций составляла соответственно 24, 22 и 20%. В свою очередь, d_т.ч и М_м позволяют определить необходимое число стадий виброударного фильтрования для достижения требуемого допустимого содержания химических и биологических примесных компонентов жидкой фазы и обеспечения возможности ее безвредного возврата в природу либо повторного использования на производстве [1, 3]. Так, при d_т.ч ? 0,1 ч 10 мкм и М_м = 1000 ч 500000 достаточно одной стадии микрофильтрования; при d_т.ч ? 0,01 ч 0,1 мкм и М_м = 1000 ч 100000 - необходимо последовательно осуществлять стадии микро- и ультрафильтрования; при d_т.ч ? 3 ч 10 мкм и М_м = 200 ч 400 - осуществляются микро-, ультра- и нонофильтрование.

Исходя из U_н и U_к может быть рассчитана требуемая производительность виброударного обезвоживания и фильтрования - П_о,ф [1]. Плотность с_о берется за основу при расчете массы обрабатываемой порции отходов, а следовательно и мощности проектируемого оборудования (см. ниже).

Вторая группа исходных параметров для проектирования связана с предприятием, на котором будет осуществляться утилизация отходов. При этом в первую очередь учитывается режим работы предприятия: количество смен - п_см и длительность Т_р.см работы оборудования в течении смены, а также суточная масса т_о.с утилизируемых отходов. Исходя из них просчитывается требуемая производительность - П_о,ф, энергоемкость - Е_о,ф и мощность (N_о1, N_о2, …; N_ф1, N_ф2, …) оборудования линии. Также рассматривается вопрос размещения проектируемой линии. Очевидно, что более рациональной будет установка линии в имеющихся на предприятии цехах, а лучше всего - в цеху, в котором накапливаются утилизируемые отходы. В последнем случае будут минимизированы затраты на транспортировку отходов от накопительного бункера до линии. Однако при этом, как правило, ужесточаются требования к допустимым габаритам линии и к ее компоновке. Если же размещение линии на имеющихся площадях не представляется возможным, для нее проектируется дополнительный отдельный цех, пристроенный к цеху с накопителем отходов. При наличии на предприятии незадействованного оборудования для обезвоживания и фильтрования (шнековых прессов, декантерных центрифуг, фильтровальных установок), его целесообразно включить в состав проектируемой линии для использования на стадиях предварительного обезвоживания и фильтрования [1].

Третья группа исходных факторов и параметров учитывает, то, каким образом будут использоваться утилизируемые отходы. В случае их предполагаемой реализации в качестве кормовых добавок с предварительным хранением на складе, необходимо сравнить U_к, которую обеспечит проектируемая линия после окончательного механического обезвоживания с заданной U_к.з. Если U_к > U_к.з следует предусмотреть дополнительную сушку для выполнения условия U_к ? U_к.з. Если же твердую фазу отходов после обезвоживания будут использовать как удобрение или в качестве топлива (кофейный и ячменный шлам [1]), тогда, обеспечиваемая после окончательного виброударного обезвоживания U_к = 20 ч 22% [1] является целиком приемлемой.

С учетом всего вышеизложенного, авторами была разработана блок-схема алгоритма синтеза структуры технологических линий для обезвоживания и фильтрования отходов пищевых производств, представленная на рис. 1.

На схеме, кроме указанных выше параметров, обозначены: преимущественный тип связей в среде обрабатываемых отходов между частицами твердой и жидкой фаз: ФМ - физико-механическая связь, С - свободная жидкость (преимущественным будем называть тип связи, характерный для более чем 50% объема обезвоживаемых отходов); интенсивность связей между частицами фаз: ИВ - интенсивность высокая, ИС - интенсивность средняя, ИН - интенсивность низкая (для каждой степени интенсивности можно указать точные диапазоны численных значений сил взаимодействия частиц, действующих в более чем 50% объема обезвоживаемых отходов).

При необходимости реализации всех четырех стадий обезвоживания (п_ст.о = 4) технологическая линия может включать: виброударное сито с ГИП для предварительного обезвоживания отходов до влажности 80 - 85%, шнековый пресс - для обезвоживания до влажности 75 - 80%, вибропресс с ГИП - для обезвоживания до влажности 70 - 75 и вальцовую установку с ГИП для окончательного обезвоживания до влажности 20 - 25% [1].

Рис. 1. Блок-схема алгоритма синтеза структуры технологических линий для утилизации отходов пищевых производств

Каждая из стадий микро-, ультра- и нанофильтрования осуществляется на отдельной установке с ГИП, при этом все установки могут быть выполнены по единой схеме, но с использованием разных мембран (соответственно для микро-, ультра- и нанофильтрования) и с увеличением от первой к последней стадии перепада давления между внутренними и внешними поверхностями мембран [1].

На втором этапе проектирования технологической линии для утилизации рассчитываются ее основные рабочие параметры (рис. 2). При этом первым шагом является определение необходимой производительности обезвоживания и фильтрования по формуле

(1)

Параметрами режимов виброударного обезвоживания являются частота н и амплитуда z_Ia возвратно-поступательных перемещений исполнительного элемента ГИП оборудования, а также максимальное давление рабочей жидкости р_г.тах в полости гидроцилиндра ГИП [1]. При виброударном фильтровании параметрами нагрузки являются: частота н и амплитуда z_Ia колебаний исполнительного элемента ГИП установки, а также максимальное давление р_о.тах в среде обрабатываемых отходов, циркулирующих по каналам трубчатой металлокерамической фильтровальной мембраны [1].

Оптимальные параметры нагрузки при виброударном обезвоживании определяем расчетным путем [1] либо с помощью экспериментальных стендов-прототипов проектируемого оборудования (виброударного сита, вибропресса и вальцовой установки с ГИП [1]) на основании полученных зависимостей П_о,ф - z_Ia, П_о,ф - н, П_о,ф - р_г.тах, U_к - z_Ia, U_к - н, U_к - р_г.тах. Соответственно, оптимальные параметры режимов виброударного фильтрования (z_Ia, н, р_o.тах) рассчитываем по формулам [1] или с использованием экспериментальных установок с ГИП для виброударного микро-, ультра- и нанофильтрования, после анализа зависимостей П_о,ф - z_Ia, П_о,ф - н, П_о,ф - р_о.тах.

Далее вычисляем мощности электродвигателей оборудования линии. Суммарную мощность электродвигателей виброударного сита с ГИП для предварительного обезвоживания [1] находим по формуле

(2)

в которой N_э.ГИП - мощность электродвигателя ГИП вертикальных колебаний верхней ветки основного конвейера сита, на котором происходит обезвоживание; N_э.кУ - суммарная мощность электродвигателей приводов основного и вспомогательного конвейеров (последний служит для сбора и отвода остатков отходов удаляемых скребком с ленты основного конвейера); N_э.вУ - суммарная мощность электродвигателей вентиляторов для просушки остатков отходов на нижней ветке основного конвейера с целью их максимально полного удаления.

Составляющую N_э.ГИП в формуле (2) рассчитываем как [1]

(3)

Рис. 2. Блок-схема алгоритма определения рабочих параметров технологических линий для утилизации отходов пищевых производств

где Q_н1 - производительность насоса ГИП сита; р₁, р₂ - давления открытия и закрытия вибровозбудителя ГИП [1], подключенного по схеме «на выходе» [4] (максимальное и минимальное давления рабочей жидкости в гидросистеме ГИП); з_н, з_э, з_м - КПД насоса, электродвигателя и муфты ГИП.

Учитывая, что длительность t_н.д этапа набора давления от р₂ до р₁ в объеме ГИП с вибровозбудителем «на выходе» составляет не более половины продолжительности Т_ц цикла его срабатывания [4]:

а также то, что

где W_ГИП - объем ГИП, в котором происходит увеличение давления от р₂ до р₁, а К_прГИП - приведенный модуль объемной упругости объема W_ГИП и рабочей жидкости в нем, формулу (3) переписываем в виде

(4)

При горизонтальной установке конвейеров сита мощность N_э.кУ можно определить по формуле [5]

(5)

в которой F_m - необходимая тяговая сила конвейера; v_к - средняя скорость перемещения ленты конвейера; т_о.к - масса отходов на верхней ветке конвейеров (приблизительно можно принять, что т_о.к на вспомогательном конвейере составляет 1/10 массы т_о.к на основном конвейере, вследствие чего используем коэффициент 1,1); k_с - коэффициент сопротивления движению [5]; L_к, В_к - длина и ширина конвейеров; h_о - толщина слоя отходов на верхней ветке основного конвейера. Для определения оптимальных v_к, L_к, h_о при условии обеспечения необходимых П_о,ф и U_к = 80 ч 85% следует провести эксперименты на виброударном сите - прототипе. Ширину В_к рассчитываем из условия

(6)

Тогда

(7)

После подстановки формулы (7) в формулу (5) получаем

(8)

Оптимальная N_э.вУ также определяется экспериментально на опытном виброударном сите для выполнения условия равномерной просушки остатков отходов на нижней ветке основного конвейера и их практически полного удаления с последней.

Мощность электродвигателя шнекового пресса определяем по зависимости [2]

 (9)

где Е_п - удельный расход энергии на прессование; К_т - коэффициент потери энергии на трение (К_т = 3 ч 5); з_а - коэффициент запаса мощности; з_п - КПД передачи от электродвигателя к шнеку [2].

Мощность электродвигателей вибропресса с ГИП находим по формуле

(10)

в которой N_э.ГИП - мощность электродвигателя ГИП вертикальных возвратно-поступательных перемещений вибростола с пресс-формой, через которую проходят обрабатываемые отходы; N_э.в.п - мощность электродвигателя вспомогательного привода вибропресса, создающего статический прижим пуансона к порции отходов в пресс-форме [1].

Составляющую N_э.ГИП вычисляем по формуле [1]

(11)

где Q_н1тах - максимальная подача насоса ГИП; р₁, р₂ - давления открытия и закрытия вибровозбудителя ГИП, подключенного по схеме «на входе» [4]; з_н1, з_э1, з_м1 - КПД насоса, электродвигателя и муфты ГИП.

Мощность N_э.в.п рассчитываем как

(12)

где Q_н2 - подача насоса вспомогательного привода; р_с.п - максимальное требуемое для виброударного обезвоживания на проектируемом вибропрессе давление статического прижима пуансона (может быть рассчитано по [1], либо определено экспериментально по зависимостям z_Ia - Р_ст, н - Р_ст, р_г.тах - Р_ст [1] (Р_ст - усилие статического прижима, которое зависит от р_с.п и площади поршня вспомогательного гидроцилиндра - S_п.в: ); з_н2, з_э2, з_м2 - КПД насоса, электродвигателя и муфты вспомогательного привода.

Мощность N_о4 вальцовой установки с ГИП для окончательного обезвоживания [1] определяем как

(13)

где N_э.ГИП - мощность электродвигателя ГИП установки, обеспечивающего вертикальные возвратно-поступательные перемещения двух вальцов, создающих виброударную нагрузку отходов сверху [1] - может быть рассчитана по формуле (4); N_э.м - мощность электродвигателя привода вращения матрицы установки, на которую равномерным тонким слоем выгружаются обезвоживаемые отходы [1]; N_э.в - суммарная мощность электродвигателей привода вращения вальцов установки [1]; N_э.в.н - мощность электродвигателя вакуумного насоса для отсасывания обезвоженных отходов с поверхности матрицы [1]; N_э.д - мощность электродвигателя привода диска, через отверстие которого обезвоженные отходы с накопителя вакуумного насоса периодически сбрасываются в контейнер сборник [1].

Мощность N_э.м определяем исходя из момента трения - М_тр.м в подшипниках вала матрицы [6], создаваемого гидроцилиндрами ГИП при возвратно-поступательных перемещениях вальцов, а также с учетом передаточных отношений и КПД элементов привода матрицы

 (14)

где щ_м, п_м - круговая [рад/с] и линейная [об/мин] частоты вращения матрицы; f_тр - приведенный коэффициент трения подшипников вала [6]; р₁ - максимальное давление в полостях гидроцилиндров ГИП установки (последний содержит два одинаковых гидроцилиндра), Па; F_п.ц - площадь поршня гидроцилиндра, м²; d - диаметр отверстия подшипника [6], мм; u_п.р, u_р.п - передаточные числа планетарного редуктора и клиноременной передачи в приводе матрицы; з_п.р, з_р.п, з_м, з_п.к - КПД планетарного редуктора, клиноременной передачи, упругой муфты и подшипников качения в приводе матрицы.

Мощность N_э.в находим с учетом момента М_тр.в трения в четырех подшипниках скольжения вальцов [6], создаваемого гидроцилиндрами ГИП

(15)

где f_тр - коэффициент трения в подшипниках [6]; d_п - диаметр подшипника, мм; щ_в, п_в - круговая [рад/с] и линейная [об/мин] частоты вращения вальца, (п_в соответствует п_м); u_п.р - передаточное число планетарных редукторов в приводе вальцов; з_п.р, з_м, з_п.с - КПД планетарных редукторов, упругих муфт и подшипников скольжения в рассматриваемом приводе.

Методика расчета эффективной мощности N_э.в.н пластинчатого вакуумного насоса [7] достаточно объемна и поэтому в данной статье не приводится.

Составляющую N_э.д определяем по моменту трения - М_тр.д в подшипниках вала диска, создаваемого силой тяжести отходов в накопителе по формуле [6]

(16)

где щ_д, п_д - круговая [рад/с] и линейная [об/мин] частоты вращения диска; с_о.о, W_о.н - плотность и объем обезвоженных отходов в накопителе; u_ч.р - передаточное число червячного редуктора привода диска; з_ч.р, з_м, з_п.к - КПД червячного редуктора, упругой муфты и подшипников качения в приводе матрицы.

Для расчета мощности электродвигателей установок с ГИП для потокового виброударного микро-, ультра и нанофильтрования используем формулу

(17)

в которой N_э.ГИП - мощность электродвигателя ГИП гидроцилиндра установки, создающего в среде фильтруемых отходов ударные волны напряжений и деформаций [1]; N_э.ц.н - мощность электродвигателя насоса, обеспечивающего постоянную циркуляцию отходов по каналам трубчатой керамической фильтровальной мембраны [1].

Составляющую N_э.ГИП определяем по формуле (4), а для расчета N_э.ц.н используем зависимость

(18)

где f_м - площадь поперечного сечения канала фильтровальной мембраны; п_к, п_м - число каналов мембраны и число мембран установки; р_н, н_н - номинальные, рекомендуемые фирмой-производителем мембран давление в среде отходов, циркулирующих по каналам мембран и средняя скорость их протекания по каналам; з_н2, з_э2, з_м2 - КПД насоса, электродвигателя и муфты вспомогательного привода установки.

На завершающей стадии проектирования линии рассчитываем еще один важный показатель ее эффективности - энергоемкость обезвоживания и фильтрования - Е_о,ф, при этом используем формулу

(19)

в которой i - число необходимых стадий обезвоживания: i = п_ст.о = 2 ч 4; j - число необходимых стадий фильтрования: j = п_ст.ф = 1 ч 3 (см. рис. 1).

Выводы

1. Для повышения эффективности технологических линий для утилизации отходов пищевых производств с использованием способов виброударного обезвоживания и фильтрования целесообразно разработать блок-схемы алгоритмов их проектирования.

2. При этом в качестве исходных данных для проектирования линий являются физико-механические характеристики утилизируемых отходов, данные о предприятии, на котором предполагается эксплуатировать линию, а также о способе дальнейшего использования отходов.

3. На первом этапе проектирования линий для утилизации с помощью предлагаемых блок-схем определяется число необходимых стадий обезвоживания и фильтрования, состав оборудования линии и место его размещения. На втором этапе рассчитываются основные рабочие параметры линии, в том числе производительность, энергоемкость, мощность ее оборудования, кроме того, выбираются оптимальные режимы нагрузки при виброударном обезвоживании и фильтровании.

4. С использованием предлагаемых блок-схем алгоритмов может быть разработана компьютерная программа для автоматизированного проектирования поточных технологических линий для виброударного обезвоживания и фильтрования отходов пищевых производств, внедрение которых позволит эффективно решить проблему их утилизации.

Литература

1. Севостьянов И. В. Процессы и оборудование для виброударного разделения пищевых отходов. Монография/ И. В. Севостьянов. - Saarbrьcken: LAP LAMBERT Academic Publishing, 2013. - 417 с. - ISВN: 978-3-659-47395-1.

2. Антипов С. Т. Машины и аппараты пищевых производств. В 2 кн. Кн. 1/ С. Т. Антипов, И. Т. Кретов, А. Н. Остриков; Под ред. В. А. Панфилова. - М.: Высш. шк., 2001. - 703 с.

3. Валентас К. Дж. Пищевая инженерия: справочник с примерами расчетов / Валентас К. Дж., Ротштейн Э., Сингх Р. П. - СПб.: Профессия, 2004. - 848 с.

4. Искович-Лотоцкий Р. Д. Машины вибрационного и виброударного действия/ Искович-Лотоцкий Р. Д., Матвеев И. Б., Крат В. А. - Киев : Технiка, 1982. - 208 с.

5. Проектирование ленточного конвейра. Методические указания для студентов специальности 190205 «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование» / А. В. Тарнопольский, Н. Е. Курносов, Л. П. Корнилаева, Ю. К. Измайлов. - Пенза : ПензГУ, 2009. - 60 с.

6. Анурьев В. И. Справочник конструктора-машиностроителя: в 3-х т.: Т.2. - 8-е изд. перераб. и доп. / Под ред. И. М. Жестковой. - М. : Машиностроение, 2001. - 912 с.

7. Фролов Е. С. Механические вакуумные насосы / Е. С. Фролов, И. В. Автономова, В. И. Васильев и др. - М. : Машиностроение, 1989. - 288 с.

Размещено на Allbest.ru