Научно-техническое обоснование совершенствования и разработки энерго- и ресурсосберегающих схем и оборудования производства растительных масел

665.3.004.15

НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ И РАЗРАБОТКИ ЭНЕРГО- И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ СХЕМ И ОБОР УДОВАНИЯ ПРОИЗВОДСТВА РАСТИТЕЛЬНЫХ МАСЕЛ

В.В. ДЕРЕВЕНКО

Кубанский государственный технологический университет

В производстве растительного масла задачи энер-го- и ресурсосбережения и создания высокоэффективных схем и оборудования целесообразно рассматривать со следующих позиций. Во-первых, с точки зрения оптимизации процессов по организации движения и взаимодействия материальных и энергетических потоков в существующих аппаратах, агрегатах, установках, линиях и схемах производства, а также их совершенствования. Во-вторых, в более широком смысле, -это разработка новых высокоэффективных и энерго- и ресурсосберегающих технологий, схем, линий, агрегатов, установок и энергоэкономичного оборудования. Для решения этих задач необходим последовательный анализ проблемы на иерархических уровнях мега-, макро-, мезо- и микромасштаба [1] с учетом аппаратурно-технологических особенностей производства растительных масел. Следует иметь в виду, что функционально-структурный подход системного анализа технологических линий определяет правила и порядок этапов исследований и всей многоуровневой системы в целом. Поэтому настоящие исследования, связанные с совершенствованием и разработкой высокоэффективных и энерго- и ресурсосберегающих схем и оборудования, во-первых, проводились в рамках той или иной подсистемы и были направлены на достижение поставленной цели. Во-вторых, построены на принципе нисходящей иерархии анализа и восходящей иерархии синтеза в решении поставленных задач. В-третьих, осуществлялись путем пропорционально-последовательного продвижения по всему комплексу взаимосвязанных этапов, прямых и обратных связей между ними и с их энерготехнологической оценкой для выявления потенциальных источников вторичной тепловой энергии, которая может быть использована в технологических процессах. При этом поэтапный анализ, с учетом особенностей и специфики процессов переработки масличных семян, обеспечивает применение принципа пространственно-временных масштабов, который необходим для исследования и разработки совмещенных высокоэффективных технологических процессов и создания многофункциональных машин и аппаратов. Единство подхода к каждой стадии исследований связано с использованием методов совмещенного математического и физического моделирования, с разработкой на этой основе конкретных технических решений

и определением перспективных направлений будущих исследований.

Уровень мегамасштаба - это взаимодействие производства с внешней средой, решение поставленных задач, прежде всего, должно быть направлено на охрану биосферы. Производство растительного масла, осуществляемое по схеме форпрессование-экстракция, является сложной технологической системой, для которой объектом переработки является масличное сырье. Действующие заводы малой, средней и большой мощности в РФ в основном перерабатывают семена подсолнечника, рапса и сои. Ряд заводов малой мощности, работающих по схеме однократного окончательного или двукратного отжима, кроме этого перерабатывают семена горчицы, рыжика и кукурузные зародыши, а мини-цеха - семена конопли, льна, фруктовых и плодовых косточек и др.

Анализ и обобщение технологических особенностей и этапов сложной системы получения масла из масличных семян, определяющих функционально-структурную схему их переработки, количество технологических операций, специфику взаимодействия внешних и внутренних, прямых и обратных, основных и вспомогательных энерготехнологических связей, позволили установить ее общую внутреннюю организацию в свете решения поставленных задач. Поэтому систему производства растительного масла, функционирующую по схеме форпрессование-экс-тракция, целесообразно расчленить на две основные подсистемы, блока. Блок 1 - производство прессового масла - объединяет несколько модулей, состоящих из комплекса технологических операторов, в которых осуществляются механические и влагообменные процессы в системе влага-масличный материал. Блок 2 -маслоэкстракционное производство - включает ряд модулей, состоящих из совокупности технологических операторов, в которых протекают диффузионные тепломассообменные процессы в средах масличный материал-растворитель, мисцелла-газовая фаза и шрот-газовая фаза. Исследования на уровне блочной структуры системы производства растительного масла и соответствующих ей внутренних и внешних связей с позиций системного анализа, совмещенного с энталь-пийно-энергетическим методом [2], показали следующее. Во-первых, наличие сброса в окружающую среду теплоты с воздухом, которая, например, для маслоэкстракционного завода производительностью 450 т/сут по семенам подсолнечника составляет порядка

740 • 103 кДж/ч. Во-вторых, значительные водные стоки, объем которых определяется типом линии маслоэкстракционного цеха. Решение этого комплекса задач по энерго- и ресурсосбережению последовательно распространяется и до уровня микромасштаба. Блок хранения и очистки масличных семян не рассматривался, так как в этой подсистеме отсутствуют обратные связи, а основные и вспомогательные потоки не представ -ляют энергетической ценности. Таким образом, задачи, установленные на уровне мегамасштаба, направлены на исследование и разработку высокоэффективных технических решений, обеспечивающих максималь-ное снижение теплового загрязнения атмосферы и создание малосточных или бессточных схем маслоэкстракционных заводов. В результате теоретических и экспериментальных исследований, а также производственных испытаний были разработаны технология утилизации тепловой энергии жмыха [3] и исключающая водные стоки многофункциональная установка для отгонки растворителя с получением экстра-пара, который используется в технологических процессах.

Следует отметить, что заводы малой мощности, количество которых в настоящее время в РФ составляет почти 1200 предприятий, функционируют в рамках блока 1, как по схеме с отделением, так и без отделения плодовой оболочки масличных семян. Актуальны поэтому исследования по совершенствованию технологии и оборудования для заводов малой мощности с целью создания гибкой системы переработки различных масличных семян с минимальными потерями и энергозатратами при высоком качестве получаемой продукции. Разработана универсальная линия по переработке масличных семян и комплекс технических решений, обеспечивающих высокоэффективное функционирование заводов малой мощности [4], которые могут быть использованы и для заводов большей мощности.

На уровне макромасштаба основные направления ресурсосбережения определены установкой, агрегатом, линией или цехом производства растительного масла. Основные задачи направлены на решение вопросов по интеграции и оптимизации материальных и энергетических потоков, процессов и систем, разработки энерготехнологических решений по исключению в системе обратных связей, т. е. повышению структурной целостности системы за счет уменьшения числа ее элементов и упрощения связей между ними, что обеспечивает увеличение степени однородности структуры производства. Учитывая это, целесообразно блок 1 разделить на следующие модули: подготовка масличного материала к отжиму масла, извлечение масла прессовым способом, подготовка жмыха к экстракции. Блок 2 состоит из модулей экстракции, дистилляции масляной мисцеллы, отгонки растворителя из шрота и регенерации растворителя. Модуль регенерации растворителя включает подмодули конденсации паров растворителя и воды, масляной абсорбции, разделения водобензиновой смеси и обработки шламовых и эмульсионных вод. Вспомогательные модули - очистка вторичных паров тостера и мисцеллы.

Исследовали структуру модулей, внутренних и внешних энерготехнологических связей между ними. В модуле подготовки масличного материала к отжиму

масла особое внимание было уделено обратным связям - потокам перевея. Обследование ряда ведущих маслодобывающих предприятий показало, что количество перевея составляет порядка 20-25% от производительности завода, а масличность лузги после семе-новеек контроля перевея достигает 9-11% за счет ее рециркуляции в контуре контроля перевея.

Одним из энергоемких этапов является измельчение масличного материала. При этом из разрушенных сферосом под действием капиллярных сил масло перетекает в новую группу пор, образованных в процессе измельчения, которые меньше размеров сферосом [5], что требует колоссальных дополнительных энергетических затрат при механическом отжиме и увеличивает продолжительность процесса экстракции.

В результате проведенных исследований разработана схема рушально-веечного цеха с применением аэросепаратора для контроля перевея [6]. Успешная эксплуатация аэросепараторов на шести маслодобывающих предприятиях производительностью от 40 до 300 т/сут, которые приобрели неисключительную лицензию на право их использования, позволила упростить технологическую схему рушально-веечного цеха, повысить его производительность и снизить мас-личность отходящей лузги. Запатентована экструзионная технология переработки ядровой фракции подсолнечных семян и бобов сои [7, 8], исключающая энергоемкий процесс измельчения на вальцевых станках. Проведен анализ действующих схем маслоэкстракционных заводов на модульном уровне. Определены лимитирующие стадии модулей экстракции и дистилляции. Разработаны математические модели совмещенных систем дистилляции масляной мисцеллы и рекуперации растворителя [9]. В результате установлены оптимальные параметры функционирования совмещенных модулей, а также разработана схема раздельной конденсации вторичных паров. Разработана система утилизации промывной мисцеллы после дисковых фильтров в линии НД-1250 [10], которая исключает ре-циклический поток мисцеллы по контуру экстрак-тор-фильтр-экстрактор со всеми негативными последствиями.

На уровне мезомасштаба поставленные задачи решали путем создания новых процессно-аппаратных систем, границы которых совпадают с границами машин и аппаратов, выполняющих базовые технологические операции экструзионной технологии [7, 8] модулей блока 2, а также путем совершенствования действующего оборудования и оптимизации технологических режимов. Проведен анализ структуры технологических операторов и их связей на этом уровне.

На основании теоретических и практических ис -следований разработано следующее оборудование. Для термопластической переработки ядровой фракции масличных семян - двухшнековый пресс-экструдер

[11], в котором совмещены операции измельчения, термической обработки и отжима масла с получением легкоэкстрагируемых гранул. Серийное производство пресс-экструдера освоено ЗАО «Эртильский механический завод». Запатентован многофункциональный аппарат для совмещенной системы отгонки растворителя из мисцеллы и экстракции масличного материала

[12], реализующий способ утилизации тепловой энер-

гии жмыха [3]. Усовершенствованная конструкция вертикально-шнекового экстрактора [13] успешно эксплуатируется на 12 маслоэкстракционных заводах РФ и стран ближнего зарубежья. Такое техническое решение обеспечило снижение продольного перемешивания как твердой, так и жидкой фаз, что позволило существенно улучшить функционирование и увеличить производительность экстрактора НД-1250.

Задачи энерго- и ресурсосбережения на уровне микромасштаба направлены, во-первых, на интенсификацию процессов и уменьшение диссипации энергии взаимодействия на межфазной поверхности частиц, пузырей, капель и их потоков с рабочей поверхностью функционально-конструктивных элементов и узлов машин и аппаратов, выполняющих базовые технологические операции. Во-вторых, на разработку критериев энергетической эффективности функционирования оборудования, имеющих неразрывную связь с определяющими конструкторско-технологическими параметрами. Интенсификация обеспечивается применением электрофизических и физико-химических методов активацией технологических операций, центробежных полей, ультразвуковых и низкочастотных колебаний. Уменьшение диссипации энергии достигается созданием таких условий взаимодействия с рабочей поверхностью функционально-конструктивных элементов, которые нивелируют действие лимитирующих факторов, а также применением материалов с новыми физико-механическими свойствами, обеспечивающих снижение коэффициентов трения в процессах обрушивания масличных семян и т. п.

На этом уровне изучены процессы скачкообразного движения семян в каналах роторного устройства центробежной рушки с учетом аэродинамических сил, особенности движения частичек рушанки в аспираци-онной камере семеновейки и аэросепараторе и ИК-об-лучения масличного материала [14, 15]. Установлены основные закономерности влияния на эффективность этих процессов технологических свойств объекта исследований и конструкторско-технологических параметров, а также критерии энергетической эффективности [16, 17]. Разработаны высокоэффективное и энергоэкономичное оборудование для обрушивания масличных семян [18], отделения плодовой оболочки [19], ИК-обработки масличного материала [20] и методики его расчета.

Исследованы проблемы совершенствования и разработки энерго- и ресурсосберегающих схем и оборудования сложной многоуровневой системы производства растительного масла. Применение системного подхода для анализа построенной блочно-модульной системы, совмещенного с энтальпийно-энергетиче-ским методом оценки связей, позволило определить основные задачи по энерго- и ресурсосбережению на каждом уровне иерархии. На основании теоретических и экспериментальных исследований базовых технологических операций усовершенствованной экструзионной технологии и маслоэкстракционного производства с использованием методов совмещенного математического и физического моделирования были разработаны конкретные технические решения по модернизации и созданию энерго- и ресурсосберегающих схем и энергоэкономичного оборудования, а также определе-

ны перспективные направления будущих исследований.

ЛИТЕРАТУРА

1. Саркисов П.Д. Проблемы энерго- и ресурсосбережения в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии // Хи -мическая пром-сть. - 2000. - № 1. - С. 19-25.

2. Деревенко В .В. Энергосберегающая технология получения растительного масла // Тр. КубГТУ. - 2004. - XX. - Вып. 2. -

С. 332-339.

3. Пат. 2027746 РФ. Способ переработки масличного мате -риала / В.В. Деревенко, В.И. Краснобородько. - БИ. - 1995. - № 3.

4. Деревенко В.В. Оптимальный энерготехнологический комплекс маслопрессового производства // Масложир. пром-сть. -2001. - № 2. - С. 24-27.

5. Лисицин А.Н., Григорьева В.Н. Масложировые техно -логии: теория, практика, перспективы // Масложир. пром-сть. - 2002.

- № 3. - С. 8-11.

6. Полез. модель 13488. Аэросепаратор для контроля пере-вея, лузги или ядровой фракции / В.В. Деревенко. - БИПМ. - 2000. -№ 11.

7. Пат. 2125086 РФ. Способ получения подсолнечного мас -ла / В.В. Деревенко. - БИПМ. - 1999. - № 2.

8. Пат. 2165959 РФ. Способ получения масла и жмыха из бобов сои / В.В. Деревенко. - БИПМ. - 2001. - № 12.

9. Шапошниченко В.В., Деревенко В.В., Кузнечиков В.А., Константинов Е.Н. Математическое моделирование совмещенных систем дистилляции масляных мисцелл и рекуперации рас -творителя / Сб. мат. Междунар. науч.-техн. конф. «Современные ин -формационные технологии в науке, производстве и образовании». -Пенза, 2004. - С. 138-140.

10. А. с. 1479493. Способ переработки масличного материала / В.В. Деревенко. - БИ. - 1989. - № 18.

11. Пат. на полез. модель 18711 РФ. Двухчервячный пресс-экструдер для отжима масла из масличного материала / В.В. Деревенко. - БИПМ. - 2001. - № 19.

12. Пат. на полез. модель 39136 РФ. Многофункциональный вертикальный тарельчатый аппарат / В.В. Деревенко, Е.Н. Кон -стантинов. - БИПМ. - 2004. - № 20.

13. А. с. 1833631 РФ. Вертикальный шнековый противоточ-ный экстрактор / В.В. Деревенко, Е.П. Кошевой, В.И. Краснобородько. - 1991. - ДСП.

14. Деревенко В .В., Выродов И.П., Запорожченко С.Д. Динамика движения семянок по рабочим лопаткам центробежной рушки и особенности их износа // Изв. вузов. Пищевая технология.

- 2004. - № 5-6. - С. 94-97.

15. Деревенко В.В. Основные технологические закономер -ности термоподготовки масличного материала к извлечению масла // Сб. мат. «XXIV Российская школа по проблемам науки и техноло -гий, посвященная 80-летию со дня рождения академика В.П. Макее -ва». - Екатеринбург, 2004. - С. 144-146.

16. Деревенко В .В., Выродов И.П. Критерии энергетической эффективности функционирования центробежной рушки // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2002. - № 12. - С. 63-67.

17. Деревенко В.В. Критерии энергетической эффективности тепломассообменных аппаратов и систем маслоэкстракционно -го производства // Сб. мат. «XXIV Российская школа по проблемам науки и технологий, посвященная 80-летию со дня рождения акаде -мика В.П. Макеева». - Екатеринбург, 2004. - С. 147-150.

18. Полез. модель 27593. Центробежная рушка для обруши -вания подсолнечных и соевых семян / В.В. Деревенко. - БИПМ. -2003. - № 4.

19. Полез. модель 4748 РФ. Установка для разделения под -солнечной рушанки / Деревенко В.В., Олехов Д.В. - БИ. - 1997. -№ 8.

20. Пат. 2103336 РФ. Инфракрасная жаровня / В.В. Деревен -ко, С.Г. Кравченко. - БИ. - 1998. - № 3.

Кафедра процессов и аппаратов пищевых производств

Поступила 15.10. 04 г.