Системное проектирование ресурсосберегающей машинной технологии переработки послеспиртовои зерновой барды Текст научной статьи по специальности «Прочие сельскохозяйственные науки»

Технологии пищевой и перерабатывающей промышленности АПК - продукты здорового питания, № 3, 2015

УДК 663.533:621

Доцент А.В. Журавлев, аспирант А.С. Марухин, соискатель А.В. Бородкина

(Воронеж, гос. ун-т инж. технол.) кафедра машин и аппаратов пищевых производств, тел. (473) 255-38-96 E-mail: alexjav2@mail.ru

Associate Professor A.V. Zhuravlev, Graduate Student A.S. Marukhin, Competitor A.V. Borodkina

(Voronezh state university of engineering technologies) chair of cars and devices of food productions, tel. (473)255-38-96 E-mail: alexjav2@mail.ru

Системное проектирование ресурсосберегающей машинной технологии переработки послеспиртовои зерновой барды

System design of resource-saving machine technology of processing postspirit grain bards

Реферат. Одной из важнейших проблем повышения эффективности производства является комплексное использование материальных ресурсов путем совершенствования технологических процессов, внедрения безотходной технологии, расширения переработки вторичных ресурсов и утилизации отходов. Наиболее полное использование отходов позволяет сэкономить полноценное сырье, лучше организовать защиту окружающей среды. В настоящее время острой экологической и, следовательно, экономической проблемой в спиртовой отрасли является утилизация образующихся отходов и побочных продуктов при производстве этилового спирта из зернового сырья. К ним относятся, главным образом, послеспиртовая зерновая барда, углекислота, отработавшие дрожжи, эфироальдегидная фракция и сивушные масла. Если побочные продукты, такие, как эфироальдегидная фракция и сивушные масла, находят свое применение в различных отраслях промышленности и составляют небольшую долю в общем балансе отходов, то утилизация послеспиртовой зерновой барды создает определенные сложности ввиду ее значительных объемов (на одну часть спирта приходится 13 частей барды) и низкого содержания сухих веществ - 7... 12 %, в зависимости от сырья и технологической схемы производства. Наиболее рациональным и экономически выгодным способом переработки послеспиртовой зерновой барды, при котором она превращается в продукт с высокой питательной ценностью (кормовая ценность сухой барды по сравнению с нативной повышается в 10 раз), транспортабельный и сохраняющийся в течение нескольких лет является сушка. Были изучены технологические, структурные, гидродинамические и теплофизические показатели. Технологические и гидродинамические характеристики позволили определить режимные параметры процесса сушки в реальных сушильных установках. Характер и интенсивность протекания тепломассообменных процессов при этом обусловили теплофизические и структурные характеристики барды.

© Журавлев А.В., Марухин А.С., Бородкина А.В., 2015

62

Технологии пищевой и перерабатывающей промышленности АПК - продукты здорового питания, № 3, 2015

Summary. One of the most important problems of increase of production efficiency is complex use of material resources by improvement of technological processes, introductions of waste-free technology, expansion of processing of secondary resources and recycling. The fullest use of waste allows to save full-fledged raw materials, it is better to organize environment protection. Now sharp ecological and, therefore, an economic problem in spirit branch is utilization of the formed waste and by-products by production of ethyl alcohol from grain raw materials. Carbonic acid, the fulfilled yeast, efiroaldegidny fraction and fusel oils concern to them, mainly, postspirit grain the bard. If by-products, such as efiroaldegidny fraction and fusel oils, find the application in various branches of the industry and make a small share in overall balance of waste, utilization postspirit grain bards creates certain difficulties in view of its considerable volumes (13 parts bards are the share of one part of alcohol) and the low content of solids - 7... 12 %, depending on raw materials and the technological scheme of production. The most rational and economic way of processing postspirit grain bards at which it turns into a product with high nutritional value (fodder value dry bards in comparison with the native increases by 10 times), transportable and remaining within several years is drying. Technological, structural, hydrodynamic and heatphysical indicators were studied. Technical and hydrodynamic characteristics allowed to determine regime parameters of process of drying in real drying installations. Character and intensity of course the teplomassoobmennykh of processes thus caused heatphysical and structural characteristics bards.

Ключевые слова: послеспиртовая зерновая барда, рентабельность работы, техническое перевооружение, машинные технологии.

Keywords: postspirit grain bard, profitability of work, modernization, machine technologies.

В настоящее время одним из резервов роста эффективности пищевого производства является повышение его стабильности и, как следствие, сокращение потерь сырья и готовой продукции при обеспечении устойчивого ее качества в течение всего технологического цикла. В основу исследований этого направления положена теория технологического потока, позволяющая создавать устойчивые, точно функционирующие технологические системы [4].

Значительно повысить рентабельность работы конкретного производства на предприятии можно не только за счет технического перевооружения, но и за счет более четкой его организации как системы, то есть за счет взаимоувязки режимов функционирования оборудования и технологии.

Наиболее рациональным и экономически выгодным способом переработки послеспиртовой зерновой барды, при котором она превращается в продукт с высокой питательной ценностью (кормовая ценность сухой барды по сравнению с нативной повышается в 10 раз), транспортабельный и сохраняющийся в течение нескольких лет является сушка [1, 2, 3].

К настоящему времени в мире распространены разнообразные линии по производству из барды сухой кормовой добавки с влажностью 10 %. Однако главными недостатками существующих линий являются сложность и металлоемкость производства, так как они используют такие энергоемкие процессы, как центрифугирование, вакуум-выпаривание и сушку (преимущественно в роторно-барабанных сушилках), что обусловливает высокие эксплутационные затраты. Поэтому возникает необходимость в организации ресурсосберегающей машинной технологии переработки послеспиртовой зерновой барды, так как это позволит создать технологическую линию с устойчивым, целостным и стабильным потоком с более низкими энергозатратами.

63

Технологии пищевой и перерабатывающей промышленности АПК - продукты здорового питания, № 3, 2015

Технологические системы можно представить различными моделями, в том числе вербальной моделью (словесным описанием), математическим описанием процессов (математическая модель) и при помощи графического изображения технологических операций с использованием принципа «вход-выход» (операторная модель) . Из этих трех видов моделей только последняя дает возможность моделировать само строение технологической системы и выполнять системный анализ и системный синтез объекта.

При организации машинной технологии переработки барды в сухой кормопродукт и с целью обеспечения наилучших показателей процесса сушки нами были проведены научные исследования, заключающиеся не только в системном анализе и синтезе разработанной операторной модели, но и в изучении барды как объекта сушки. Были изучены технологические, структурные, гидродинамические и теплофизические показатели. Технологические и гидродинамические характеристики позволили определить режимные параметры процесса сушки в реальных сушильных установках. Характер и интенсивность протекания тепломассообменных процессов при этом обусловили теплофизические и структурные характеристики барды [5].

Синтезируя данные проведенных теоретических и экспериментальных исследований, системного анализа и синтеза операторной модели, анализа конструкций сушилок можно сделать вывод о том, что в производстве необходимо использовать такой вид сушки, при котором каждая частица барды получала бы необходимое количество энергии для фазового превращения содержащейся в ней влаги без образования крупных соединений частиц [6, 7].

На основании результатов исследования было разработано оригинальное машинно-аппаратурное оформление технологической линии переработки послеспиртовой зерновой барды в белково-витаминный кормопродукт (рис. 1) [2, 3, 5, 8].

Рис. 1. Машинно-аппаратурное оформление технологической линии

64

Технологии пищевой и перерабатывающей промышленности АПК - продукты здорового питания, № 3, 2015

Для системного и функционального анализа ресурсосберегающей машинной технологии линии переработки послеспиртовой зерновой барды целесообразно воспользоваться операторным моделированием. Принимая за элементы технологической системы технологические операции, можно представить её в виде операторной модели (рис. 2).

/ 2

11

12

8

10

П

W I

^-szr

—D>—CD

Ьш

E<Oj

■PET

3_ А_ 5_ 7_ 3_ i_

Рис. 2. Операторная модель технологической линии переработки послеспиртовой зерновой барды: 1 - емкость буферная; 2 - центрифуга ОГШ-321-К; 3 - вентилятор; 4 - калорифер; 5 - вихревая сушилка; б - смеситель шнековый; 7 - циклон-разгрузитель; 8 - гранулятор; 9 - камера вентиляционная; 10 - сборник готовой продукции; 11 - емкость промежуточная; 12 - установка обратноосмотическая

При проектировании поточно-механизированного производства пищевой промышленности важную роль играет определение оптимального количества оборудования, степень его загруженности, а также использования производственных площадей. При решении данной задачи необходимо учитывать такие случайные факторы, как время обслуживания, выход из строя отдельных устройств за счет поломок, время, требуемое для их устранения, а также ряд факторов, влияющих на эксплуатацию этого оборудования.

Известно, что время обработки одного потока сырья одним аппаратом описывается показательной функцией с параметром //, причем вероятность того, что время обслуживания W, меньше t, определяется по (1):

Р to6c<t =F(t) = 1-*Л

(1)

1

»=Т~

где - положительная постоянная величина; F(t) - функция распределения; t -

время нахождения партии продукции в технологической системе.

В технологическую систему на обработку поступает простейший поток сырья с параметром А. Это значит, что поток стационарный, ординарный, без последействия. Вероятность поступления единичных партий сырья или полуфабрикатов в промежуток времени t равна К требований и определяется по формуле Пуассона (2)

т=

{Л-tf

к\ (2)

где Л>0 - плотность потока сырья или полуфабрикатов; К - число аппаратов или машин, занятых обработкой.

Параметры технологической системы рассчитывают в следующей последовательности.

65

Технологии пищевой и перерабатывающей промышленности АПК - продукты здорового питания, № 3, 2015

Определяется параметр а по формуле

п = Я- to6c. ^

Вероятность того, что все машины или аппараты свободны и ожидают приема „ -<1

партий сырья при п находим следующим образом:

1

Р =

0 "1 ак

I

+ -

а

К\ {п-\)\{п-а)

(4)

Вероятность того, что все машины или аппараты осуществляют обработку сы-

-<1

рья или полуфабрикатов при п определяется по формуле

ап-Рп

п = -

(п - \)\(п - а)

(5)

Среднее время ожидания каждой партией своей обработки:

ж ■ I

'обр

п-а

1

где Р - среднее время обработки партий в технологической системе. Общее время нахождения партии в машине или аппарате:

*общ=*обР+*ОЖ-

(6)

(7)

Вероятность того, что занято обработкой К единиц оборудования находится по формуле:

Р = —Р„ ” К\

1 <К<п.

при

Среднее число партий, которое находится в машинах или аппаратах :

P-а п • Р

М=-

- +

а”

а

V « /

4Z

(1

] _ _ к=О

(Г-1)!’

(8)

(9)

М.=

Р. а

где

А-а-)

К п)

средняя длина очереди.

п

п

Технологические линии производств целесообразно рассматривать как многоканальную, многофазную систему с ограниченным временем ожидания обработки потока сырья.

66

Технологии пищевой и перерабатывающей промышленности АПК - продукты здорового питания, № 3, 2015

Ниже приводится методика расчета оптимального количества единиц технического оборудования в соответствии с предлагаемой методикой системного проектирования и функционирования технологических линий.

Определим оптимальное количество центрифуг, обратноосмотических и сушильных установок. Продолжительность центрифугирования, обратного осмоса и сушки должна удовлетворять технологическим требованиям (центрифугирование не менее 3 ч, обратный осмос - 20 ч, сушка - 3 ч), объем производства — запланированным показателям 195 т в месяц.

Пусть в технологическую систему на обслуживание поступает простейший поток полуфабрикатов с параметром А = 20 партий в месяц. Массовое количество продукции в одной партии равно 9,75 т. Единовременная загрузка установок равна 0,3 т.

Количество центрифуг, обратноосмотических и сушильных установок рассчитывают по (3) - (9).

При увеличении числа центрифуг до 3 (табл. 1) существенно снижает продолжительность центрифугирования (до 0,137 сут), что удовлетворяет технологическим условиям, при одновременном сокращении длины очереди почти в 4 раза.

Таблица 1

Параметры технологической системы Численные значения параметров при количестве центрифуг

2 3 4 5

Ро 0,102 0,223 0,178 0,110

л 0,862 0,391 0,099 0,018

£зж? сут 0,110 0,012 0,002 0,0002

£эбщ? сут 0,235 0,137 0,127 0,1252

Т 4,35 1,47 0,852 0,536

М, т 6,34 6,20 7,40 7,87

При увеличении числа обратноосмотических установок до 4 (табл. 2) существенно снижает продолжительность обратного осмоса (до 0,836 сут), что удовлетворяет технологическим условиям, при одновременном сокращении длины очереди почти в 4 раза.

Таблица 2

Параметры технологической системы Численные значения параметров при количестве обратноосмотических установок

2 3 4 5

Ро 0,331 0,423 0,345 0,256

л 0,632 0,216 0,046 0,008

£зж? сут 0,169 0,025 0,003 0,0004

£эбщ? сут 1,002 0,858 0,836 0,8334

-Л^ож? Т 0,987 0,887 0,241 0,148

М, т 2,983 6,341 4,346 4,417

При увеличении числа сушильных установок до 3 (табл. 3) существенно снижает продолжительность сушки (до 0,128 сут), что удовлетворяет технологическим условиям, при одновременном сокращении длины очереди почти в 3 раза.

67

Технологии пищевой и перерабатывающей промышленности АПК - продукты здорового питания, № 3, 2015

Таблица 3

Параметры технологической системы Численные значения параметров при количестве сушильных установок

2 3 4 5

Ро 0,034 0,163 0,134 0,077

л 0,956 0,478 0,130 0,024

£зж? сут 0,053 0,003 0,0004 0,00005

£эбщ? сут 0,178 0,128 0,1254 0,12505

Т 6,73 2,39 1,37 0,86

М, т 8,75 7,73 9,35 9,95

Результаты расчетов по приведенной методике хорошо согласуются с данными практики по проектированию технологических линий. Правильность определения оптимального количества установок подтверждается тем, что количество их удовлетворяет запланированному объему переработки послеспиртовой зерновой барды и технологическому времени процессов центрифугирования, обратного осмоса и сушки. На сегодняшний день данная машинная технология, реализованная ресурсосберегающей технологической линией с устойчивым, целостным и стабильным потоком, является наиболее перспективной, позволяющей получить наиболее качественные готовые продукты со сравнительно низкими капитальными и эксплутаци-онными затратами, и утилизирующей отход спиртового производства - послеспиртовую зерновую барду.

ЛИТЕРАТУРА

1. Антипов, С.Т. Проблемы комплексной переработки послеспиртовой зерновой барды [Текст] / С.Т. Антипов, А.В. Журавлев // Производство спирта и ликероводочных изделий. - 2005. - № 2. - С. 36-37.

2. Антипов, С.Т. Послеспиртовая зерновая барда. Технология переработки [Текст] / С.Т. Антипов, А.В. Журавлев // Производство спирта и ликероводочных изделий. - 2005. - № 4. - С. 9-11.

3. Антипов, С.Т. Тепло- и массообмен при сушке послеспиртовой зерновой барды в аппарате с закрученным потоком теплоносителя [Текст] : монография / С.Т. Антипов, А.В. Журавлев. - Воронеж, 2006. - 252 с.

4. Панфилов, В.А. Теория технологического потока [Текст]: учебник

/ В.А. Панфилов. - М.: КолосС, 2007. - 391 с.

5. Журавлев, А.В. Совершенствование процесса сушки послеспиртовой зерновой барды в аппарате с закрученным потоком теплоносителя [Текст]: дисс. канд. техн. наук: 05.18.12. / Журавлев Алексей Владимирович. - Воронеж, 2006.- 192 с.

6. Антипов, С.Т. Статистический анализ процесса сушки послеспиртовой зерновой барды в аппарате со взвешенно-закрученным слоем [Текст] / С.Т. Антипов, А. В. Журавлев, И. М. Черноусов // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2008. -№ 8. - С. 33-36.

7. Антипов, С.Т. Устройство для сушки послеспиртовой зерновой барды [Текст] / С.Т. Антипов, С.В. Шахов, А.В. Прибытков, А.В. Журавлев // Производство спирта и ликероводочных изделий. - 2005. - № 3. - С. 19-20.

68

Технологии пищевой и перерабатывающей промышленности АПК - продукты здорового питания, № 3, 2015

8. Патент 2307155 Россия, МПК7 С 12 F 3/10, С 12 Р 7/06, А 23 К 1/06. Технологическая линия производства белково-витаминного кормопродукта из после-спиртовой зерновой барды [Текст] / Антипов С. Т., Журавлев А. В., Прибытков А. В. заявитель и патентообладатель Воронеж, гос. технол. акад. - № 2005107199/13; заявл. 15.03.2005; опубл. 27.09.2007, Бюл. № 27.

REFERENCES

1. Antipov, S.T. Problems of complex processing postspirit grain bards [Text] / S.T. Antipov, A.V. Zhuravlev / / Production of alcohol and alcoholic beverage products.

- 2005. -№ 2. - P. 36-37.

2. Antipov, S.T. Poslespirtovaya grain bard. Technology of processing [Text] / S.T. Antipov, A. V. Zhuravlev / / Production of alcohol and alcoholic beverage products. - 2005. -№ 4. - P. 9-11.

3. Antipov, S.T. Teplo-and a mass exchange when drying postspirit grain bards in the device with the twirled stream of the heat carrier [Text]: monograph / S.T. Antipov, A.V. Zhuravlev. - Voronezh, 2006. - 252 p.

4. Panfilov, V.A. Theory of a technological stream [Text]: textbook / V.A. Panfilov.

- Moscow, 2007. - 391 p.

5. Zhuravlev, A.V. Improvement of process of drying postspirit grain bards in the device with the twirled stream of the heat carrier [Text]: yew. Cand.Tech.Sci.: 05.18.12. / Zhuravlev Alexey Vladimirovich. - Voronezh, 2006. - 192 p.

6. Antipov, S.T. Statistichesky the analysis of process of drying postspirit grain bards in the device with deliberately - the twirled layer [Text] / S.T. Antipov, A.V. Zhuravlev, I.M. Chernousov // Storage and processing of agricultural raw materials. - 2008. -№ 8. - P. 33-36.

7. Antipov, S. T. Ustroystvo for drying postspirit grain bards [Text] / S. T. Antipov, S. V. Shakhov, A. V. Pribytkov, A. V. Zhuravlev / / Production of alcohol and alcoholic beverage products. - 2005. - № 3. - P. 19-20.

8. Patent 2307155 Russia, MPK7 S 12 F 3/10, S 12 P 7/06, A 23 К 1/06. A technological production line of a proteinaceous and vitamin kormoprodukt from after and alcohol grain bards [Text] / Antipov S.T., Zhuravlev A.V., Pribytkov A.V. the applicant and the patent holder Voronezh. the state. технол. Akkad. -№ 2005107199/13; it is declared 15.03.2005; it is published 27.09.2007, Bulletin № 27.

69