close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

Дементьев Александр Александрович. Совершенствование процесса гранулирования сыпучих пищевых материалов

код для вставки
3
Аннотация
Выпускная квалификационная работа
на тему: «Совершенствование процесса гранулирования сыпучих
пищевых материалов»
Выполнил проект: студент гр. 61 – ТОМ, Дементьев Александр
Александрович
Руководитель проекта: доцент, к.т.н., Гончаровский Дмитрий
Александрович
Утвердил проект: зав.каф., д.т.н. Фроленкова Лариса Юрьевна
Страниц – 102
Иллюстраций – 29
Таблиц – 15
Приложений – 3
Формул – 43
Список использованной литературы – 29
На основе теоретических и экспериментальных исследований было
исследован процесс гранулирования сыпучих пищевых материалов. Для
подготовки, организации и проведения эксперимента по гранулированию
применили метод полного факторного эксперимента.
В ходе подготовки работы был проведен поиск и анализ аналогов
грануляторов,
проведены
экспериментальные
исследования
процесса
гранулирования виноградного порошка с внесением сахара белого в
количестве 10% и экструзионного кукурузного крахмала в количестве 5, 10 и
15%, пшеничной муки, пшеничной муки с внесением нативного кукурузного
крахмала в количестве 2,5; 5; 7,5 и 10%.
Гранулирование проводилось при разных режимах увлажнения – с
предувлажнением в количестве 6, 12, 18, 24 и 27% к общей массе воды,
идущей на гранулирование, и без предувлажнение, когда влага дозировалась
в гранулятор.
4
По
результатам
проведенных
экспериментальных
исследований
определен гранулометрический состав полученных гранул и построены
вариационные кривые. Определена эмпирическая зависимость количества
гранул определенного размера от способа увлажнения и состава исходной
смеси
Объем пояснительной записки 102 стр.
Ключевые слова: гранулирование, дисковый гранулятор,
предувлажнение, сыпучие пищевые материалы, гранулометрический состав,
полный факторный эксперимент, экструзионный кукурузный крахмал
5
Abstract
Graduation qualification work
on the topic: "Improving the process of granulation of bulk food materials"
Completed the project: student gr. 61 - TOM, Dementyev Alexander
Alexandrovich
Scientific adviser: Docent, kandidate of technical sciences, Goncharovsky
Dmitry Alexandrovich
The project was approved: head of the department, doctor of technical
sciences. Frolenkova Larisa Yurevna
Pages - 102
Illustrations - 29
Tables - 15
Attachments - 3
Formula - 43
List of used literature - 29
On the basis of theoretical and experimental studies, the process of
granulation of free-flowing food materials was investigated. To prepare, organize
and conduct the experiment on granulation, the full factor experiment was used.
In the course of the preparation of the work, a search and analysis of pellet
analogues was carried out, experimental studies were carried out on the process of
granulation of grape powder with the addition of 10% white sugar and 5, 10 and
15% extrusion corn starch, wheat flour, wheat flour with native corn starch in an
amount of 2.5; 5; 7.5 and 10%.
Granulation was carried out under different moistening regimes - with a
moisture content of 6, 12, 18, 24 and 27% to the total weight of the water going to
the granulation, and without pre-hydration, when the moisture was dosed into the
granulator.
Based on the results of the experimental studies, the granulometric
composition of the obtained granules was determined and variational curves were
6
constructed. The empirical dependence of the number of granules of a certain size
on the wetting method and the composition of the initial mixture
The volume of the explanatory note is 102 pages.
Keywords: granulation, granulator, pre-hydration, bulk food materials,
granulometric composition, full factoring experiment, extrusion corn starch
7
Оглавление
ВВЕДЕНИЕ. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ ........................... 9
1. Теоретические основы гранулирования сыпучих пищевых
материалов ............................................................................................................. 12
1.1. Обзор современного состояния применения сыпучих сред на
пищевом производстве ...................................................................................... 12
1.2. Обзор и классификация грануляторов для гранулирования
сыпучих пищевых материалов ......................................................................... 13
1.2.1. Тарельчатые (дисковые грануляторы) ..................................... 15
1.2.2. Барабанные грануляторы .......................................................... 15
1.2.3. Грануляторы с псевдоожиженным слоем ................................ 17
1.3. Описание процесса гранулирования .............................................. 18
1.3.1. Силы взаимодействия при гранулировании ............................ 18
1.3.2. Механизм гранулообразования при окатыывании на
движущейся поверхности .............................................................................. 25
1.3.3. Движение материала на вращающейся тарелке...................... 30
1.3.4. Роль связующего вещества при окатывании ........................... 33
2. Планирование экспериментального исследования ............................. 38
2.1. Принятие решений перед планированием эксперимента............. 38
2.2. Определение действующих факторов и границ варьирования ... 40
2.3. Экспериментальная установка – дисковый гранулятор ............... 42
2.4. Подготовка образов .......................................................................... 43
3. Проведение эксперимента и обработка данных .................................. 47
3.1. Проведение эксперимента ............................................................... 47
3.2. Описание процесса гранулирования .............................................. 48
3.3. Экспериментальные исследования процесса гранулирования
сыпучих пищевых материалов ......................................................................... 49
3.3.1. Гранулирование пшеничной муки и определение
гранулометрического состава гранулята ..................................................... 49
3.3.2. Исследование процесса гранулирования виноградного
порошка и определения фракционного состава гранулята ........................ 52
3.3.3. Исследование процесса гранулирования методом полного
факторного эксперимента.............................................................................. 55
4. Разработка методических указаний по проведению лабораторной
работы для студентов бакалавриата .................................................................... 69
Выводы по работе ....................................................................................... 70
8
Список литературы ..................................................................................... 82
Приложение А ............................................................................................. 86
Приложение Б .............................................................................................. 87
Приложение В ............................................................................................. 88
9
ВВЕДЕНИЕ. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность
работы.
Сыпучие
среды
получили
широкое
распространение в пищевой и перерабатывающей промышленности. К ним
относятся различного вида мука (пшеничная, ржаная, овсяная, гречневая,
рисовая
и
др.),
нативный
(картофельный,
кукурузный,
пшеничный,
тапиоковый) и модифицированный крахмал (окисленный, амилацетатный,
катионный,
экструзионный),
различного
рода
порошкообразные
вкусоароматические добавки.
Недостатками порошкообразных сыпучих продуктов являются, вопервых, их повышенное пыление при осуществлении производственных
процессов,
объектов;
что
повышает
во-вторых,
(гигроскопичны),
что
пожаровзрывоопасность
они
чувствительны
приводит
к
к
производственных
изменению влажности
налипанию
частиц
на
стенки
производственных резервуаров при превышении некоторого оптимального
уровня влажности.
Для снижения этих недостатков можно взамен порошкообразных
продуктов
применять
гранулированные
сыпучие
продукты.
Гранулированные продукты имеют ряд преимуществ: улучшаются условия
хранения
и
транспортировки;
процесс
достаточно
легко
поддается
механизации и автоматизации; повышается производительность; улучшаются
условия труда; снижаются потери сырья и готовой продукции; имеют
повышенный
срок
хранения
и
годности;
повышается
взрывопожаробезопасность производства, использующего гранулированные,
а не сыпучие продукты; расширяют возможность применение сыпучих
продуктов [11, 17].
Расширение возможностей применения связано с тем, что гранулы, в
отличие от порошков,
возможно использовать
которые
для
обладают
повышенным пылением,
таблетирования. При
таблетировании
порошкообразных материалов велик риск искрообразования, и как следствие
– воспламенения, при движении рабочих органов поршня или пуансона
10
таблеточного пресса, кроме этого таблетирование порошков требует ряда
подготовительных операций [15].
Целью работы является совершенствование процесса гранулирования
сыпучих пищевых продуктов.
Основные задачи исследования
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие
задачи:
1.
Выполнить обзор современного состояния техники, технологии и
теории гранулирования сыпучих пищевых материалов;
2.
Провести
анализ
физических
и
математических
моделей
грануляторов;
3.
Провести необходимые экспериментальные исследования для
определения параметров гранулирования сыпучих пищевых материалов.
Научная новизна работы заключается в том, что:
1. Усовершенствован процесс гранулирования сыпучих пищевых
материалов методом окатывания.
2.
Установлено
влияние
состава
исходной
смеси
на
гранулометрический состав гранулята.
3. Установлено влияние способа увлажнения исходной смеси на
гранулометрический состав гранулята.
Теоретическая и практическая значимость определяются тем, что
предложен
процесс
исследован
процесс
гранулирования
гранулирования
сыпучих
методом
пищевых
материалов;
полного
факторного
эксперимента.
На защиту выносятся:
1. Обзор оборудования для гранулирования сыпучих пищевых
материалов, применяемых в пищевой промышленности.
11
2. Экспериментальные исследования, направленные на определение
влияния
состава
и
способа
увлажнения
гранулируемой
смеси
на
гранулометрический состав гранулята.
Реализация работы
На основе изученной теории и созданным экспериментальным
установкам были проведены эксперименты и получены результаты, которые
доказывают влияние состава и способа увлажнения исходной смеси на
гранулометрический состав гранулята.
Апробация
Основные результаты работы опубликованы в 2 статьях в научнопрактическом журнале «Технология и товароведение инновационных
пищевых продуктов», входящем в список журналов, рецензируемых ВАК:
Исследование процесса гранулирования виноградного порошка и
определение фракционного состава гранулята. – Орел: ОГУ имени И.С.
Тургенева, № 1(48)2018 – с. 3-10.
Исследование процесса гранулирования виноградного порошка и
определение фракционного состава гранулята. – Орел: ОГУ имени И.С.
Тургенева, № 2(49)2018 – с. 11-15.
и доложены и обсуждены на конференциях:
– Студенческой научно-технической конференции «Неделя науки 2017». Орел, ОГУ им.Тургенева, 2017 г.
– Студенческой научно-технической конференции «Неделя науки 2018». Орел, ОГУ им.Тургенева, 2018 г.
12
1. Теоретические основы гранулирования сыпучих пищевых
материалов
1.1. Обзор современного состояния применения сыпучих сред на
пищевом производстве
Большое
конструкций
значение
машин
для
выбора
имеют
технологического
процесса
физико-механические
и
свойства
перерабатываемого сырья. Эти свойства не бывают строго постоянными и
имеют большой диапазон изменчивости в зависимости от многих причин.
Подавляющее количество сырья и продуктов его переработки являются
сыпучими продуктами [5].
Сыпучие продукты в зависимости от диаметра d частиц можно
классифицировать по группам [17]:
– пылевидные (d < 0,05 мм);
– порошкообразные (0,5 мм < d < 2мм);
– крупнозернистые (2 мм < d <10 мм);
– кусковые (d > 10мм).
Гранулирование
направлено
на
образование
крупнозернистых
сыпучих продуктов с размеров гранул от 2 до 3 мм.
Использование гранул возможно для получения таблетированных
пищевых продуктов. Это существенно снижает риск искрообразования и
уменьшает количество подготовительных операций. В настоящее время
таблетирование
препаратов,
используется
комбикормов
и,
для
в
производства
лекарственных
меньше степени, продуктов питания,
поскольку сейчас продолжаются исследования по созданию пилотных
таблетированных продуктов питания на основе лекарственных трав и
растений, произрастающих в различных климатических зонах мира, а также
из лактозы [18] и спирулины [22]. Таблетированные продукты питания,
запущенные в серийное производство, используются для продовольственного
обеспечения армии [23].
13
1.2. Обзор и классификация грануляторов для гранулирования сыпучих
пищевых материалов
Процесс гранулирования сыпучих продуктов может осуществляться
окатыванием
в псевдоожиженном слое и прессованием. Для получения
гранулированных
продуктов
используются
грануляторы
различной
конструкции: барабанные и дисковые для получения гранул окатыванием,
валковые и вальцевые прессы, цилиндрические и конические аппараты, в
которых реализуется режим псевдоожиженного слоя (рисунок 1) [11, 12].
Рис. 1.1. Классификация грануляторов для гранулирования сыпучих
пищевых продуктов
Гранулирование
применяется
для
получения
гранулированных
комбикормов [3, 14, 16, 20, 21], удобрений [2, 6, 8], активного ила [4],
термолабильных
веществ
[13],
лактозы
[18], молокосвертывающих
ферментов [19], чая, кофе, а также для утилизации сыпучих отходов
пищевого [1, 7],0 деревообрабатывающего [9] других производств [10].
Несмотря на
то, что процесс гранулирования широко используется в
различных отраслях промышленности, в пищевой промышленности он пока
используется только для гранулирования отходов производства [1, 7] и в
14
недостаточной мере для разработки и создания новых инновационных
продуктов питания повышенной пищевой ценности, например, таблетоксосучек на основе фруктового и ягодного порошков или таблеток, покрытых
шоколадной или кондитерской глазурью.
Разработку
нового
или
модернизацию
существующего
гранулирующего оборудования, в силу изменчивости реологических свойств
объектов
гранулирования
от
технологических
факторов,
необходимо
начинать с изучения как конструкций промышленных грануляторов, так и
перспективных их конструкторских решений патентного фонда.
Наиболее
известными
и
перспективными
грануляторами
для
гранулирования пищевых сыпучих материалов на настоящий момент можно
считать дисковые (тарельчатые) и барабанные грануляторы [1, 19, 22].
Преимуществами дисковых грануляторов является простота конструкции,
легкость управления процессом и возможность получения монодисперсного
гранулометрического
состава.
Преимущества
дисковых
грануляторов
заключается в следующем:
– занимают меньше производственных площадей;
– требуют меньше обслуживающего персонала;
– обладают большей удельной производительностью;
– менее металлоемки по сравнению с барабанными;
– гранулят, полученный на тарельчатом грануляторе, однороден по
размеру и не требует последующей классификации [11, 17].
Недостатком
тарельчатых
грануляторов
является
зависимость
качества гранулята от влажности исходного материала [11, 17].
При гранулировании в дисковых грануляторах возможно применять
как процесс сухого, так
и
влажного
гранулирования.
Предпочтение
отдается процессу влажного гранулирования, поскольку при таком режиме
обработки
повышается
производительность
гранулятора,
гранулометрический состав более однороден и отсутствует необходимость
введения затравки [11, 17].
15
1.2.1. Тарельчатые (дисковые грануляторы)
Расположение гранул на тарели зависит от соотношения действующих
сил. При наилучшем расположении большая часть поверхности дна тарели
покрыта
гранулированным
материалом,
благодаря
чему
повышается
производительность установки.
Гранулируемый
материал
подвергается
дополнительному
перемешиванию вследствие различной величины углов естественного откоса
для гранул и мелкого материала, что способствует агломераиии частиц. Угол
естественного
откоса
материала
значительно
уменьшается по мере
увеличения содержания мелких фракций, вследсвие чего он уносится выше, а
гранулы собираются в нижней части тарели ближе к борту.
В дальнейшем, переваливаются через борт (рис.1.2) т.е. в тарельчатом
грануляторе происходит естественная классификация продукта,
готовый
удаляется пересыпанием, а мелкие частицы продолжают окатываться.
Рис. 1.2. Схема дискового гранулятора
1.2.2. Барабанные грануляторы
Конструкция барабанных грануляторов (рис. 1.3) очень проста:
цилиндрический корпус, в который загружается исходный материал, привод,
в торцах корпуса, загрузочное и разгрузочное устройство. форсунки, через
16
которые подается связующее, располагающееся обычно
со стороны
загрузки. Корпус наклонен на 1–3о и горизонтально для облегчения
перемещения материала. Как правило, одновременно с исходным сырьем
подается предварительно увлажненная масса в количестве 20—25 % от
готовой продукции, которая служит центрами гранулообразования. Частота
вращения барабана от 5 до 30 об/мин.
В работе установлена зависимость между производительностью
гранулятора и скоростью роста гранул при разных скоростях вращения
барабана. При частоте вращения барабана менее 36% от критической
скорости рост гранул не зависит от числа оборотов барабана, т. е. чем ниже
скорость
вращения,
тем
больше
продолжительность
процесса
гранулирования и меньше производительность аппарата.
Для
увеличения
высоты
подъема
материала
в
аппарате,
а
следовательно, интенсификации процесса окатывакия, применяют различные
приспособления – насадки.
Рис. 1.3. Барабанный гранулятор: а – общий вид, б – гладкой
внутренней поверхностью, в – с подъемными лопастями, г – с насадкой из
серии вращающихся желобов или карманов, д – с вращающейся лопастной
насадкой
На практике часто встречаются липкие порошки, обладающие высокой
адгезией к стенкам барабана. Для устранения налипания применяются
17
скребки, закрепленные неподвижно внутри барабана, которые при вращении
корпуса снимают налипший слой.
Одним из недостатков действующих грануляторов является низкий
коэффициент загрузки из-за просыпания продукта через подпорное кольцо в
зоне подпорки. Этот недостаток устранен в аппаратах, в которых
специальная упругая манжета – диафрагма поглощает биение барабана при
его вращении и перекрывает зазор между загрузочным устройством и
подпорным кольцом барабана, в результате чего исключается просыпание
продукта.
1.2.3. Грануляторы с псевдоожиженным слоем
Для гранулирования в псевдоожиженном слое (рис. 1.4) используют
аппараты различных конструкций. Грануляторы с псевдоожиженным слоем
различаются формой корпуса и делятся на цилиндрические, конические с
малым углом раскрытия (до 200), с большим углом раскрытия (от 30 до 600),
цилиндроконические,
прямоугольные,
квадратные.
Форма
аппарата
определяет его гидродинамические особенности. В цилиндроконических
аппаратах, как правило, режим псевдоожижения таков, что в цилиндрической
части слой твердых частиц отсутствует. Аппараты прямоугольной формы
используют обычно для направленного перемещения твердых частиц при
перекрестном токе теплоносителя. Квадратное сечение наиболее удобно для
отработки процесса в полупромышленных условиях с последующим
использованием полученных данных для конструктирования прямоугольных
аппаратов большой производительности.
Особое
место
занимают
многокамерные
грануляторы.
Принципиальные схемы секционирования для них такие же, как и для
обычных аппаратов с псевдоожиженным слоем. Специфическим отличием
является распределение по камерам гранулируемого вещества.
18
Рис. 1.4. Принципиальная схема грануляторов в псевдоожиженном
слое
В некоторых аппаратах гранулирование ведут в одной камере, а в
остальных – вспомогательные операции (сушку, смешение, охлаждение и
т.д), в других – в нескольких камерах. В последнем случае, как показали
исследования, дисперсия размеров гранул продукта значительно меньше, чем
в односекционном грануляторе. Минимальная дисперсия достигается при
увеличении времени пребывания материала в каждой последующе секции,
число которых, при среднеквадратичной точности поддержания нагрузок
порядка целесообразно выбирать более трех.
1.3. Описание процесса гранулирования
1.3.1. Силы взаимодействия при гранулировании
В процессах гранулирования проявляются почти все известные виды
физико-механических и физико-химических связей между частицами.
Наиболее полная характеристика различных межчастичных связей в
процессе образования гранул приведена в работе [16]. В ней рассмотрены
следующие силы, действующие на частицы при росте и формировании
гранул: капиллярные и поверхностно-активные силы на границе раздела
твердой и жидкой фаз; адгезионные силы, возникающие в адсорбированных
19
слоях; силы притяжения между твердыми частицами (межмолекулярные
силы Ван-дер-Ваальса и силы электростатического притяжения); силы связи,
обусловленные образованием материальных мостиков, возникающих при
спекании, химической реакции, затвердевании связующего, плавлении и
кристаллизации растворенного 'вещества при сушке. С учетом этого все
известные виды связей при гранулировании сведены нами в общую
классификационную схему (рис. 1.5).
Рис. 1.5. Классификация связей между частицами при росте и
формировании гранул
Для формирования гранул из исходных частиц порошкообразного
материала необходимо обеспечить их сближение на такое расстояние, при
котором проявляется действие указанных сил. В том случае, когда гранулы
могут быть получены без добавления жидкой фазы (связующих жидкостей),
применяют «сухое» гранулирование (например, методом прессования). При
этом
сцепление
обеспечивается
вандер-ваальсовскими
и
электростатическими силами связи.
При гранулировании методом окатывания более результативными
оказываются связи между частицами, обусловленные капиллярными силами,
20
что объясняется использованием жидкофазного связующего и образованием
кристаллических мостиков.
Сопоставление приведенных на рис. 1.5 видов прочностных связей,
вызванных действием различных механизмов межчастичного сцепления,
представлено на рис. 1.6. Горизонтальной штриховой линией диаграмма
разделена на две половины: для области I характерны силы связи,
образованные связующим при поверхностном соприкосновении. Активная
поверхность взаимодействия частиц при этом определяется в основном
внешней энергией или давлением и в меньшей мере зависит от размера
частиц исходного сыпучего материала. Область II иллюстрирует более
слабые связи, обусловленные капиллярным сцеплением ή кристаллическими
мостиками. Для этой области наблюдается увеличение прочности связи с
уменьшением размера частиц.
21
Рис. 1.6. Сопоставление связей между частицами при различных механизмах
сцепления и размерах частиц
Область
значений
прочности
электростатических
связей,
малозависящей от размера частиц, находится ниже области II. Наклонные
прямые разделяют диаграмму на области различных механизмов связей,
прочность которых не зависит от размера частиц. Для мелких частиц
размером
менее
10
мкм
силы
Вандер-Ваальса
оказываются
более
эффективными, так как расстояния между частицами достаточно малы.
Граничная прямая области А рассчитана для среднего расстояния
между частицами 3 мкм. Область В соответствует силам сцепления,
22
обеспечиваемым адсорбционными пленками. В этой области преобладают
силы Вандер-Ваальса. Область С иллюстрирует прочность связей, вызванных
действием обоих механизмов: пленочного натяжения в жидкостных мостиках
и отрицательного гидростатического давления в капиллярах. Выше области
С возможно образование еще более прочных связей, обеспечиваемых
спеканием, а также добавлением клейких или связующих веществ (область
D).
Рассмотрение
видов
связей
и
сопоставление
их
прочностных
характеристик имеют особое значение при анализе механизма и кинетики
процесса гранулирования, осуществляемого различными методами.
Виды связей частиц между собой, благодаря которым частицы
связываются и образуют гранулы, представлены на рис. 1.7.
Рис. 1.7. Связывание частиц в гранулы: а – мостиками из твердого тела,
б – силами раздела фаз и капиллярным давлением свободно движущихся
поверхностей, в – жидкостными мостиками между отдельными зернами, г –
капиллярными силами на поверхности конгломерата, заполненного
жидкостью, д – поверхностным натяжением у капель, заполненных зернами
твердого тела
Твердофазные мостики. При гранулировании методом окатывания в
процессе агрегации или наслаивания материала на твердые частицы
порошкообразного материала твердофазные мостики, или срастания между
ними возникают вследствие диффузии молекул или атомов в точке
соприкосновения частиц (рис. 1.8,а). При этом скорость диффузии, как
правило, увеличивается с повышением температуры. Для большинства
23
твердых
тел
образование
твердофазных
мостиков
происходит
при
температурах выше 1/2 или 2/3 температуры плавления.
Рис. 1.8. Схемы агрегатов частиц, образуемых при окатывании
посредством твердофазных (а) и жидкофазных (б) – (г) мостиков
При гранулировании увлажненных продуктов и последующей сушке
гранул
в
местах
контакта
твердых
частиц
выкристаллизовываются
растворенные в жидкости вещества и образуются твердофазные мостики.
Капиллярные связи. Жидкость, находящаяся между частицами, поразному может способствовать их сцеплению. Жидкость, чаще всего вода,
создает достаточно прочные связи между частицами. В жидкость могут
вноситься
небольшие
количества
добавок,
обеспечивающих
лучшее
смачивание частиц или повышающих растворимость веществ, что при
последующей кристаллизации приводит к образованию твердофазных
мостиков.
Для каждого из компонентов жидкой фазы, находящихся в местах
контакта, порах или каналах между частицами, существует равновесие
между поверхностным натяжением () и давлением (Р), между вогнутой
радиусом r1 и выпуклой радиусом г2, поверхностями раздела в соответствии с
формулой Лапласа:
P   1 / r1  1 / r2 .
(1.1)
24
Для
гранул,
образованных
под
действием
капиллярных
сил,
рассмотрим следующие варианты связей: между отдельными частицами
образуются жидкостные мостики (рис. 1.8,б). В этом случае на линии
соприкосновения
твердое
тело–жидкость-газ
действуют
силы
поверхностного натяжения. Внутри жидкостного мостика образуется
пониженное капиллярное давление, обусловливающее силу сцепления между
частицами: межчастичное пространство полностью заполнено жидкостью
(рис. 1.8,в). При этом силы, действующие на поверхности раздела твердоежидкость-газ и определяющие силы сцепления, находятся только иа
поверхности агломерата; жидкость полностью обволакивает частицы
твердого вещества и гранула принимает форму жидкостной капли (рис. 1.8,г).
В этом случае жидкость находится под очень небольшим давлением,
величина которого зависит от радиуса капли, а частицы удерживаются в
капле благодаря поверхностному натяжению.
Связи, образующиеся при использовании связующего вещества.
Большая вязкость связующего препятствует установлению постоянного
давления в связующей жидкости по формуле Лапласа. Пластичные
связующие вещества сохраняют иногда любую заданную им форму
поверхности,
так
как
энергия
их
деформации
намного
превышает
поверхностную энергию связи. Так или иначе при использовании связующих
веществ
помимо
поверхностных
сил
сцепления
проявляются
более
результативные силы когезии в связующем.
Адсорбционные слои. Адсорбционные тонкие слои (толщиной менее 3
нм) обеспечивают молекулярную связь между частицами в местах их
контакта. Активному проявлению действия этих сил может способствовать
повышение давления в местах контакта, например при прессовании и
брикетировании.
Связи под действием сил притяжения между частицами. Даже если
между частицами нет жидкостных пленок или мостиков связующего, между
ними могут действовать силы связи. Молекулярные силы сцепления всегда
25
эффективны. Силы Ван-дер-Ваальса начинают проявляться, когда расстояние
между частицами составляет порядка 10 нм.
При движении частиц вследствие их трения и взаимодействия на
поверхности возникают электростатические заряды, величина которых
различна для разных продуктов, характера движения частиц и изменяется в
зависимости от условий отвода электричества. Естественно ожидать, что
силы притяжения между положительно и отрицательно заряженными
частицами участвуют в процессе агрегации и образования гранул.
Связи, обусловленные формой частиц. При взаимодействии частиц в
процессе гранулирования методом окатывания достаточно прочные связи
между ними образуются также в результате механического сцепления
шероховатостей поверхности.
1.3.2. Механизм гранулообразования при окатыывании на
движущейся поверхности
Процесс гранулирования методом окатывания состоит из четырех
стадий:
1) стадия перемешивания исходного материала;
2) образование гранул из мелких частиц и дробление комков;
3) окатывание и уплотнение гранул в результате их перемещения по
поверхности аппарата;
4) упрочнение связей в результате перехода жидкой фазы в твердую, т.
е. стабилизация структуры гранулы.
На всех стадиях происходит изменение распределения частиц по
размерам, т. е. идет процесс гранулообразования, интенсивность которого
зависит от технологии, аппаратурного оформления процесса гранулирования
и свойств продукта.
Стадии
перемешивания
и
образования
гранул.
В
качестве
связующего применяют различные жидкости, способствующие сцеплению
26
частиц. Чаще всего – это дешевые доступные вещества, используемые в
технологии получения данного продукта (вода, раствор продукта).
Характер капиллярного взаимодействия в слое сыпучего материала
определяется количеством воды в точке контакта, формой контакта и числом
контактов в единице объема материала. Поскольку в слое, состоящем из
реальных частиц, возможны самые различные контакты, теоретически можно
предсказать лишь общий характер влияния влажности материала на
прочность сцепления частиц. Эта зависимость должна иметь экстремальный
характер. Сила капиллярного сцепления в объеме увлажненного сыпучего
материала тем выше, чем из более мелких частиц он состоит.
Общая схема взаимодействия жидкости с частичками материала может
быть представлена следующим образом. При небольшом содержании в
сыпучем материале мелких фракций зазоры между крупными зернами
остаются
практически
среднеэффективное
свободными.
расстояние
Поэтому
между
сравнительно
частицами
высокое
обусловливает
пониженную прочность сцепления.
При увеличении содержания мелких фракций структура материала
становится более плотной, прочность гранул возрастает. Положительная роль
крупных фракций заключается в том, что они создают своеобразный скелет
образца,
обладающий
значительным
сопротивлением
воздействию
статических и динамических нагрузок, а определенное количество мелких
частичек уменьшает среднее расстояние между крупными зернами, и
возникает сила, обеспечивающая сцепление последних и препятствующая
изменению жесткой структуры слоя. Только при определенном соотношении
крупных и мелких частиц получается наиболее плотная упаковка и
достигается наиболее высокая сила сцепления их в увлажненном материале.
Порошок, подаваемый на гранулирование, как правило, имеет
однородный
гранулометрический
состав.
В
общем
случае
скорость
капиллярного всасывания определяется свойствами жидкости (вязкостью,
27
плотностью,
поверхностным
натяжением)
и
материала
(радиусом
капилляров, природой вещества, состоянием его поверхности).
Процесс образования зародыша и формирования гранулы при
подаче в гранулятор жидкости можно представить следующим образом.
Капля воды, попавшая в слой материала, под воздействием капиллярных сил
сразу же начинает распространяться во все стороны, заполняя поры между
отдельными частицами. Предельный размер образующихся комочков прямо
пропорционален величине капли и обратно пропорционален пористости слоя
материала. Вода перестает распространяться в сыпучем материале, как
только комочек достигнет максимальной капиллярной влагоемкости. Это
время измеряется несколькими секундами.
Наиболее интенсивно влага поглощается гранулами в начальный
период. Изменение характера влагопоглощения с течением времени
объясняется,
по-видимому,
тем,
что
вначале
влага
поглощается
поверхностным слоем гранул под воздействием капиллярных сил. По мере
насыщения этого слоя влага продвигается внутрь гранулы, где имеются не
только открытые, но и закрытые поры, заполненные воздухом. Дальнейшее
поглощение влаги резко замедляется и лимитируется растворением воздуха в
жидкой фазе. Чем выше влагосодержание порошка, тем быстрее насыщается
поверхностный слой гранул и тем быстрее наступает переход от одного
характера влагопоглощения к другому.
При увлажнении одновременно происходит и уплотнение порошка под
действием капиллярных сил. Чем мельче частицы и больше поверхностное
натяжение жидкости, тем плотнее гранула.
Стадия окатывания.
Уплотнение частиц методом окатывания
достигается, в основном, при ударе о неподвижный слой материала или о
стенку гранулятора. В этот момент большая часть кинетической энергии, которую приобрел комок при скатывании вниз, расходуется на перемещение
зерен и уплотнение гранулы. Очевидно, что величина кинетической энергии
определяется не только скоростью окатывания, но и массой комочка.
28
Поэтому
должен
существовать
минимальный
размер
влажного
комочка, при котором он приобретает достаточную кинетическую энергию
во время осыпания. Если масса комочка меньше критической величины, то
накопленной энергии не хватит для совершения работы уплотнения, и этот
комочек не сможет стать зародышевым центром.
Комочки в результате многократных ссыпаний и ударов уплотняются,
отдельные частички, перемещаясь, укладываются более плотно. При этом
избыточная влага выдавливается на поверхность комочка, в результате чего
становится возможным дальнейшее присоединение к такому комку сухих
частичек. По мере приближения частичек друг к другу толщина пленок
связанной воды становится все меньше, прочность сцепления увеличивается.
Сближение
частичек
вследствие
уменьшения
толщины
адсорбированных пленок возможно только в том случае, когда избыток воды
поглощается, например в результате присоединения новых частичек к
поверхности или поступления влаги во внутрь гранулы. При работе
гранулятора внутри комка создается определенная минимальная толщина
водных пленок, соответствующая величине динамических нагрузок. Как
только эта толщина достигается, дальнейшее выделение воды на поверхность
комка прекращается, гранула перестает расти, ее прочность становится
максимальной для данного режима.
Для дальнейшего увеличения размера гранул накатыванием следует
вводить извне на их поверхность дополнительное количество жидкости.
Помимо динамических нагрузок при ударе уплотнению гранул
способствуют и другие силы. В момент перекатки гранулы через зерно
мелкого материала происходит толчок в направлении центра гранулы.
Развивающееся при этом давление достигает сотен атмосфер и способствует
фррмированию гранул в сферы. На поверхности перекатывающегося шарика
возникает не только толчок, но и срезывающее усилие. Часть неровностей
гранулы не выдерживает этих напряжений и разрушается, а прочно
прилипшие зерна вдавливаются внутрь.
29
Катящийся шарик до тех пор не присоединяет маленькие зерна
(перекатывается по ним), пока
d
2r (1  cos 2 )
1  cos 2
(1.2)
где d – диаметр зерна, r – радиус гранулы, β – угол трения.
Для сырого материала при трении его о стенку tg β = 0,2. В последнем
случае, как показывают расчеты, гранулы могут расти, пока их радиус не
станет больше 12,5 d. Частицы, меньшие r/12,5, будут проникать в скопление
зерен на поверхностях гранул и уплотнять их. Так, предельная величина
частиц, увлекаемых гранулами диаметром 2, 8 и 20 мм, составит
соответственно 0,08; 0,32 и 0,8 мм. Более крупные зерна не увлекаются
катящейся гранулой.
Структура гранулы уплотняется постепенно под действием большого
числа ударов различного направления, в результате чего взаимное
перемещение частичек происходит только на тех участках, где в данный
момент сила сцепления имеет минимальное значение. Другими словами,
работа
уплотнения
совершается
весьма
экономно.
Очевидно,
что
динамические нагрузки в грануляторе не должны превышать допустимые, т.
е. напряжения в комке не должны быть разрушающими.
Стадия стабилизации структуры гранул. Связи между частицами,
уплотненными в процессе окатывания, в значительной мере обусловлены
силами поверхностного натяжения жидкости. Эти связи обеспечивают достаточную пластичность материалу и позволяют в широких пределах
изменять форму гранулы без ее разрушения. Для получения готового
продукта необходимо упрочнить связи, придав большую жесткость
полученной структуре, что достигается удалением жидкой фазы или
переводом ее в твердую фазу.
Одним из наиболее распространенных способов упрочнения гранул
является сушка. При удалении влаги из растворимых в ней материалов
30
одновременно происходит и кристаллизация твердой фазы. Сушка может
осуществляться за счет тепла химической реакции. В этом случае кристаллы
образуются не только в результате сушки, но и вследствие образования
нового вещества.
В процессе удаления из гранулы жидкой фазы может происходить не
только упрочнение структуры, но и ее разрушение. При интенсивной сушке и
некоторых химических реакциях образуется большое количество газовой
фазы. Газ, выходя наружу, значительно изменяет структуру материала,
увеличивает пористость, разрушает образовавшиеся связи. Возникновение
новых кристаллов и перекристаллизация веществ, вызванная изменением
температуры,
также
приводят
к
нарушению
начальной
структуры.
Следовательно, не всегда оправданы повышенные требования к структуре
гранул, образуемых на стадии уплотнения, поскольку при после дующей
операции удаления жидкой фазы происходит перестройка структуры. В этом
случае целесообразно обе операции совмещать, причем особенно важно,
чтобы предыдущие стадии смешения и образования гранул были закончены.
1.3.3. Движение материала на вращающейся тарелке
На отдельное тело, помещенное в тарельчатый гранулятор, действуют
те же силы, что и на тело во вращающемся барабане. До момента отрыва тела
от борта тарелки все силы уравновешивают друг друга (рис. 1.9). Тело
отрывается от борта и начинает скатываться по поверхности тарелки в тот
момент, когда сила реакции борта становится равной нулю, т. е.
 2 R / g  sin   cos tg cos 
(1.3)
31
Рис. 1.9. Силы, действующие на тело во вращающейся тарелке
Качественный анализ работы тарелки показал, что для комков,
имеющих различные размеры и коэффициенты трения, угол отрыва φ при
прочих равных условиях будет различным. Чем крупнее комок, тем больше
должен быть угол φ и тем на меньшую высоту он поднимается, а нисходящая
ветвь траектории будет приближаться к борту.
Различное положение на плоскости тарелки падающих потоков частиц
различной
крупности
неизбежно
вызывает
вполне
определенное
расположение гранул по высоте слоя. Ближе к борту, а следовательно, и к
днищу тарелки, будут самые мелкие фракции, а затем уже более крупные.
Циклы повторяются и за время гранулирования растущая частица проходит
путь в виде спирали, в которой каждый последующий виток осуществляется
в плоскости, отходящей от поверхности диска, а нисходящая ветвь витка
приближается к борту тарелки. Классифицирующее действие тарелки
позволяет выгружать с нее гранулы узкого фракционного состава и
повышать тем самым производительность по целевой фракции продукта.
Поскольку скатывание происходит по днищу тарелки, очевидно, что
эффективность ее работы тем выше, чем лучше используется поверхность
32
окатывания. Оптимальный режим наступает тогда, когда мелкие фракции
отрываются от борта в верхней точке тарелки, т. е. при φ = 0. Более крупные
частицы скатываются при этом раньше. Скатываясь по наклонному днищу
тарелки, частицы приобретают определенную кинетическую энергию,
которая при столкновении частиц переходит в работу уплотнения гранулы.
Максимальная скорость скатывания не должна превышать скорость, щри
которой происходит разрушение гранулы. Эта скорость определяется
свойствами гранулируемого материала и находится из опыта.
По скорости скатывания можно определить соответствующие друг
другу значения диаметра и угла наклона тарелки
 ск 
2 gD(sin   costg )
(1.4)
Для получения динамических уплотняющих нагрузок одинаковой
величины в тарельчатых грануляторах различного диаметра скорости в конце
скатывания должны быть равны, откуда
sin  1  tg cos 1  ( D2 / D1)(sin  2  tg cos 2)
(1.5)
При постоянной скорости скатывания нисходящий поток имеет
различную толщину, зависящую от заполнения и скорости вращения тарелки.
С увеличением количества скатывающегося материала поток становится
стесненным, подвижность частиц уменьшается и, как следствие, ухудшается
окатывание и классификация гранул. Следовательно, максимальный выход
целевой фракции возможен только при определенном коэффициенте
заполнения тарелки Ф. Площадь сегмента, занятого материалом, не должна
превы-.
шать
оптимальное
половины
значение
площади
Ф
при
днища.
заданной
Для
других
величине
ω
материалов
определяют
экспериментально. В свою очередь угловая скорость вращения тарелки
зависит от ее диаметра и угла наклона. Эту скорость выбирают, исходя из
отрыва частиц в верхней точке.
33
Требуемый коэффициент заполнения, т. е. вес слоя, обеспечивается
высотой борта и углом наклона тарелки. Слой материала в грануляторе
должен обеспечить не только оптимальные условия окатывания, но и требуемое время пребывания τср. Зная τср и Ф, по заданной производительности
нетрудно определить высоту борта
H
4Q ñð
(1.6)
D 2Ô
При неизменной скорости скатывания производительность гранулятора
будет изменяться пропорционально изменению количества элементарных
потоков (гранул), находящихся одновременно в фазе скатывания, т. е.
пропорционально
изменению
площади
тарелки.
Практически
для
определения диаметра тарелки по заданной производительности пользуются
экспериментально полученными для данного продукта значениями удельной
производительности.
Таким образом, для расчета основных параметров тарельчатого
гранулятора
экспериментально
определяют
оптимальную
скорость
скатывания, по которой находят угол наклона тарелки, а также коэффициент
заполнения и время пребывания, рассчитывая по ним высоту борта.
Задаваясь углом отрыва частиц от борта (обычно =0), по уравнению (1.1)
определяют скорость вращения тарелки.
1.3.4. Роль связующего вещества при окатывании
Окатывание можно осуществлять по схеме сухого гранулирования,
однако на практике оно применяется довольно редко. Межмолекулярные
силы незначительны и не достигают теоретических значений из-за
неровностей
поверхности.
Сухое
окатывание
часто
сопровождается
пылением. Кроме того, необходимо вводить зародыши гранул, так как при
равенстве размеров гранулы и частицы они не агломерируются. Поэтому в
34
большинстве случаев окатывание осуществляется по схемам граничного и
влажного гранулирования.
В качестве связующего обычно применяют воду или водные растворы
веществ, поэтому будем говорить о влаге всюду, где речь идет о связующем.
Влага вводится форсунками или иными диспергирующими устройствами
внутрь гранулятора. Капли, смачивая частицы порошка, способствуют
соединению их либо адсорбционными силами, если влаги мало (граничное
гранулирование), либо капиллярными силами и силой поверхностного
натяжения (влажное гранулирование).
При всех видах окатывания механизм гранулообразования на конечной
стадии одинаков: внедрение частиц в гранулу при перекатывании. Но
начальные
стадии
сухого
граничного
и
влажного
гранулирования
существенно разнятся, что сказывается на скорости процесса (следовательно,
производительности
аппарата)
и
прочности
гранул.
При
сухом
гранулировании большие частицы, перекатываясь через малые, увлекают их
с собой и происходит формование в соответствии с рассмотренной выше
схемой. Прочность гранулы при этом определяется прочностью сил
формования и связи частиц в грануле. При введении влаги зародышами
гранул
являются
маленькие
неравномерные
комочки
порошка,
соединяющиеся вместе. Если влага только незначительно смачивает
порошок, то связь между частицами в начальный период осуществляется
адсорбционными слоями. Прочность гранул существенно зависит от силы
адсорбционной связи.
Более сложные превращения происходят при увеличении количества
влаги. Первоначально частицы соединяются жидкостными мостиками, это
«канатное»,
уменьшаются
или
«подвешенное»,
расстояния
состояние
между частицами
влаги.
–
При
окатывании
поры гранулы, куда
выдавливается влага. Прочность гранулы на этой промежуточной стадии в
основном определяется капиллярными силами. Рост гранулы за счет
35
смачивания продолжается до тех пор, пока внутри ее вся влага не окажется
заключенной в капиллярах и не будет выдавливаться наружу.
В
ходе
образования
гранул
возможны
три
состояния
влаги:
промежутки между частицами содержат некоторое количество влаги;
отдельные
частицы
связаны
жидкостными
мостиками;
в
точках
соприкосновения твердое тело-жидкость-газ действует сила поверхностного
натяжения в направлении распространения поверхности жидкости.
Наиболее прочные гранулы обычно получаются при применении
жидкостей с большим поверхностным натяжением.
Естественно, что гидрофильность порошка способствует успешному
осуществлению гранулирования. Как установлено на практике, режим
подачи влаги имеет существенное значение при окатывании. Непрерывная
подача высокодиспергированной влаги в ту часть аппарата, куда подается
исходный порошок, способствует интенсификации процесса, поскольку
зародышами гранул являются частицы порошка, соединенные жидкостными
мостиками. Производительность процесса является функцией количества
таких зародышей.
Подачей влаги можно также регулировать размеры гранул, потому что
порошок легче соединяется со смоченной поверхностью. Количество
подаваемой влаги оказывает заметное влияние на конечную прочность
гранул, что следует из выведенных выше зависимостей. При окатывании
очень сильное влияние на прочность гранул оказывает капиллярная и
поверхностная влага.
Прочность
сырых
гранул,
в
первую
очередь,
определяется
капиллярными силами. Жидкость, находящаяся в капилляре, в результате
действия силы поверхностного натяжения σ поднимается на высоту h,
которая соответствует разнице в давлении (рис. 1.10, а)
36
Рис. 1.10. Образование мениска: а – в капилляре, б – при
соприкосновении зерен
  2 ( R)
(1.7)
Давление больше в фазе, для которой мениск является выпуклым.
Радиус искривления R зависит от радиуса капилляра r и краевого угла
 между мениском и стенкой капилляра:
R  r / cos
(1.8)
Мениск может иметь поверхность, отличную от шаровой, тогда фактор
2/R выражают через (1/R1 + l/R2), где R1 и R2 – радиусы соприкасающихся
зерен (рис. 1.10, б).
Если полое пространство сырого материала только частично заполнено
жидкостью, то всасывающая сила капилляров определяется капиллярами
меньшего размера. При заполнении жидкостью всего полого пространства
37
гранулы искривленные мениски жидкости, образующиеся на выходе
капилляров, оказывают всасывающее действие на жидкость, находящуюся
внутри смачиваемого материала. Соответственно этому частицы (жидкие и
твердые) втягиваются внутрь благодаря капиллярному всасывающему
воздействию, которое вависит от величины частиц и рода упаковки.
Например, при  = 26% и краевом угле Θ = 0, т, е. минимальном радиусе
искривления мениска, капиллярное давление, или капиллярное всасывающее
действие
p  25,8 / d
(1.9)
Сравнивая это выражение с формулой (1.7), получаем d/R = 12,9, т. е.
радиус кривизны мениска почти в 13 раз меньше величины зерна.
На практике мы имеем дело как с полидисперсным порошком, так и с
полидисперсным гранулятом, поэтому при расчетах под d понимаем
средневзвешенную величину частиц, которые имеют ту же удельную
поверхность, что и весь сырой материал. Тогда при оптимальном количестве
воды капиллярное давление
p  25,8 / d
(1.10)
Из этого выражения следует, что чем плотнее упаковка, т.е. чем
меньше в, тем больше капиллярное давление.
38
2. Планирование экспериментального исследования
2.1. Принятие решений перед планированием эксперимента
В ходе экспериментального исследования применяли метод полного
факторного эксперимента (ПФЭ). При использовании ПФЭ вначале задаются
границами областей, в которых изменяются действующие факторы [1].
При выборе области эксперимента прежде всего надо оценить границы
областей определения факторов. При этом должны учитываться ограничения
нескольких типов. Первый тип — принципиальные ограничения для
значений факторов, которые не могут быть нарушены ни при каких
обстоятельствах. Например, если фактор — температура, то нижним
пределом будет абсолютный нуль. Второй тип — ограничения, связанные с
технико-экономическими соображениями, например, со стоимостью сырья,
дефицитностью отдельных компонентов, временем ведения процесса. Третий
тип ограничений, с которым чаще всего приходится иметь дело,
определяется конкретными условиями проведения процесса, например,
существующей аппаратурой, технологией, организацией. В реакторе,
изготовленном из некоторого материала, температуру нельзя поднять выше
температуры плавления этого материала или выше рабочей температуры
данного катализатора [1].
Оптимизация обычно начинается в условиях, когда объект уже
подвергался некоторым исследованиям. Информацию, содержащуюся в
результатах предыдущих исследований, будем называть априорной (т. е.
полученной до начала эксперимента). Мы можем использовать априорную
информацию для получения представления о параметре оптимизации, о
факторах, о наилучших условиях ведения процесса и характере поверхности
отклика, т. е. о том, как сильно меняется параметр оптимизации при
небольших изменениях значений факторов, а также о кривизне поверхности.
Для этого можно использовать графики (или таблицы) однофакторных
экспериментов, осуществлявшихся в предыдущих исследованиях или
описанных
в
литературе.
Если
однофакторную
зависимость
нельзя
39
представить линейным уравнением (в рассматриваемой области), то в
многомерном случае, несомненно, будет существенная кривизна. Обратное
утверждение, к сожалению, не очевидно [1].
Выбор основного уровня. Наилучшим условиям, определенным из
анализа априорной информации, соответствует комбинация, (или несколько
комбинаций) уровней факторов. Каждая комбинация является многомерной
точкой в факторном пространстве. Ее можно рассматривать как исходную
точку для построения плана эксперимента. Назовем ее основным (нулевым)
уровнем.
Построение
плана
эксперимента
сводится
к
выбору
экспериментальных точек, симметричных относительно нулевого уровня [1].
В разных случаях мы располагаем различными сведениями об области
наилучших условий. Если имеются сведения о координатах одной
наилучшей точки, и нет информации о границах определения факторов, то
остается рассматривать эту точку в качестве основного уровня. Аналогичное
решение принимается, если границы известны и наилучшие условия лежат
внутри области [1].
Положение усложняется, если эта точка лежит на границе (или весьма
близко к границе) области. Тогда приходится основной уровень выбирать с
некоторым сдвигом от наилучших условий [1].
Может случиться, что координаты наилучшей точки неизвестны, но
есть сведения о некоторой подобласти, в которой процесс идет достаточно
хорошо. Тогда основной уровень выбирается либо в центре, либо в
случайной точке этой подобласти. Сведения о подобласти можно получить,
анализируя изученные ранее подобные процессы, из
теоретических
соображений или из предыдущего эксперимента [1].
Наконец, возможен случай с несколькими эквивалентными точками,
координаты которых различны. Когда отсутствуют дополнительные данные
(технологического, экономического характера и т. д.), выбор произволен.
Конечно, если эксперимент недорог и требует немного времени, можно
40
приступить к построению планов экспериментов вокруг нескольких точек
[1].
2.2. Определение действующих факторов и границ варьирования
При гранулировании пшеничной муки с использованием воды в
качестве связующего агента верхним пределом при дозировании воды будет
такая величина, при которой влажность смеси воды и муки достигает
величины не более 30%.
Данная величина конечной влажности гранулятора выбрана исходя из
того, что существуют как минимум два процесса, в которых происходит
соединение воды и муки – это получение макаронного и хлебопекарного
теста. При получении макаронного теста максимальная влажность теста
составляет 31%, при этом тесто получается крошковатым, при получении
хлебопекарного теста влажность достигает 45%, при этом теста получается
вязко-пластичным.
При гранулировании целесообразно получать гранулы, размер которых
лежит в узком диапазоне, например, от 1,5 до 3 мм. Чем больше гранул
лежит в заданном диапазоне, тем меньше дополнительных операций
(дробления
при
образовании
более
крупных
гранул,
повторного
гранулирования при образовании более мелких гранул) будет требоваться,
тем более эффективным будет процесс.
Размер гранул зависит от параметров процесса гранулирования:
– состава смеси;
– количества влаги, поданной на увлажнение;
– способа введения влаги;
– частоты вращения тарели гранулятора;
– угла наклона тарели к горизонту.
При
существенном
повышении
влажности
гранулята
может
происходить лавинообразный рост размера гранул, что приведет к
41
необходимости введения дополнительных операций по дроблению и
просеиванию гранул. Это нежелательно.
На основании вышеизложенных соображений относительно влажности
макаронного и хлебопекарного теста выбрали максимальное значение
влажности готового гранулята в 38%.
С учётом влажности муки, которая составляет от 13 до 15%, возможно
внести дополнительно не более 25% влаги.
Влага может вноситься тремя способами:
– 100% влаги в процессе гранулирования;
– часть влаги до начала процесса, часть влаги в процессе (с т.н.
частичным предварительным увлажнением);
– 100% влаги до начала процесса, то есть с полным предварительным
увлажнением.
Расчет количества воды mв, г, которое пойдет на гранулирование,
проводят по формуле:


mo  Wк  Wo 200  0,38  0,14
mв 

 77,42,
1  Wк
1  0,38
(2.1)
где mo – масса смеси до увлажнения, г, навеска 200 граммов;
Wo – влажность смеси до увлажнения, доли единицы;
Wi – влажность смеси после увлажнения, доли единицы.
Данное количество воды (77,42 г) включает воду, которая задается в
качестве предувлажнения.
42
Для проведения полного факторного эксперимента предположим, что
гранулометрический состав гранулята имеет линейную зависимость от
изменяемых факторов – состава смеси и способа введения влаги в смесь.
При варьировании двух факторов на двух уровнях число опытов
составляет N = 2k, где N – число опытов, k – число факторов, 2 – число
уровней. Матрица эксперимента представлена в таблице 2.1.
Таблица 2.1 – Матрица полного факторного эксперимента
№ опыта
x1
x2
y
1
–1
–1
y1
2
+1
–1
y2
3
–1
+1
y3
4
+1
+1
y4
2.3. Экспериментальная установка – дисковый гранулятор
Экспериментальные исследования процесса гранулирования проводили
на лабораторном дисковом грануляторе (рис. 2.1).
Дисковый гранулятор состоит из электродвигателя 1, упорной гайки 2,
станина 3, трубопровода для подачи сыпучего материала 4, диска с бортами
5, форсунки 6, патрубка 7, стенки 8 и рычага 9.
Установка работает следующим образом. Перед включением диск 5
устанавливают путем перемещения рукоятки 9 под определенным углом к
горизонту. Угол наклона диска делают несколько больше угла естественного
откоса материала, подаваемого на гранулирование.
Запускают вращение диска 5 и на его поверхность через воронку 4
подают гранулируемый материал. Увлажнение проводят через форсунку 6.
Готовые гранулы разгружают через патрубок 7.
Диск 5 гранулятора приводится во вращения электродвигателем 1 через
муфту.
43
2.4. Подготовка образов
Гранулирование проводили со следующими материалами:
1) виноградный порошок с добавлением экструзионного кукурузного
крахмала;
2) виноградный порошок с добавлением сахара белого;
3) пшеничная мука;
4) пшеничная мука с добавлением нативного курузного крахмала.
При
гранулировании
с
применением
метода
равномерного
варьирования использовали пшеничную муку и виноградный порошок с
добавлением экструзионного кукурузного крахмала.
С целью повышения эффективности процесса гранулирования влажным
окатыванием путем сокращения времени и повышения производительности
процесса
гранулирования
на
дисковом
грануляторе
порошков,
произведенных из растительного сырья, нами было изучено гранулирование
с
внесением
в
виноградный
порошок
(ВП)
сахара
белого
и
экструдированного кукурузного крахмала (ЭКК) [4]. Для проведения
экспериментального исследования готовили рецептурные смеси, согласно
таблице 2.1.
44
Рис. 2.1. Схема лабораторной установки «Дисковый гранулятор»: 1 –
электродвигатель, 2 – упорная гайка, 3 – станина, 4 – трубопровод сыпучего
материала, 5 – диск с бортами, 6 – форсунки, 7 – патрубок, 8 – стенка, 9 –
рычаг
45
Таблица 2.1. Состав образцов для гранулирования
Количество на 100 грамм образца, г
Наименование
Виноградный
Экструзионный
образца
порошок
кукурузный крахмал
(ЭКК)
Сахар
белый
ВП+10%сахар
90
–
10
ВП+5%ЭКК
95
5
–
ВП+10%ЭКК
90
10
–
ВП+15%ЭКК
85
15
–
При гранулировании в дисковых грануляторах возможно применять
как процесс сухого, так и влажного гранулирования. Предпочтение отдается
процессу влажного гранулирования, поскольку при таком режиме обработки
повышается производительность гранулятора, гранулометрический состав
более однороден и отсутствует необходимость введения затравки.
В качестве связующего компонента применяли воду. Воду вносили
путем разбрызгивания через форсунку над слоем порошка, находящегося на
поверхности
диска гранулятора. В результате
увлажнения
порошка
распыленной водой в нем образовывались зародыши гранул. В процессе
окатывания
гранулы
приобретали
необходимый
размер,
однако
характеризовались недостаточной прочностью.
При гранулировании с применением метода полного факторного
эксперимента использовали две смеси: первая – пшеничная мука, вторая –
90% пшеничной муки и 10% пшеничного крахмала. Фактор x1 равный «–1»
(таблица 2.1) означает, что для гранулирования использовали только
пшеничную муку, т.к. содержание пшеничного крахмала С равно 0%, а x1
равный «+1» означает, что для гранулирования использовали 90%
пшеничной муки и 10% пшеничного крахмала (С = 10%).
46
Фактор x2 показывает способ внесения влаги при гранулировании. При
x2 равным «–1» – все 100% влаги вносились в процессе гранулирования и
предувлажение отсутствовало, при x2 равным «+1» – 27% влаги вносили
предварительно.
Предварительное
увлажнение
производилось
путем
распыления воды над емкостью со смесью и последующем перемешивании.
Обозначим наличие/отсутствие предувлажения буквой
P, тогда
отсутствие предувлажнения обозначиться как P = 0%, а наличие P = 27% – по
количеству влаги пошедшей на предувлажение.
Предувлажнение выполняли цилиндроконической емкости. После
увлажнения образца, образец перемешивался рамной мешалкой.
При проведении предувлажнения в цилиндроконическую емкости
задавали 20,9 г воды (77,42 г, полученные по формуле 2.1, умноженные на
27%).
47
3. Проведение эксперимента и обработка данных
3.1. Проведение эксперимента
Эксперимент проводили по двум методикам: первая – полный
факторный эксперимент (описан в разделе 2), вторая – равномерного
варьирования, когда изменяемый фактор, например, процентное содержание
связующего агента, меняется с определенным шагом.
В
зависимости
от
наличия
или
отсутствия
предувлажнения
эксперимент проводили следующим образом.
Устанавливали наклон диска гранулятора α чуть меньший, чем угол
откоса продукта – α = 30о. Высыпали навеску образца на диск гранулятора и
включали электродвигатель. Устанавливали скорость вращения диска равной
27,5 об/мин.
В случае, когда гранулирование проводилось без предварительного
увлажнения, то увлажнение разбрызгиванием капель воды над образцом в
тарели гранулятора проводили каждые 45 секунд порциями воды в
количестве от 2,5 до 3 грамм через форсунку 6 (рис. 2.1). При первом
разбрызгивании воды включался секундомер и засекалось время.
В случае, когда гранулирование проводилось с предварительным
увлажнением, то секундомер включался в момент подачи образца на диск
гранулятора, а первое увлажнение через форсунку проводилось через 45
секунд после этого.
В процессе гранулирования рассчитывали общее количество воды,
пошедшее на увлажнение. В тот момент, когда количество воды достигало
значения 77 г, увлажнение прекращали, но оставляли вращаться диск
гранулятора
еще
на
3
минуты,
чтобы
достичь
наиболее
полного
проникновения влаги внутри гранулируемого материала и образования
соединительных мостиков.
Суммарное количество воды, пошедшей на увлажнение, включало
количество воды, пошедшей на предувлажнение.
48
3.2. Описание процесса гранулирования
В течение процесса наблюдали движение увлажненной смеси по
поверхности диска гранулятора. Движение смеси по рабочей поверхности
диска гранулятоора представляло собой совокупность вращательного и
перемешивающего движений. При этом увлажненные гранулы совместно с
мукой создавали на поверхности диска образование в форме объемного
элипсоида,
внутри
которого
происходило
перемещение разнородных
компонентов из смеси исходного муки и крупных гранул. По краям
элипсоида, в основном, сосредотачивались гранулы размером от 0,5 до 2,5
мм. При этом на верхней его границе собирались гранулы меньшего размера
по сравнению с гранулами, которые скапливались у нижней границы.
Процесс образования гранул – это процесс последовательного
уплотнения увлажненного сыпучего материала, протекающего в три этапа:
образование зародышей, рост и уплотнение гранул. Гранулообразование
происходит под действием гравитационно-центробежных сил, при этом в
процессе гранулирования на дисковом грануляторе реализуется режим
переката, который имеет свои особенности, связанные со значительной
величиной центробежных сил, развивающихся в этих аппаратах. На гранулы,
находящиеся на вращающейся тарели, действует сила тяжести, центробежная
сила и сила трения. Благодаря действию центробежной силы и силы трения,
гранулы прижимаются ко дну тарели, и поднимаются вместе с ним на
определенную высоту, а затем под действием силы тяжести скатываются
вниз. Различное положение на плоскости тарелки падающих потоков частиц
разной крупности неизбежно вызывает вполне определенное расположение
гранул по высоте слоя [11, 17].
Важным параметром процесса
гранулирования
при
получении,
например, панировочных сухарей на дисковом грануляторе, является
влажность смеси, которая зависит от количества воды, поданной на
увлажнение. При избыточном увлажнении более 60 г воды на 500 г
пшеничной муки наблюдалось лавинообразное образование гранул размером
49
более 6 мм, а также образование комков и сгустков в месте увлажнения,
которые не разрушались под действием центробежных и гравитационных
сил.
Траектория
движения
материала
на
поверхности
дискового
гранулятора представлена на рис. 3.1.
Рис. 3.1. Траектория движения материала на поверхности дискового
гранулятора
3.3. Экспериментальные исследования процесса гранулирования
сыпучих пищевых материалов
3.3.1. Гранулирование пшеничной муки и определение
гранулометрического состава гранулята
Экспериментальный
образец
готовили
следующим
образом.
Взвешивали навеску пшеничной муки массой 500 грамм. Определяли угол
естественного
откоса
исходного
пшеничной муки составил φ = 32,6o.
сырья.
Угол
естественного
откоса
50
В результате гранулирования сыпучих материалов на дисковом
грануляторе были получены гранулы панировочного сухаря с размером
частиц от 0,8 до 3,6 мм.
Гранулометрический состав представлен в таблице 3.1. Шаг размеров
между классами вариационного ряда – 0,4 мм, при этом нижняя граница
класса включается в диапазон, а верхняя – не включается.
Таблица 3.1. Гранулометрический состав гранул пшеничной муки
Размер
Содержание
частицы,
класса в
мм
грануляте, %
0,8-1,2
9
1,2-1,6
16
1,6-2,0
28
2,0-2,4
19
2,4-2,8
19
2,8-3,2
7
3,2-3,6
2
По данным таблицы 3.1 построили вариационный ряд частиц гранулята
(рис. 3.2).
51
Содержание класса в грануляте, %
30
25
20
15
10
5
0
0,8-1,2
1,2-1,6
1,6-2,0
2,0-2,4
2,4-2,8
2,8-3,2
3,2-3,6
Границы классов, мм
Содержание класса в грануляте, %
Рис 3.2. Вариационный ряд гранул пшеничной муки
По результатам гранулирования пшеничной муки на дисковом
грануляторе можно сделать вывод о том, что размер 66% полученных гранул
лежит в диапазоне от 1,6 до 2,8 мм, а размер 82% гранул – в диапазоне от 1,2
до 2,8 мм.
Процесс гранулирования сыпучих пищевых продуктов на дисковом
грануляторе
требует
дополнительного
и
детального
изучения
и
экспериментального определения параметров гранулирования (скорости
вращения диска, количества воды на увлажнение, способа подачиводы,
выбора
связующего
агента),
поскольку
по
результатам
одного
экспериментального гранулирования невозможно сделать обощещенные
выводы о пригодности или не пригодности данного процесса к обработке
сыпучих пищевых продуктов.
52
3.3.2. Исследование процесса гранулирования виноградного
порошка и определения фракционного состава гранулята
Гранулированию подвергали образцы, подготовленные в соответствие
с данными таблицы 2.1.
В процессе гранулирования смесь порошка увлекалась вращающимся
диском гранулятора, при этом в объеме смеси образовывались зародыши
гранул, которые с течение 30 минут превращались в гранулы.
Рис. 3.3. Схема гранулирования на дисковом грануляторе
При гранулировании виноградного порошка с добавлением сахара
белого в количестве 10% к общей массе смеси прочность полученных гранул
в сравнении с контрольным образцом (0% сахара белого) увеличилась.
Однако было установлено, что данный гранулированный порошок имеет
высокую адгезию к материалу сит, что при размерах ситовой ячейки 1-1,5 мм
сокращает
производительность
просеивания
и
снижает
качество
53
гранулированного продукта. При этом более высокая производительность
просеивания достигается при крупных размерах сита.
Гранулы,
полученные
из
смеси
виноградного
порошка
с
экструзионным кукурузным крахмалом (ЭКК) (10% к общей массе),
обладают хорошими показателями качества, такими как прочность гранул,
размер, сыпучесть, исключение слеживаемости при хранении, высокой
точностью дозирования и другими.
На наш взгляд, это можно объяснить тем, что ЭКК обладает хорошей
влагосвязывающей способностью (1:12…16) и способностью к набуханию.
При внесении влаги частицы ЭКК быстро набухают и вокруг них быстро
образовываются
многочисленные
зародыши
гранул
–
центры
гранулирования. При соединении частиц ЭКК с влагой крахмальные частицы
образуют
гель.
качественные
Гелевая
показатели
структура
ЭКК
гранул
результате
в
обеспечивает
наилучшие
связывания
частиц
растительного порошка между собой.
Экспериментально определяли фракционный состав гранулированного
порошка путем просеивания через сита, имеющие размеры: 3х20; 2,2х20;
1,5х20; 1,2х20; 1х1 мм (таблица 3.2).
Таблица 3.2. Экспериментальные значения зависимости схода
гранулированного порошка от размера сита
Сход гранулированного порошка со связующим компонентом G, %
Размер
Экструзионный кукурузный крахмал (ЭКК)
сита H,
5%
10%
15%
Среднее(ЭКК)
10%
3х20
8,56
4,67
6,11
6,89
31,48
2,2х20
14,25
12,37
14,96
13,43
26,84
1,5х20
21,99
22,70
22,00
22,28
21,92
1,2х20
26,10
28,15
26,74
26,98
11,91
1х1
29,10
32,12
30,18
30,42
7,84
Сахар белый
мм
54
На рис. 3.4 представлена зависимость процентного содержания схода
гранулированного порошка от размера сита. Из рис. 3.4 видно, что в
зависимости от размера сита производительность просеивания определяется,
в том числе, и видом гранулообразующего агента, что можно объяснить его
адгезионными способностями к ситовой поверхности.
По графикам определили зависимость схода порошка G, % от размера
сита H, мм и экстраполировали ее полиномом второй степени. При этом сход
с сита (G %) для порошка, гранулированного с применением сахара белого с
увеличением размера сита повышается при увеличении размера ячейки сита:
G = – 6,975H2 + 39,29H – 24,09,
(3.1)
а сход с сита (G %) для порошка, гранулированного с применением
экструзионного кукурузного крахмала (ЭКК) с увеличением размера сита
снижается:
G = 2,993H2 – 23,73H + 51,15.
(3.2)
Таким образом, на основании анализа результатов проведенных
исследований
было
рекомендовано
использовать
гранулированный
виноградный порошок, вырабатываемый с применением экструзионного
кукурузного крахмала (ЭКК). При этом массовая доля гранул размером
порядка от 1 до 1,5 мм, которые получены из виноградного порошка с ЭКК,
составляют более 75% от массы всех гранул.
55
40,00
Сход с сита G, %
30,00
20,00
10,00
0,00
1
1,5
2
2,5
3
Размер сита H, мм
5% ЭКК
10% ЭКК
15% ЭКК
Среднее
10% caxap
Рис. 3.4. Влияние размера сита H, мм на сход гранулированного
порошка G, %.
3.3.3. Исследование процесса гранулирования методом полного
факторного эксперимента
По результатам гранулирования определяли гранулометрический
состав гранулята методом просеивания через сита с размерам ячеек 0,85; 1;
1,6; 2; 3,3 и 4 мм. Определяли процентное соотношение массы гранулята с
размерами от 1,6 до 3,3 мм. Это соотношение обозначено в матрице
эксперимента буквой y.
Выбранный диапазон размеров гранул от 1,6 до 3,3 мм выбран потому,
что гранулы, имеющие такой размер, обладают рядом преимуществ по
сравнению с гранулами меньшего размера, в том, что они меньше пылят, а по
сравнению с гранулами большего размера в их компактности при хранении,
транспортировке
и
использовании
технологических операциях.
в
качестве
сырья
в
других
56
Результаты определения гранулометрического состава представлены в
таблице 3.3.
Таблица 3.3. Гранулометрический состав гранул
Диапазон размеров
Номер опыта
1
2
3
4
>4 мм
2,89%
9,00%
42,60%
44,08%
3,3…4 мм
1,12%
3,17%
2,50%
7,45%
2…3,3 мм
18,43%
18,60%
15,95%
20,02%
1,6…2 мм
12,28%
8,63%
7,45%
8,08%
1…1,6 мм
10,48%
8,68%
9,96%
7,45%
0,85…1 мм
12,10%
14,45%
12,28%
9,04%
<0,85 мм
42,70%
37,47%
9,25%
8,98%
Для анализа представим таблицу в другом виде, сложив значения строк
с диапазонам размеров от 1,6 до 2 мм и от 2 до 3,3 мм (таблица 3.4).
Таблица 3.4. Гранулометрический состав гранул (сокращенно)
Диапазон размеров
Номер опыта (см. таблицу 2.2)
1
2
3
4
>4 мм
2,89%
9,00%
42,60%
44,08%
3,3…4 мм
1,12%
3,17%
2,50%
7,45%
1,6…3,3 мм
30,71%
27,23%
23,40%
28,1%
1…1,6 мм
10,48%
8,68%
9,96%
7,45%
0,85…1 мм
12,10%
14,45%
12,28%
9,04%
<0,85 мм
42,70%
37,47%
9,25%
8,98%
57
По данным таблицы 3.4 построили диаграмму распределения (рис. 3.5).
Оптимизации процесса гранулирования проводится по максимизации
количества гранул (значения y), размер которых входит в диапазон от 1,6 до
3,3 мм (в таблице выделено жирным).
Для движения к точке оптимума в полном факторном эксперименте
при варьировании двух факторов на двух уровнях используется линейная
модель:
у = bo + b1x1 + b2x2.
(3.3)
Необходимо по результатам эксперимента найти значения неизвестных
коэффициентов модели.
50%
45%
40%
35%
30%
25%
20%
15%
10%
5%
0%
>4 мм
3,3…4 мм 1,6…3,3 мм 1…1,6 мм 0,85…1 мм <0,85 мм
1
2
3
4
Рис. 3.5. Вариационный ряд частиц гранулята
Коэффициенты вычисляются по формулам:
58
bo 
b1 
b2 
y1  y 2  y 3  y 4
4
(3.4)
 1 y1   1 y 2   1 y3   1 y 4
(3.5)
4
 1 y1   1 y 2   1 y3   1 y 4
(3.6)
4
Для расчета по формулам заполним таблицу 1 значениями y (таблица
3.5).
Таблица 3.5. Матрица полного факторного эксперимента со значениями y
№ опыта
x1
x2
y
1
–1
–1
30,71
2
+1
–1
27,23
3
–1
+1
23,4
4
+1
+1
28,1
bo 
y1  y 2  y3  y 4 30,71  27,23  23,4  28,1

 27,36
4
4
b1 
 1  30,71   1  27,23   1  23,4   1  28,1  0,305
b2 
 1  30,71   1  27,23   1  23,4   1  28,1  1,61
4
4
Подставляя значения коэффициентов в формулу (3.3), получим
у = 27,36 + 0,305x1 – 1,61x2.
Фотографии гранулята представлены на рис. 3.6.
(3.7)
59
а)
б)
в)
г)
Рис. 3.6. Фотографии гранул пшеничной муки, полученных при ПФЭ:
а) 100% пшеничной муки, 100% влаги в гранулятор, размер гранул от 1,6 до
2,0 мм; б) 100% пшеничной муки, 100% влаги в гранулятор, размер гранул от
0,85 до 1,0 мм; в) 90% пшеничной муки, 10% пшеничного крахмала, 100%
влаги в гранулятор, размер гранул от 1,6 до 2,0 мм; г) 90% пшеничной муки,
10% пшеничного крахмала, 100% влаги в гранулятор, размер гранул от 1,0 до
1,6 мм
Сделаем расширенный анализ проведенного эксперимента.
Из таблицы 3.4 и рис. 3.5 видно, что существует неравномерность
распределения количества гранул по размерам.
60
В результате экспериментов, в которых 100% влаги задавалось в
гранулятор, образовывались гранулы преимущественно с размером менее 1,6
мм – по массе такие гранулы составляли 65,28 % и 60,6% к общей массе
гранул для первого и второго опыта соответственно.
В результате экспериментов, в которых 27% влаги задавалось в
гранулятор, образовывалось достаточно большое количество крупных гранул
с размером более 3,3 мм – по массе такие гранулы составляли 45,1 % и 51,53
% к общей массе гранул для третьего и четвертого опыта соответственно.
Кроме этого, при внесении пшеничного крахмала наблюдалось
уменьшение в процентном отношении массы мелких гранул с размером
менее 0,85 мм.
Предварительные выводы, которые можно сделать из проведенных
экспериментов следующие.
1. Внесение пшеничного крахмала и изменение условий подачи воды
на увлажнение (с предувлажнением или без него) изменяет процентное
соотношение гранул, приходящиеся на разные диапазоны размеров.
2. Необходимо подобрать дозировку пшеничного крахмала, при этом
10% пшеничного крахмала в смеси является верхним пределом его
дозирования.
3. Необходимо
подобрать
количество
влаги,
вносимое
до
гранулирования, при этом 27% влаги является верхним пределом ее
дозирования.
Считаем разумным выбрать следующую схему гранулирования.
1. Сделать пять образцов смеси пшеничной муки и пшеничным
крахмалом, в которой содержание пшеничного крахмала (С) будет
изменяться от 0% до 10% с шагом 2,5%. Значение содержания пшеничного
крахмала С будет соотноситься со значением x1 следующим образом.
Для С = 0%, x1 = –1; С = 2,5%, x1 = –0,5; С = 5%, x1 = 0;
С = 7,5%, x1 = +0,5; С = 10%, x1 = +1.
61
2. Проводить
увлажнение
каждого
образца
непосредственно
в
грануляторе (без предувлажения, P = 0%) и с предувлажением путем
внесения влаги в количестве от 6 до 24% (с шагом 6 %) от массы
рассчитанной массы влаги, подаваемой на гранулирование. Значение
содержания добавленной влаги до помещения массы в гранулятор P будет
соотноситься со значением x2 следующим образом.
Для P = 0% (без предувлажнения), x1 = –1; P = 6%, x1 = –0,5;
P = 12%, x1 = 0; P = 18%, x1 = +0,5; С = 24%, x1 = +1.
При такой схеме гранулирования необходимо провести 25 опытов. Это
трудоемкий процесс.
Есть возможность провести оптимизацию и выбрать диапазон
параметров гранулирования, которые даст наиболее количество гранул
размером от 1,6 до 3,3 мм.
Из таблицы 3.4 видно, что при подаче 100% воды в гранулятор более
половины гранул имеют размер менее 1,6 мм, а при подаче 27% влаги на
предувлажнение около половины гранул имеют размер более 3,3 мм.
На рис. 3.7 представлена схема полного факторного эксперимента.
Точками на вершинах прямоугольника показаны условия проведенного
эксперимента. Точки внутри прямоугольника не исследовались.
x2
27%
0
10%
x1
Рис. 3.7. Схема полного факторного эксперимента
62
Возможно, где-то внутри прямоугольника найдется область значений
параметров x1 и x2 (заштрихована), при которых масса мелких и крупных
гранул уменьшится, а масса гранул с размерами от 1,6 до 3,3 мм увеличится.
Чтобы не проводить 25 опытов, а ограничиться меньшим числом
проведем оптимизацию постановки эксперимента. Для этого используем
линейную модель, связывающую зависимый параметр y и независимые
параметры x1 и x2:
у = bo + b1x1 + b2x2.
(3.8)
Последовательно найдем коэффициенты уравнения (3.8) для значений y
– процентного соотношения гранул, полученного в диапазонах размеров от
1,6 до 3,3 мм (требуемый размер); более 3,3 мм (крупные гранулы); менее 1
мм.
Находим значения неизвестных коэффициентов модели (3.8) для
значений y – процентного соотношения гранул, полученного в диапазонах
размеров от 1,6 до 3,3 мм (требуемый размер).
Коэффициенты вычисляются по формулам:
bo 
b1 
b2 
y1  y 2  y 3  y 4
4
 1 y1   1 y 2   1 y3   1 y 4
4
 1 y1   1 y 2   1 y3   1 y 4
4
(3.9)
(3.10)
(3.11)
Для расчета по формулам заполним таблицу 2.1 значениями y (таблица
3.6).
63
Таблица 3.6. Матрица полного факторного эксперимента со значениями y
№ опыта
x1
x2
y
1
–1
–1
30,71
2
+1
–1
27,23
3
–1
+1
23,4
4
+1
+1
28,1
bo 
y1  y 2  y3  y 4 30,71  27,23  23,4  28,1

 27,36
4
4
b1 
 1  30,71   1  27,23   1  23,4   1  28,1  0,305
b2 
 1  30,71   1  27,23   1  23,4   1  28,1  1,61
4
4
Подставляя значения коэффициентов в формулу (3.8), получим
у = 27,36 + 0,305x1 – 1,61x2.
(3.12)
Находим значения неизвестных коэффициентов модели (3.8) для
значений y – процентного соотношения гранул, полученного в диапазонах
размеров свыше 3,3 мм (крупные гранулы).
Коэффициенты вычисляются по формулам:
bo 
b1 
y1  y 2  y 3  y 4
4
 1 y1   1 y 2   1 y3   1 y 4
4
(3.13)
(3.14)
64
b2 
 1 y1   1 y 2   1 y3   1 y 4
(3.15)
4
Для расчета по формулам заполним таблицу 2.1 значениями y (таблица
3.7).
Таблица 3.7. Матрица полного факторного эксперимента со значениями y
№ опыта
x1
x2
y
1
–1
–1
4,01
2
+1
–1
12,17
3
–1
+1
45,1
4
+1
+1
51,52
bo 
y1  y 2  y3  y 4 4,01  12,17  45,1  51,52

 28,2
4
4
b1 
 1  4,01   1 12,17   1  45,1   1  51,52  3,645
b2 
 1  4,01   1  12,17   1  45,1   1  51,52  20,11
4
4
Подставляя значения коэффициентов в формулу (3.8), получим
у = 28,2 + 3,645x1 + 20,11x2.
(3.16)
Предварительно была выбрана следующая схема гранулирования с
варьирование двух факторов.
1. Сделать пять образцов смеси пшеничной муки и пшеничным
крахмалом, в которой содержание пшеничного крахмала (С) будет
изменяться от 0% до 10% с шагом 2,5%. Значение содержания пшеничного
крахмала С будет соотноситься со значением x1 следующим образом.
65
Для С = 0%, x1 = –1; С = 2,5%, x1 = –0,5; С = 5%, x1 = 0;
С = 7,5%, x1 = +0,5; С = 10%, x1 = +1.
2. Проводить
увлажнение
каждого
образца
непосредственно
в
грануляторе (без предувлажения, P = 0%) и с предувлажением путем
внесения влаги в количестве от 6 до 24% (с шагом 6 %) от массы
рассчитанной массы влаги, подаваемой на гранулирование. Значение
содержания добавленной влаги до помещения массы в гранулятор P будет
соотноситься со значением x2 следующим образом.
Для P = 0% (без предувлажнения), x1 = –1; P = 6%, x1 = –0,5;
P = 12%, x2 = 0; P = 18%, x2 = +0,5; С = 24%, x2 = +1.
При этом значения P и C называются натуральными факторами, а
значения x1 и x2 кодированными факторами.
В
формулу
(3.16)
поставляются
кодированные
факторы.
Для
упрощения расчетов сделаем их в Excel. Результаты расчета представлены на
рис. 3.8.
Рис. 3.8. Расчетные значения плана полного факторного эксперимента
по кодированным факторам (крупные гранулы)
Находим значения неизвестных коэффициентов модели (3.8) для
значений y – процентного соотношения гранул, полученного в диапазонах
размеров менее 0,85 мм (мелкие гранулы).
66
Коэффициенты вычисляются по формулам:
bo 
b1 
b2 
y1  y 2  y 3  y 4
4
(3.17)
 1 y1   1 y 2   1 y3   1 y 4
(3.18)
4
 1 y1   1 y 2   1 y3   1 y 4
(3.19)
4
Для расчета по формулам заполним таблицу 2.1 значениями y (таблица
3.8).
Таблица 3.8. Матрица полного факторного эксперимента со значениями y
№ опыта
x1
x2
y
1
–1
–1
42,70
2
+1
–1
37,47
3
–1
+1
9,25
4
+1
+1
8,98
bo 
y1  y 2  y 3  y 4 42,7  37,47  9,25  8,98

 24,6,
4
4
b1 
 1  42,7   1  37,47   1  9,25   1  8,98  1,375
b2 
 1  42,7   1  37,47   1  9,25   1  8,98  15,485
4
4
Подставляя значения коэффициентов в формулу (3.8), получим
у = 24,6 – 1,375x1 – 15,485x2.
Провели расчеты в Excel и представили их на рис. 3.9.
(3.20)
67
Рис. 3.9. Расчетные значения плана полного факторного эксперимента
по кодированным факторам (мелкие гранулы)
Выбрали диапазон параметров гранулирования для проверки гипотезы.
Содержание пшеничного крахмала С составляет 2,5; 5 и 7,5%.
Количество воды на предувлажнение P составляет 6, 12 и 18%.
Добавляем к схеме эксперимента контрольные точки, в которых C = 0%
и P = 0%.
Провели
экспериментальное
гранулирование
при
условии,
что
проводили 4 эксперимента с пшеничной мукой. Брали навеску 200 грамм
пшеничной муки и изменяли условия увлажнения.
Первый эксперимент: 100% пшеничной муки, 100% влаги в гранулятор,
то есть 0% предувлажнение.
Второй
эксперимент:
100%
пшеничной
100%
пшеничной
муки,
6%
влаги
12%
влаги
18%
влаги
предувлажнение.
Третий
эксперимент:
муки,
предувлажнение.
Четвертый
эксперимент:
100%
пшеничной
муки,
предувлажнение.
По
результатам
проведенного
исследования
определили
гранулометрический состав гранулята по методике, описанной выше, и
68
построили диаграмма зависимости гранулометрического состава от способа
16%
14%
12%
10%
8%
6%
4%
IV
2%
0%
3,3…4 мм
III
II
2…3,3 мм
1,6…2 мм
0%-2%
2%-4%
4%-6%
I
0,85…1
мм
6%-8%
8%-10%
10%-12%
12%-14%
14%-16%
1…1,6 мм
Диапазон размеров гранул, мм
Номер эксперимента
Содержание гранул в грануляте, %
увлажнения (рис. 3.10).
Рис. 3.10. Диаграмма зависимости гранулометрического состава от
способа увлажнения
Из диаграммы (рис. 3.10) видно, что на всех режимах увлажнения
образовалось большое количество мелких гранул с размерами 0,85-1 мм, а
при предварительном увлажнении в количестве 18% к общей массе воды
наблюдалось большое количество крупных гранул с размером более 3,3 мм.
69
4. Разработка методических указаний по проведению лабораторной
работы для студентов бакалавриата
По результатам проведенных теоретических и экспериментальных
исследований были разработаны методические указания по проведению
лабораторной работы по изучению оборудования для гранулирования
сыпучих пищевых материалов.
Лабораторная работа по дисциплине «Технологическое оборудование»
проводится у студентов 4-го курса направления подготовки 15.03.02
«Технологические машины и оборудование», направленности «Машины и
аппараты пищевых производств».
В
ходе
лабораторной
работы
студенты
изучают
конструкцию
дискового гранулятора для гранулирования сыпучих пищевых материалов и
исследуют работу дискового гранулятора при гранулировании различных
сыпучих пищевых материалов (муки пшеничной, ржаной, овсяной с
добавлением растительных порошков и нативного крахмала). Во время
лабораторной работы студенты изучают влияние состава исходной смеси и
способа увлажнения на процесс гранулирования.
В методических указаниях изложены теоретические положения,
которые включают основные принципы гранулирования, обзор физикохимических свойств гранул и способов гранулирования сыпучих материалов,
описание конструкции экспериментальной установки, описания способа
подготовки
образцов,
порядок
проведения
эксперимента,
методы
определения физико-механических свойств гранул: гранулометрического
состава, угла естественного откоса и плотности частиц.
Лабораторная
работа
завершается
построением
графических
зависимостей.
Методические указания представлены в Приложении В на 15
страницах.
70
Выводы по работе
1. Проведено теоретическое исследование современного состояния
техники, технологии и теории гранулирования сыпучих пищевых продуктов.
2. Проведен анализ процесса гранулирования сыпучих пищевых
материалов и описан процесс образования гранул при сухом и влажном
гранулировании.
3. Описан метод полного факторного эксперимента и создан план
эксперимента.
4. Проведено
экспериментальное
исследование
процесса
гранулирования методом полного факторного эксперимента и получены
гранулы пшеничной муки, пшеничной муки с внесением 2,5; 5; 7,5 и 10%
кукурузного крахмала и виноградного порошка (ВП) с 10% сахара белого и
ВП с внесением 5, 10 и 15% экструзионного кукурузного крахмала.
5. Определен гранулометрический состав гранул и построены
вариационные зависимости. Установлено, что количество гранул размером
от 1,6 до 3,3 мм составляет от 25 до 30% к общей массе гранул.
6. Подготовлены методические указания по проведению лабораторной
работы «Изучение конструкции и работы дискового гранулятора» для
студентов бакалавриата.
За время подготовки и защиты выпускной квалификационной работы
обучающимся были достигнуты следующие компетенции:
ОК-1
способность
совершенствовать и
развивать свой
интеллектуальный и
общекультурный
уровень
ОК-2
способность к
обобщению, анализу,
критическому
осмыслению,
В ВКР изложен объем выполненной
работы, текст ВКР характеризует уровень
общего развития, технического развития
студента магистратуры. Работа показывает
интеллектуальный и общекультурный
уровень выпускника, это проявляется в
том, что в работе расставлены акценты на
применимости данных разработок, их
необходимости для народного хозяйства
Распределена полученная информация в
ходе проведенных экспериментов, в ходе
обзора уже существующих решений
исследуемой проблемы, анализа прототипа
71
ОК-3
ОК-4
ОК-5
ОК-6
систематизации,
прогнозированию при
постановке целей в
сфере
профессиональной
деятельности с выбором
путей их достижения
способность критически
оценивать освоенные
теории и концепции,
переосмысливать
накопленный опыт,
изменять при
необходимости профиль
своей
профессиональной
деятельности
способность собирать,
обрабатывать с
использованием
современных
информационных
технологий и
интерпретировать
необходимые данные
для формирования
суждений по
соответствующим
социальным, научным и
этическим проблемам
способность
самостоятельно
применять методы и
средства познания,
обучения и
самоконтроля для
приобретения новых
знаний и умений, в том
числе в новых областях,
непосредственно не
связанных со сферой
деятельности
способность свободно
пользоваться
литературной и деловой
между главами ВКР в соответствии с
требования программы ГИА и состава
ВКР.
В пояснительной записке к ВКР
достаточно критично сформулирован тот
объем работ, который необходимо сделать,
чтобы
исследуемая
проблема была
окончательно решена.
В ВКР представлены результаты
получения и обработки информации с
использованием современных
информационных технологий и
представлены интерпретированные данные
для формирования суждений по
соответствующим социальным, научным и
этическим проблемам
При проведении теоретических, поисковых
и
экспериметальных
исследований
студентом самостоятельно применены
методы и средства познания, обучения и
самоконтроля для приобретения новых
знаний и умений, в том числе в новых
областях, непосредственно не связанных
со сферой деятельности
По
результатам
проведенных
исследований,
подготовлена
пояснительная записка ВКР и доклад на
72
ОК-7
письменной и устной
речью на русском
языке, создавать и
редактировать тексты
профессионального
назначения, владением
иностранным языком
как средством делового
общения
способность проявлять
инициативу, в том числе
в ситуациях риска,
брать на себя всю
полноту
ответственности,
учитывая цену ошибки,
вести обучение и
оказывать помощь
сотрудникам
ОПК- способность выбирать
1
аналитические и
численные методы при
разработке
математических
моделей машин,
приводов,
оборудования, систем,
технологических
процессов в
машиностроении
предварительную
защиту.
Текст
насыщенный специальной терминологией,
показывающей
глубокие
знания
докладчика в исследуемой проблеме, но
при этом докладчик должен прекрасно
разбираться в значении используемых слов
и донести его до слушателей , если это
необходимо, в более доступной для
понимания форме
Рассмотренна теориия конфликтологии,
методы решения конфликтных ситуаций,
возникающих внутри ментального поля
студента магистратуры и проработаны
пути решения проблем и способы ухода от
разрушающих действий при решении
конфликтов любого свойства. Результаты
воплощения
данной
способности
проявляются при выступлении студента
перед аудиторией, во время которого
происходит
регуляция
и
остановка
внутреннего диалога
В ВКР содержится аналитическая оценка
проведенных разработок, с помощью
аналитических и численных методов
разработки
математических
моделей
машин, приводов, оборудования, систем,
технологических процессов
ОПК- способность на научной
2
основе организовывать
свой труд,
самостоятельно
В ВКР применен научный метод для
оценивать результаты
организации экспериментального
свой деятельности,
исследования – полный факторный
владением навыками
эксперимент.
самостоятельной
работы в сфере
проведения научных
исследований
ОПК- способность получать и В ВКР представлен результат получения и
73
3
обрабатывать
информацию из
различных источников с
использованием
современных
информационных
технологий, применять
прикладные
программные средства
при решении
практических вопросов
с использованием
персональных
компьютеров с
применением
программных средств
общего и специального
назначения, в том числе
в режиме удаленного
доступа
ОПК- способность оценивать
4
технико-экономическую
эффективность
проектирования,
исследования,
изготовления машин,
приводов,
оборудования, систем,
технологических
процессов, принимать
участие в создании
системы менеджмента
качества на
предприятии
ОПК- способность выбирать
5
оптимальные решения
при создании
продукции с учетом
требований качества,
надежности и
стоимости, а также
сроков исполнения,
безопасности
жизнедеятельности и
экологической чистоты
обработки информации из различных
источников
с
использованием
современных
информационных
технологий. Результат представлен в
первой и третьей главе.
Результат
применения
прикладных
программных средств при решении
практических вопросов с использованием
персональных
компьютеров
с
применением
программных
средств
общего и специального назначения
представлен в главе 3.
В ВКР существует раздел, в котором
освещены вопросы
оценки техникоэкономической
эффективности
проектирования,
исследования,
изготовления
машин,
приводов,
оборудования, систем, технологических
процессов
Проведен обзор и анализ аналогов
наиболее удачных разработок в области
оборудования,
технологий,
способа
производств, для выбора прототипа,
используя
также
нормативные
и
законодательные
акты
РФ,
государственных и отраслевых стандартов
в
области
защиты
сферы
своей
профессиональной
деятельности
от
техносферных
опасностей.
Сформулировано и предложено в рамках
74
производства
ОПК- способность
6
обеспечивать защиту и
оценку стоимости
объектов
интеллектуальной
деятельности
ОПК- способность
7
организовывать работу
по повышению научнотехнических знаний
работников
ПК-1 способность
разрабатывать
технические задания на
проектирование и
изготовление машин,
приводов, систем и
нестандартного
оборудования и средств
технологического
оснащения, выбирать
оборудование и
технологическую
оснастку
способность
разрабатывать нормы
выработки и
технологические
ПК-2
нормативы на расход
материалов, заготовок,
топлива и
электроэнергии
способность оценивать
технико-экономическую
эффективность
ПК-3
проектирования,
исследования,
изготовления машин,
тематики ВКР мероприятия по разработке
и
внедрению
малоотходных,
энергосберегающих
и
экологически
чистых
технологий;
проводить
исследования
малоотходных,
энергосберегающих
и
экологически
чистых технологий
По результатам подготовки ВКР было
опубликовано 2 научные статьи в журнале,
рецензируемом ВАК
Результат представлен в главе 4, в которой
предложены методические указания по
подготовке и проведению лабораторной
работы студентами бакалавриата
Разработаны и обоснованы этапы
проведенных экспериментальных
исследований, проектирования,
Сформулированы, и подтверждены
расчетами , вводимые изменения в
разрабатываемый оборудование, процесс.
Проведен расчет , также, расчет затрат на
теплоэнергоснабжение разработанного
процесса и проведенных экспериментов.
В ВКР освещены вопросы связанные с
производственными и
непроизводственными потерями,
сопоставленные
с
техническими
характеристиками
оборудования
и
справочными данными до и после
75
ПК-4
ПК-5
ПК-6
приводов,
оборудования, систем,
технологических
процессов, принимать
участие в создании
системы менеджмента
качества на
предприятии
способность
разрабатывать
методические и
нормативные
материалы, а также
предложения и
мероприятия по
осуществлению
разработанных проектов
и программ
способность
осуществлять
экспертизу технической
документации
способность
организовывать работу
коллективов
исполнителей,
принимать
исполнительские
решения в условиях
спектра мнений,
определять порядок
выполнения работ,
организовывать в
подразделении работы
по совершенствованию,
модернизации,
унификации
выпускаемых изделий и
их элементов, по
разработке проектов
стандартов и
сертификатов,
обеспечивать
внедрения рассмотренной технологии.
Рассчитано
количество
расходных
материалов
и
энергоресурсов
при
выполнении
отдельных
операций
технологического процесса.
В рамках данной компетенции создано
методическое указание для проведения
лабораторных работ по результатам
исследований.
Проведен анализ полученного материала
работ проведенных в рамках НИР и
производственных практик для
составления ВКР. На основании
полученного заключения, составлен план
работ по написанию ВКР.
Результат представлен в главе 4, в которой
предложены методические указания по
подготовке и проведению лабораторной
работы студентами бакаларвиата
76
ПК-7
ПК-8
ПК-9
ПК10
адаптацию современных
версий систем
управления качеством к
конкретным условиям
производства на основе
международных
стандартов
способность к работе в
многонациональных
коллективах, в том
числе при работе над
междисциплинарными и
инновационными
проектами, создавать в
коллективах отношения
делового
сотрудничества
способность выбирать
оптимальные решения
при создании
продукции с учетом
требований качества,
надежности и
стоимости, а также
сроков исполнения,
безопасности
жизнедеятельности и
экологической чистоты
производства
способность
подготавливать заявки
на изобретения и
промышленные
образцы,
организовывать работы
по осуществлению
авторского надзора при
изготовлении, монтаже,
наладке, испытаниях и
сдаче в эксплуатацию
выпускаемых изделий и
объектов
способность
разрабатывать планы и
программы организации
Во время подготовки ВКР работал в
коллективе. Проводил эксперименты,
привлекая помощников из списка
студентов группы, в которой обучался.
В ВКР продемонтрирована способность
выбирать оптимальные решения при
создании продукции с учетом требований
качества, надежности и стоимости в главе
2 и 3, в которых описан и осуществлен
полный факторный эксперимент, который
позволяет экономить время и ресурсы.
По результатам подготовки ВКР было
опубликовано 2 научные статьи в журнале,
рецензируемом ВАК
Результат представлен в главе 4, в которой
предложены методические указания по
подготовке и проведению лабораторной
77
ПК11
ПК12
ПК13
ПК14
инновационной
деятельности на
предприятии, оценивать
инновационные и
технологические риски
при внедрении новых
технологий,
организовывать
повышение
квалификации и
тренинг сотрудников
подразделений в
области инновационной
деятельности и
координировать работу
персонала при
комплексном решении
инновационных
проблем
способность
обеспечивать защиту и
оценку стоимости
объектов
интеллектуальной
деятельности
способность
подготавливать отзывы
и заключения на
проекты стандартов,
рационализаторские
предложения и
изобретения
способность проводить
маркетинговые
исследования и
подготавливать бизнеспланы выпуска и
реализации
перспективных и
конкурентоспособных
изделий
способность
обеспечивать
управление
программами освоения
работы студентами бакаларвиата, которые
повысят свои знания в области
оборудования для гранулирования
сыпучих пищевых продуктов
По результатам подготовки ВКР было
опубликовано 2 научные статьи в журнале,
рецензируемом ВАК
Рационализаторскими предложениями в
ВКР были подготовка и проведение
эксперимента по методу полного
факторного эксперимента и по результатам
подготовки ВКР было опубликовано 2
научные статьи в журнале, рецензируемом
ВАК.
Маркетинговые исследования были
проведены на этапе анализа процесса
гранулирования и оборудования для его
осуществления. В ВКР результаты
изложены в главе 1.
Результат представлен в главе 4, в которой
предложены методические указания по
подготовке и проведению лабораторной
работы студентами бакаларвиата, которые
78
ПК15
ПК16
ПК17
ПК18
новой продукции и
технологий, проводить
оценку
производственных и
непроизводственных
затрат на обеспечение
требуемого качества
продукции,
анализировать
результаты
деятельности
производственных
подразделений
способность
разрабатывать
мероприятия по
комплексному
использованию сырья,
по замене дефицитных
материалов и
изысканию способов
утилизации отходов
производства
способность изучать и
анализировать
необходимую
информацию,
технические данные,
показатели и результаты
работы,
систематизировать их и
обобщать
способность
организовывать работу
по повышению научнотехнических знаний
работников
повысят свои знания в области
оборудования для гранулирования
сыпучих пищевых продуктов.
Результат изложен в главе 3, в которой
представлены результаты проведения
экспериментального исследования
процесса гранулирования сыпучих
пищевых продуктов и анализа его
результата.
Подтверждением способности является
подготовка и проведение эксперимента по
методу полного факторного эксперимента,
который позволяет проводить эксперимент
с наименьшими затратами времени и
сырья.
Подтверждением способности является
изложенная в главе 1 ВКР информация о
современном состоянии техники, теории и
технологии гранулирования и ее анализ.
Эти технические данные, показатели и
результаты работы систематизированы
(приведена классификация грануляторов и
видоссвязи между частицами) и обобщены.
Результат представлен в главе 4, в которой
предложены методические указания по
подготовке и проведению лабораторной
работы студентами бакаларвиата, которые
повысят свои знания в области
оборудования для гранулирования
сыпучих пищевых продуктов.
способность
Рационализаторскими предложениями в
организовать развитие
ВКР были подготовка и проведение
творческой инициативы, эксперимента по методу полного
рационализации,
факторного эксперимента и по результатам
изобретательства,
подготовки ВКР было опубликовано 2
внедрение достижений
научные статьи в журнале, рецензируемом
79
ПК19
ПК20
ПК21
отечественной и
зарубежной науки,
техники, использование
передового опыта,
обеспечивающих
эффективную работу
подразделения,
предприятия
способность
организовать и
проводить научные
исследования,
связанные с
разработкой проектов и
программ, проводить
работы по
стандартизации
технических средств,
систем, процессов,
оборудования и
материалов
способность
разрабатывать
физические и
математические модели
исследуемых машин,
приводов, систем,
процессов, явлений и
объектов, относящихся
к профессиональной
сфере, разрабатывать
методики и
организовывать
проведение
экспериментов с
анализом их
результатов
способность
подготавливать научнотехнические отчеты,
обзоры, публикации по
результатам
выполненных
исследований
ВАК.
Организованы и проведены
научные
исследования. Применен метод полного
факторного
эксперимента.
Систематизированы
полученные
результаты связанные с разработкой
технологии.
Данная компетенция хорошо раскрывается
во второй главе ВКР, где изложены
аналитические и физические исследования
рассмотренного процесса, основанные на
математических и физических моделях.
Подготовлен
отчет
по
практике
руководствуясь структурой ВКР, которая
включает в себя: введение, три раздела,
заключение,
список
использованной
литературы и приложения.
Структура выпускной работы:
Введение - (5%);
Обзорный раздел (теория вопроса) - (20%);
80
Основной раздел (анализ практического
материала) - (50%);
Специальный
раздел
(обоснование
выводов и рекомендаций) - (20%);
Заключение - (5%).
ПК22
ПК23
ПК24
ПК-
способность и
готовность
использовать
современные
психологопедагогические теории
и методы в
профессиональной
деятельности
Проведена предварительную защиту ВКР
с целью выбора правильной аргументации
и выигрышного представления проекта
перед учебной аудиторией выпускников.
способность
подготавливать
технические задания на
разработку проектных
решений, разрабатывать
эскизные, технические и
рабочие проекты
технических разработок
с использованием
средств автоматизации
проектирования и
передового опыта
разработки
конкурентоспособных
изделий, участвовать в
рассмотрении
различной технической
документации,
подготавливать
необходимые обзоры,
отзывы, заключения
способность составлять
описания принципов
действия и устройства
проектируемых изделий
и объектов с
обоснованием принятых
технических решений
способность
С
помощью
программы
Компас
выполнены
чертежи
и
эскизы,
принципиальные схемы. В текстовом
редакторе Word составлено техническое
описание разработанного объекта. При
необходимости привести расчеты .
По результатам экспериментов и
теоретических исследований, разработаны
рекомендации для создания нового
оборудования, осуществляющего
технологический процесс.
Разработать условия или рекомендации о
81
25
ПК26
разрабатывать
методические и
нормативные
документы,
предложения и
проводить мероприятия
по реализации
разработанных проектов
и программ
готовность применять
новые современные
методы разработки
технологических
процессов изготовления
изделий и объектов в
сфере
профессиональной
деятельности с
определением
рациональных
технологических
режимов работы
специального
оборудования
осуществлению
технологического
процесса производства продуктов питания
по результатам экспериментов
Разработаны рекомендации для внедрения
результатов
экспериментальных
исследований как в производственный, так
и в учебный процесс, в виде лабораторной
работы.
82
Список литературы
1. Адлер, Ю.П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных
условий // Ю.П. Адлер, Е.В. Маркова, Ю.В. Грановский. – М.: Наука, 1976. –
280 с.
2. Андреева Е. В. Как утилизировать отходы [брикетирование и
гранулирование отходов мукомольного и крупяного производства] /
Андреева Е. В. // Пищевая и перерабатывающая промышленность.
Реферативный журнал. – 2005. – №4. – с. 1210.
3. Афанасьев В. Н.Оценка производительности нагнетающего шнека
при гранулировании органоминеральных удобрений / В. Н. Афанасьев, Н. Г.
Киселев, А. В. Димитриев // Технологии и технические средства
механизированного
производства
продукции
растениеводства
и
животноводства. – 2005. – №77. – с.153-161.
4. Балтабаев У. Н. Совершенствование рабочего процесса прессгранулятора при гранулировании комбикормов / У. Н. Балтабаев, И. Н.
Хусанов, Г. Н. Цой // International Scientific Review. – 2016. – №6(16). – с. 2427.
5. Винницкая Т. В. Гранулирование сухого активного ила на валковых
и зубчатых прессах: автореферат дисс. … канд. техн. наук. – 1991. 24 с.
6. Гафнер, Л. А. Основы технологии приема, хранения и переработки
зерна / Л. А. Гафнер, В. А. Бутковский, А. М. Родюкова. – М.: Колос, 1975. –
400 с.
7. Гафнер, Л. А. Основы технологии приема, хранения и переработки
зерна / Л. А. Гафнер, В. А. Бутковский, А. М. Родюкова. – М.: Колос, 1975. –
400 с.
8. Горшков
В.
Гранулирование
подсолнечного
жмыха
перед
экстракцией / В. Горшков // Комбикорма. – 2014. – №5. – с. 34-36.
9. Гришаев И. Г. Гранулирование известково-аммиачной селитры в
барабанном грануляторе-сушилке / И. Г. Гришаев, В. Г. Казак, В. В. Долгов //
Химическая промышленность сегодня. – 2005. – №11. – с. 35-38.
83
10.
Загидуллин
С.
Х.
Гранулирование
пылевидных
фракций
флотационного хлористого калия методом окатывания / С. Х. Загидуллин, Е.
Н. Ненашев, Ф. М. Кузнецов, В. Л. Долганов // Научно-технический вестник
Поволжья. – 2012. – №4. – с. 96-102.
11.
Зыкин А. А. Переработка отходов деревообрабатывающей
промышленности и сельского хозяйства путем измельчения с последующим
гранулированием / А. А. Зыкин // «Общество, наука, инновации (НПК2016)», Сборник статей 2-е издание, исправленное и дополненное. – 2016. – с.
813-818.
12.
Ильина Т. Н. Гранулирование в технологиях утилизации
промышленных отходов / Т. Н. Ильина, Е. И. Гибелев // Химическое и
нефтегазовое машиностроение. – 2009. – №8 – с. 34-36.
13.
Классен П. В. Гранулирование / П. В. Классен, И. Г. Гришаев, И.
П. Шомин. – М.: Химия, 1991. – 240 с.
14.
Классен П. В. Основы техники гранулирования / П. В. Классен,
И. Г. Гришаев. – М.: Химия, 1982. – 272 с.
15.
Классен, П.В. Гранулирование //П.В. Классен, И.Г. Гришаев, И.П.
Шомин – М.: Химия, 1991. – 240 с.
16.
Классен, П.В., Гришаев, И.Г. Основы техники гранулирования //
П.В. Классен, И.Г. Гришаев. – М.: Химия, 1982. – 272 с.
17.
Коновалов, С. Б. Прогнозирование качественных показателей при
гранулировании термолабильных продуктов в псевдоожиженном слое / С. Б.
Коновалов // Вестник тамбовского университета. Серия: «Естественные и
технические науки». – 1997. – Т.: 2, №3. – с. 340-342.
18.
Мачихин, Ю. А. Таблетирование пищевых материалов / Ю. А.
Мачихин, Г. Г. Зурабишвилли. – М.: Пищевая промышленность, 1978. – 135
с.
19.
Помытко,
В.
Н.
Использование
связующих
веществ
(лигносульфоната и бентонита) при гранулировании полнорационных
84
кормосмесей для кроликов / В. Н. Помытко, В. С. Александрова // Проблемы
пушного звероводства и кролиководства. – 1976. – с. 99-103.
20.
Производство и использование гранулированных комбикормов /
В. И. Левченко, Г. Д. Гуменов, Е. А. Дмитрук и др.; под ред. В. И. Левченко.
– К.: Урожай, 1982. – 120 с.
21.
Процессы гранулирования в промышленности / Н. Г. Вилесов, В.
Я. Скрипко, В. Л. Ломанов, И. М. Танченко. – Киев: Техника, 1976. – 192 с.
22.
Процессы гранулирования в промышленности / Н. Г. Вилесов, В.
Я. Скрипко, В. Л. Ломанов, И. М. Танченко. – Киев: Техника, 1976. – 192 с.
23.
Процессы гранулирования в промышленности // Н.Г. Вилесов,
В.Я. Скрипко, В.Л. Ломазов, И.М. Танченко – Киев: Изд-во «Техника». –
1976. – 192 с.
24.
Серов, А. Н. Разработка технологии таблетированных продуктов
на основе лактозы и ее производных : автореферат дис. ... кандидата
технических наук : 05.18.04 / Сев.-Кавказ. гос. техн. ун-т. – Ставрополь, 2004.
– 29 с.
25.
Федотова А. В. Гранулирование как способ улучшения качества
молокосвертывающих ферментов / А. В. Федотова, А. Н. Штыков, Н. Д.
Попова, У. А. Назаренко // Сыроделие и маслоделие. – 2005. – №1. – с. 11-12.
26.
Шавель И. И. Производные целлюлозы как вспомогательные
вещества при гранулировании сыпучих кормовых продуктов / И. И. Шавель,
А. Н. Потехина, В. С. Кривич // Известия высших учебных заведений.
Пищевая технология. – 1990. – №5(198). – с.36-38.
27.
Шаповаленко О. И. Гранулирование кормовых смесей на основе
пшеничных отрубей и жмыха подсолнечного / О.И. Шаповаленко, О. А.
Евтушенко, В. А. Почеп // Вестник Алматинского технологического
университета. – 2013. – №5. – с. 57-60.
28.
Ahmed, M., Mandic, I., Lou, W., Goodman, L., Jacobs, I., & L’Abbé,
M. R. (2017). Validation of a tablet application for assessing dietary intakes
85
compared with the measured food intake/food waste method in military personnel
consuming field rations. Nutrients, 9(3) doi:10.3390/nu9030200
29.
Zheng, Y., Zhu, F., Lin, D., Wu, J., Zhou, Y., & Mark, B. (2017).
Optimization of formulation and processing of moringa oleifera and spirulina
complex tablets. Saudi Journal of Biological Sciences, 24(1), 122-126.
doi:10.1016/j.sjbs.2016.08.017
86
Приложение А
В приложении А представлены фотографии гранулята виноградного
порошка (рис. А.1).
а)
б)
в)
г)
Рис. А.1. Фотография гранулята виноградного порошка: а) 90% виноградного
порошка, 10% экструзионного крахмала, 100% влаги в гранулятор, размер
гранул более 4 мм; б) 90% виноградного порошка, 10% экструзионного
крахмала, 100% влаги в гранулятор, размер гранул 2-3 мм; в) 90%
виноградного порошка, 10% экструзионного крахмала, 100% влаги в
гранулятор, размер гранул 1-1,6 мм; г) 90% виноградного порошка, 10%
экструзионного крахмала, 100% влаги в гранулятор, размер гранул менее 0,85
мм.
87
Приложение Б
В приложении Б представлены фотографии гранулята пшеничной муки
(рис. Б.1).
а)
б)
в)
г)
Рис. Б.1. Фотографии гранул пшеничной муки, полученных при ПФЭ:
а) 100% пшеничной муки, 100% влаги в гранулятор, размер гранул от 1,6 до
2,0 мм; б) 100% пшеничной муки, 100% влаги в гранулятор, размер гранул от
0,85 до 1,0 мм; в) 90% пшеничной муки, 10% пшеничного крахмала, 100%
влаги в гранулятор, размер гранул от 1,6 до 2,0 мм; г) 90% пшеничной муки,
10% пшеничного крахмала, 100% влаги в гранулятор, размер гранул от 1,0 до
1,6 мм
88
Приложение В
Методические указания к лабораторной работе
Изучение конструкции и работы дискового гранулятора
Цель работы: исследование процесса гранулирования сыпучих
пищевых продуктов
Задачи работы: 1. Изучение теории гранулирования.
2. Изучение конструкции дискового гранулятора.
3. Получение гранул сыпучего пищевого продукта.
4. Исследование физико-механических свойств гранул.
1. Теоретические положения
1.1. Общие принципы гранулирования
Гранулирование сыпучих материалов используется в различных отраслях
промышленности для получения топливных гранул, комбикормов и
быстрорастворимых пищевых продуктов.
Гранулирование – это совокупность физических и физико-химических
процессов, обеспечивающих формирование частиц определенного спектра
размеров, формы, необходимой структуры и физических свойств. Этот процесс –
один из наиболее многообразных и широко применяемых в химической, пищевой,
фармацевтической, металлургической и других отраслей промышленности.
Гранулирование сыпучих материалов – это процесс превращения сухой
сыпучей или влажной смеси в шарообразные гранулы. При этом гранулы должны
быть одинаковые по плотности, размеру и прочности
Преимущества при использовании гранулированных продуктов по
сравнению с сыпучими заключаются в следующем:
•
повышенная транспортабельность;
•
хорошая дозируемость;
•
отсутствие распыления в атмосфере;
•
не выветривается;
•
не слеживается.
Перечисленные преимущества обеспечивают переход от периодических
процессов к непрерывным.
При гранулировании происходит структурирование продукта, при этом
происходит процесс формирования твёрдых частиц определённых размеров и
формы с заданными физико-механическими свойствами.
Известны следующие способы гранулирования:
•
путем разбрызгивания жидкой фазы с последующей кристаллизацией
капель за счёт обезвоживания или охлаждения;
•
прессованием брикетов (плиток) из твердой фазы или дроблением до
89
гранул требуемого размера;
•
путем агломерации порошков из смеси жидкой и твердой фаз с
последующим их окатыванием и упрочнением, при удалении жидкой фазы, связей
между частицами;
•
путем конденсации (десублимации) с образованием твердых гранул из
газообразной фазы;
•
при проведении химической реакции из смеси жидкой и газообразной
фаз.
В процессе гранулирования происходит постепенное, либо единовременное
образование шарообразных частиц необходимого размера. Различают три типа
процесса гранулирования:
•
без изменения размеров составляющих;
•
с изменением размеров, составляющих во времени;
•
с образованием новых и ростом уже существующих составляющих.
Гранулирование проводят с целью улучшения качества как промежуточных,
так и готовых продуктов. Показатели качества зависят от специфики продукта и его
назначения. В общем случае гранулирование позволяет существенно уменьшить
склонность продукта к слеживанию, а следовательно, упростить хранение,
транспортирование и дозирование; повысить сыпучесть при одновременном
устранении пылимости и тем самым улучшить условия труда в сферах
производства, обращения и использования. Наряду с этим гранулирование
открывает возможность гомогенизировать смесь в отношении физико-химических
свойств; увеличить поверхность тепломассобмена; регулировать структуру гранул и
связанные с ней свойства. Все это способствует интенсификации процессов, в
которых
используются
гранулированные
продукты,
повышению
производительности труда и культуры производства.
Наиболее важным вопросом при исследовании процесса гранулирования
является оптимизация режимов и технологических параметров, исследование
структурно-механических свойств гранулированных продуктов и разработка
математической модели процесса гранулирования.
1.2. Физико-механические свойства гранул
Большое значение для выбора технологического процесса и конструкций
машин имеют физико-механические свойства перерабатываемого сырья. Эти
свойства не бывают строго постоянными и имеют большой диапазон изменчивости
в зависимости от многих причин. Подавляющее количество сырья и продуктов его
переработки являются сыпучими продуктами.
Сыпучие продукты в зависимости от диаметра d частиц можно
классифицировать по группам:
 пылевидные (d< 0,05 мм);
 порошкообразные (0,5 мм < d < 2мм);
 крупнозернистые (2мм < d <10мм);
90
 кусковые (d > 10мм).
Изучение физико-механических свойств зерновых культур показало, что
наибольшее влияние на эти свойства оказывает форма продукта, поверхность,
аэродинамические свойства, влажность, и т.д.
Физико-механическими свойствами гранулированного продукта являются:
 угол естественного откоса;
 насыпная плотность;
 плотность частиц;
 гранулометрический состав;
 порозность.
Аэродинамическими свойствами гранулированных продуктов являются:
 парусность;
 скорость витания,
 критическая скорость или скорость псевдоожижения;
 действительная скорость;
 рабочая скорость.
При производстве гранулированных продуктов необходимо стремиться к
тому, чтобы форма гранул была максимально приближена к шарообразной (рис.
В.1), а поверхность была ровной без впадин и посторонних включений.
Размер, или крупность, гранул оказывает влияние на физико-механические и
аэродинамические свойства. Размер гранул при этом колеблется в диапазоне от 1 до
5 мм.
Рис. В.1 Предпочтительная форма гранул
Для определения средневзвешенного размера частиц до и после
измельчения среднюю пробу продукта просеивают в рассевке – анализаторе
через набор сит с отверстиями разных размеров частиц по следующей
формуле:
91
k
 d1  x1
dср =
1
k
,
(В.1)
 x1
1
где d1 – средний размер частиц i-й сходовой фракции продукта. Этот
размер определяется как полусумма размеров отверстий сита, с которого
получен сход продукта, и ближайшего сита, через которое прошёл этот
продукт; х1 – масса i-й сходовой фракции продукта.
Для характеристикой гранулометрического состава продукта
используют кумулятивную (накопительную) кривую гранулометрического
состава продукта (рис. В.2). При этом по оси ординат откладывается
суммарное количество частиц меньше определенного размера, а по оси
абсцисс — их размеры в логарифмической шкале.
Рис. В.2 Кумулятивная кривая гранулометрического состава
Плотность частиц (гранул) можно рассматривать как комплексную
характеристику, суммарно отражающую такие показатели физико-химических
свойств гранул, как структура, химический состав, масса 1000 гранул и т. п.
Величина обратная плотности есть удельный объем.
Насыпная плотность сыпучего пищевого материала – это его плотность в
неуплотненном состоянии. Она учитывает не только объем самих частиц
материала, но и пространство между ними, таким образом насыпная плотность
меньше обычной. При уплотнении сыпучего материала, его плотность становится
больше и перестает быть насыпной.
92
При истечении реального сыпучего продукта на ровную горизонтальную
поверхность он будет накапливаться в виде конуса (рис. В.3). Угол между
горизонталью и образующей конуса называют углом естественного откоса. Чем
меньше связь между частицами, тем меньше угол естественного откоса, тем легче
истечение продукта (рис. В.3). По величине угла естественного откоса продукты
разделяются:
 Очень сыпучие продукты (угол откоса – 25-30о)
 Сыпучие продукты (угол откоса – 30-38о)
 Достаточно сыпучие продукты (угол откоса – 38-45о)
 Связанные сыпучие продукты (угол откоса – 45-55о)
 Трудносыпучие продукты (Более 55о)
а
Rг
R
G
τ
б


N
G
α
Рис. В.3 Схемы упаковки сферических частиц: а – ромбовидная; б –
свободная
В сыпучих продуктах различают два вида трения: внешнее трение
частиц о стенки емкости, и внутреннее трение частиц друг о друга.
Продукты, обладающие плохой сыпучестью характеризуются более высоким
коэффициентом внутреннего трения и более сильным сцеплением, чем
продукты с хорошей сыпучестью.
Определение угла естественного откоса проводится на приборе Зенкова
(рис. В.4).
Dп
hп
α
Dп
Рис. В.4 Схема определения угла откоса на приборе Зенкова
93
Равномерным слоем высыпают гранулы на круглый отбортованный
деревянный поддон диаметром Dп. Плавно поднимают поддон до тех пор,
пока гранулы не начинают скользить по поддону. В момент начала
скольжения подъем останавливают и определяют высоту hп, на которую
поднялся поддон. После чего определяют угол трения скольжения частиц по
материалу поддона:
sin  
hп
Dп
(В.2)
Готовый гранулированный продукт обладает, помимо физикомеханических свойств, аэродинамическими свойствами. Аэродинамические
свойства определяют поведение продукта в потоке воздуха (рис. В.5).
Рис. В.5 Схема действия сил на частицу в воздушном потоке
Существуют три возможных случая взаимодействия сил в восходящем
воздушном потоке: Rв < G – частица движется вниз; Rв > G – частица
движется вверх; Rв = G – частица находится в равновесии, то есть витает.
Для вертикального восходящего потока сила аэродинамического
сопротивления:
Rв    S М
 с  vв 2
2
,Н
(В.3)
94
где с – абсолютная скорость частицы, м/с; vв – скорость воздушного
потока, м/с.
В общем виде движение единичной частицы с массой m выражается
дифференциальным уравнением:
m
dc
 G  Rв
dt
(В.4)
При с = 0, Rв = G, а v = vв = vвт
  SM
2
в vвт
2
 mg
(В.5)
где vвт – скорость витания, м/с.
Из данной формулы получаем значение скорости витания частицы:
vвт 
2mg
в S М
(В.6)
Кроме скорости витания в качестве показателя аэродинамических
свойств частиц дисперсного применяют коэффициент парусности Kп:
КП 
 SM  1
,м
2m
(В.7)
Коэффициент парусности и скорости витания связаны между собой
соотношением:
vвт 
g
g
или K П  2
vвт
Kп
(В.8)
На скорость витания существенное влияние оказывает форма частицы.
Скорость витания частицы произвольной формы сравнивается со скоростью
витания частицы шарообразной формы. Обычно, скорость витания частицы с
формой отличной от шарообразной значительно меньше скорости витания
шарообразной частицы.
При расчете скорости витания форма частицы учитывается
коэффициентом формы Кф. С учетом коэффициента формы рассчитывают
95
действительную скорость частицы:
vвт  vвт.ш.
1
,м/с
Кф
(В.9)
где vвт.ш. – скорость витания эквивалентного шара, м/с,
Кф – коэффициент формы частицы, для шара равен 1, для частиц
округлой формы – 2,5; для частиц продолговатой формы – 3; для частиц
пластинчатой формы равен –5.
1.3. Способы гранулирования сыпучих материалов
Существует три принципиально отличных технологических схем
гранулирования сыпучих материалов. Схемы отличаются способом подачи
воды на гранулирование.
Первая технологическая предусматривает увлажнение сыпучего
материала до заданного значения, после чего увлажненный материал
подается в гранулятор. В процессе гранулирования, в случае необходимости,
подается дополнительное количество воды.
Достоинством
этой
схемы
является
большая
скорость
гранулообразования. Недостатком – низкая стабильность процесса из-за
частых колебаний влажности смеси.
Вторая технологическая схема предусматривает подачу сыпучего
материала в гранулятор в сухом виде и увлажнение смеси в процессе
гранулирования. Преимуществами этого способа являются оперативность и
точность регулирования параметров процесса гранулирования.
При работе по второй схеме есть три недостатка:
 скорость
формирования
гранул
замедлена,
поскольку
необходимо затрать время на смачивание сыпучего материала.
 пылеобразование в процессе гранулирования;
 ухудшение однородности гранулированного продукта.
Наиболее перспективна третья схема гранулирования. Согласно ей
перед подачей в гранулятор сыпучий материал увлажняется до влажности 7075% от оптимальной, а оставшееся количество влаги подается в гранулятор.
При работе по третьей схеме процесс гранулообразования
относительно легко регулируется. При этом скорость образования гранул не
ограничивается явлениями смачивания сыпучего продукта.
Выделяются три основные стадии гранулообразования:
 образование зародыша;
 рост гранул;
 уплотнение гранул.
96
На первом этапе происходит образование зародышей. На этапе
образование зародыша происходит его уплотнение. При этом чем плотнее и
прочнее зародыш, тем быстрее и стабильнее протекает процесс образования
гранул.
Скорость образования зародыша может замедлиться из-за того, что
происходит отталкивание частиц воды сухими частицами сыпучего продукта
в самом начале процесса образования гранул. С другой стороны, при
избыточном количестве влаги рост гранул также замедляется.
Таким образом, способ увлажнения исходного сырья существенно
влияет на механизм гранулирования на первоначальных стадиях процесса.
2. Описание экспериментальной установки
Наиболее известными и перспективными грануляторами для
гранулирования пищевых сыпучих материалов на настоящий момент можно
считать дисковые (тарельчатые) и барабанные грануляторы.
Преимущества дисковых грануляторов заключается в следующем:
 занимают меньше производственных площадей,
 требуют меньше обслуживающего персонала,
 обладают большей удельной производительностью,
 менее металлоемки по сравнению с барабанными,
 гранулят, полученный на тарельчатом грануляторе, однороден по
размеру и не требует последующей классификации.
Недостатком тарельчатых грануляторов является зависимость качества
гранулята от колебаний влажности исходного материала.
Эксперимент выполняется на дисковом грануляторе с высокими
бортами. Дисковый гранулятор является собственной разработкой кафедры
«МАПП» (рис. В.6).
Кинематический анализ позволяет определить в соответствии с
фактической производительностью объекта проектирования основные
циклы, необходимые режимы, частоты вращения и скорости движения
основных рабочих органов и элементов оборудования.
В общем случае кинематическую цепь машины можно представить, как
содержащую следующие части: приводной механизм, передаточные
механизмы, исполнительные механизмы и регулирующее устройство.
Привод включает асинхронный электродвигатель 1 марки АИР56 В4,
мощностью N=0,18 кВт и частотой вращения валаn=1350 об/мин, аппаратуру
управления и передаточный механизм.
Передаточный механизм 2 передает энергию от электродвигателя через
передачи к рабочим органам машины. В данной конструкции
электродвигатель соединен с диском гранулятора посредством разборной
муфты.
97
Рабочим органом дискового гранулятора является диск 3, который
установлен на шарнирной подвижной опоре.
Рис.В.6 Дисковый гранулятор
3. Подготовка образцов
Для осуществления процесса гранулирования необходимо подготовить
образцы. В целях изучения условий протекания процесса для гранулирования
используем пшеничную муку и воду для увлажнения во время эксперимента.
Кроме пшеничной муки возможно использование практически любых
крахмалосодержащих сыпучих пищевых продуктов: ржаной, овсяной,
кукурузной муки, крахмала, а также растительных порошков и смесей муки с
ними.
Для проведения опыта потребует: мука пшеничная, пульверизатор,
98
сито 3х фракций, вода.
Перед началом эксперимента готовят навеску 250 грамм муки,
взвешивают пустую емкость пульверизатора, после чего его наполняют
водой и снова взвешивают. Данные записывают в таблицу В.1.
Таблица В.1
Исходные данные
Масса навески муки, г
Масса пустой емкости
Масса емкости пульвепульверизатора, г
ризатора с водой, г
4. Порядок проведения эксперимента
Включают электродвигатель гранулятора 1 (рис. В.6), который
приводит во вращение диск с бортами 5, при этом частота вращения задается
с помощью частотного преобразователя. После достижения заданной частоты
вращения устанавливают угол наклона диска 5 к горизонту, который должен
быть равен углу естественного откоса исходной пылевидной смеси.
Непрерывно подают порошок через патрубок 4 и распыляют воду через
форсунку 6. За счет увлажнения исходной сухой смеси происходит слипание
и образование более крупных частиц.
За счет контакта с вращающийся поверхностью диска образовавшиеся
частицы приобретают круглую форму. На размер готового гранулята влияет
продолжительность процесса: чем больше времени частица соприкасается с
внутренней поверхностью диска, тем больший размер она приобретает.
Увеличить
продолжительность
соприкосновения
частицы
с
поверхностью диска можно путем уменьшения скорости вращения диска.
Во время эксперимента замеряют количество воды, пошедшей на
увлажнение, и количество времени между каждым увлажнением. Результаты
записывают в таблицу В.2.
Таблица В.2
Время, мин:сек
Экспериментальные данные
Масса емкости с водой,
Количество воды на
г
увлажнение, г
Эксперимент длится 30-40 минут. Увлажнение проводят через каждые
45-90 секунд, трижды надавливая на рукоятку спуска пульверизатора. При
этом наблюдают за поведением навески в грануляторе. После увлажнения в
объеме навески наблюдается увеличение количество гранул.
После окончания эксперимента, гранул ровным слоем высыпают на
99
поддон и сушат при температуре не выше 50оС в течение 30-40 минут.
5. Определение физико-механических свойств гранул
5.1. Определение гранулометрического состава
На практике применяют два способа измерения линейных размеров
частиц сыпучего материала. К первому способу относят непосредственное
измерение линейных размеров частицы штангенциркулем, микрометром,
индикатором и другими измерителями, включая ЭВМ. Второй способ – это
ситовой анализ, который предполагает рассеивание навески сыпучего
материала на штампованных, плетеных или тканых ситах с отверстиями
различных размеров и форм.
При определении линейных размеров частиц первым способом из
навески сыпучего материала на разборной доске отбирают подряд, без
выбора 100–300 частиц и микрометром или штангенциркулем измеряют
длину, ширину и высоту частиц с точностью 0,1 мм. Результаты измерений
сводят в таблицу, записывая в соответствующие графы (табл. 3).
В итоге по всем трем показателям (длина, ширина, высота) определяют средние арифметические размеров, а также пределы колебания
каждого параметра.
Кроме этого для каждого параметра строят вариационные ряды и их
графики. С этой целью размеры классифицируют установлением
промежутка между классами, т.е. разницы линейных размеров между
группами частиц. Как правило, промежутки значений размеров между
классами принимают от 0,2 до 0,5 мм.
Частицы группируют в зависимости от размера, например, таким
образом: в 1ю группу попадут частицы с размером от 0 до 0,2 мм
(включительно), во 2ю группу – с размером от 0,2 до 0,4 мм (включительно),
в 3ю группу – с размером от 0,4 до 0,6 мм (включительно), в 4ю группу – с
размером от 0,6 до 0,8 мм (включительно) и т. д.
Таблица В.3
Результаты измерения параметров частиц сыпучих материалов
Параметры частиц,
Средний размер
-3
10 м
частицы d,10-3м
НаимеНомер
нование частицы Длина,
Ширина, b Высота, h
1
1
2
3
4
5
6
1
2
3
Средний размер
частицы,
100
10-3 м
Пределы колебания
размеров, 10-3 м
После того как частицы сгруппировали по размерам, считают
количество частиц в каждой группе.
Составляют вариационный ряд частиц (табл. В.4).
Таблица В.4
Вариационный ряд частиц
Параметр
Наименование сыпучего материала
Границы классов, 10-3 м
Число частиц,
шт.
Частота
классов, %
Частота, %
Частота классов вариационного ряда представляет собой количество
частиц в каждом классе, выраженное в процентах к общему количеству
частиц.
Полученные вариационные ряды изображают графически. Для этого
по вертикальной оси наносят частоту каждого класса, а по горизонтальной –
средний размер частиц в каждом классе, равный полусумме размеров границ
класса. Нанесенные точки соединяют плавной кривой (рис. В.7). На графике
также указывают средний размер частиц.
Измерение линейных размеров микрометром или штангенциркулем
представляет собой сложный и весьма трудоемкий процесс.
Более простым способом определения линейных размеров частиц
сыпучих материалов, длина, ширина и высота которых имеют примерно
равные значения, является их классификация путем просеивания на ситах.
Длина, 10–3 м
Рис. В.7. График варьирования длины частиц
101
При ситовом анализе сыпучих материалов соответствующую навеску
просеивают через набор сит, размеры отверстий которых равны границам
классов вариационного ряда. Просеивание производят вручную или на
лабораторных рассевах-анализаторах. При этом вес частиц, остающихся на
каждом сите, записывают в соответствующую графу табл. В.2, так как вес
частиц, остающихся на каждом сите, выраженный в процентах к общему весу
навески, будет являться частотой классов вариационного ряда.
Средний размер частиц исследуемого материала определяют по
формуле
n
d
 mi di
i 1
n
(B.10)
 mi
i 1
где d – средний размер частиц материала, м;
mi – количество материала в каждом классе, %;
di – средний размер частиц в каждом классе, определяемый полусуммой
размеров границ класса, м.
Дальнейшую обработку полученных результатов проводят аналогично
обработке, описанной при измерениях линейных размеров частиц сыпучих
материалов по первому способу (таблицы В.3 и В.4).
5.2. Определение угла естественного откоса и плотности частиц
Необходимо установить воронку на стол. Засыпать её на 1/3
исследуемым материалом. Осторожно поднять воронку, стараясь не
повредить образующийся конус (рис. В.8). Измерить высоту h конуса и
диаметр его основания D. По отношению 2h/D определить угол откоса tg
φ=2h/D.
Насыпную плотность определяют как отношение массы продукта
заключенной в конусе диаметра D высотой h.
нас 
m
V
Массу определяют взвешиванием гранул, образующих конус.
Объем конуса вычисляют по формуле V=1/3•R2•h.
Занести данные в табл. В.5 и построить график зависимости угла
откоса от среднего диаметра частиц. Обратить внимание на влияние формы
и шероховатости частиц.
Угол откоса
Плотность
Насыпная
частиц
Средняя масса
Характеристика
поверхности
Средний размер
размеры
Характерные
Форма
частицы по табл. 4
Номер класса
102
h
φ
D
h
Рис. В.8. Схема конуса с сыпучим продуктом
Таблица В.5
Результаты измерений
103
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа