книги из ГПНТБ / Подготовительные процессы переработки масличных семян

Из рис. 23 видно, что с ростом опушенное™ и с уменьшением влажности скорость витания хлопковых семян и шелухи умень­ шается.

Данные табл. 18 отражают значительное влияние величины частиц на соотношение скоростей витания оголенной шелухи и ядра хлопковых семян [161]. Так, для частиц размером до 2 мм скорости витания шелухи и ядра практически совпадают, а при величине частиц 5—6 мм скорость витания частиц ядра в 2,5 ра­ за выше.

Отмеченная тенденция подтверждается в работе [239], в ко­ торой исследовалось соотношение скоростей витания шелухи и ядра при различной опушенности семян. В табл. 19 представле­ ны данные по скоростям витания рушанки хлопковых семян раз­ личной опушенности.

Приведенные выше зависимости и значения аэродинамиче­ ских характеристик семян, морфологических частей и рушанки дают представление о возможных пределах колебаний этих зна­ чений и могут быть использованы при разработке и уточнении технологических режимов работы оборудования подготовитель­ ных цехов.

Г Л А В А И

СВОЙСТВА, ВАЖНЫЕ ДЛЯ ДИФФУЗИОННО-ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ

ГИГРОСКОПИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА. СОРБЦИОННЫЙ ГИСТЕРЕЗИС

Масличные семена являются капиллярно-пористыми коллоидны­ ми телами, поэтому для них характернь^все формы связи влаги, которые по классификации П. А. Ребиндера [214] подразделя­ ются на три большие группы: химическую, физико-химическую и физико-механическую. Количественно переход связи из одной формы в другую характеризуется величиной энергии связи, т. е. работой изотермического обратимого отрыва одного моля воды без изменения состава вещества:

42

\

Например, при наличии в материале воды с физико-механи­ ческой связью PB= PS и ф=1. По уравнению (II—Л) энергия связи в этом случае равна нулю. Следовательно, при известных гигроскопических свойствах масличных семян можно определить энергетический уровень связи влаги. В свою очередь гигроскопи­ ческие свойства зависят в основном от химического состава се­ мян и условий влагообмена с окружающей средой.

Влагообмеи масличных семян, как и других капиллярно-по­ ристых коллоидных тел, с окружающей средой может происхо­ дить в двух направлениях:

от семян к воздуху, когда парциальное давление водяного пара у поверхности семян р 0 больше, чем в воздухе (рв) (испаре­ ние, десорбция, сушка);

от воздуха к семенам, когда р в > Р с и происходит поглоще­ ние водяных паров семенами (конденсация, сорбция, увлажне­ ние) .

При равенстве р в= р с между семенами и воздухом по исте­ чении определенного времени наступает состояние динамическо­ го равновесия, характеризующееся определенной, равновесной, влажностью семян Wv.

Влажность семян, соответствующая их максимальной сорб­ ционной емкости при относительной влажности воздуха, равной 100%, называют гигроскопической. Она может быть определена из графика № р = / ( ф ) по точке пересечения изотермы сор'бции с линией ф= 100%.

Для измерения равновесной влажности масличных семян пользуются двумя методами: тензиметрическим (статическим) и динамическим.

Наибольшее распространение получил статический метод, с помощью которого определена равновесная влажность различ­ ных видов и сортов масличных семян [33, 36, 50 и др.]

Обработка экспериментальных данных по равновесной влаж­ ности масличных семян обычно производится графически или математически в виде зависимости

W p=/(«P). (II—2)

Так, для определения равновесной влажности семян подсол­ нечника с масличностью около 50% в интервалах относительной влажности воздуха 9—82% и его температуры 14—30° С получе­ на зависимость [74]:

Для хлопковых семян различных сортов и опушенности и их морфологических частей получены зависимости [36]:

43

Для семян подсолнечника с масличностью 35—51% Е. А. Шаройко предложена графически обобщенная зависимость (рис. 24).

Такое обобщение в.цитируемой работе обосновывается тем, что для групп семян с масличностью 35—36 и 47—51% разница между средними рав­ новесными влажностя­ ми не превышает 1,5%.

При этом наибольшая разница абсолютных значений равновесной влажности достигает примерно 2,0%. Не вы­ зывает сомнения тот факт, что даже при технических расчетах такие отклонения не могут быть допущены.

В работе [29] рав­ новесная влажность семян подсолнечника определялась динамическим методом [5]

при повышенных температурах (40—100° С) и в узком диапазоне изменения относительной влажности воздуха (0,4—32,0%). Авто­ ры работы [29] приходят к вы­ воду, что с увеличением темпе­ ратуры сушильного агента от­ носительная влажность наибо­ лее значительно влияет на рав­ новесную влажность подсол­ нечника. По условиям опыта равновесная влажность имела место в процессе обезвожива­ ния семян. К сожалению, по­ лученные значения .равновес­ ной влажности ниже уровня наименьших значений критиче­ ской влажности семян подсол­ нечника, поэтому практическая ценность полученных данных ограничена.

В работе [15] впервые про­ изведено качественное обобще­ ние и анализ гигроскопических

свойств основных видов, масличных семян. В частности, сделан вывод, что равновесная влажность масличных семян'тем выше, чем ниже их масличность при прочих одираковых условиях. В порядке возрастания способности поглощать влагу из воздуха

44

маеличные'семена расположены в следующей последовательно­ сти: клещевина, подсолнечник, горчица сизая, лен, рыжик, хлоп­ чатник, соя.

На рис. 25 представлены изотермы сорбции семи видов мас­ личных семяи.

Многосортность отдельных культур масличных семян (осо­ бенно подсолнечника), возникающая в процессе селекции и рай­ онирования, вызывает необходимость изыскания более совер­ шенных методов количественных обобщений гигроскопических свойств, в первую очередь в пределах одного вида масличных семян.

Исследованиями в области сорбции и десорбции влаги кол­ лоидными капиллярно-пористыми телами установлено, что их

ным гистерезисом.

В настоящее время', несмотря на то что существует ряд гипо­ тез, общепринятой теории сорбционного гистерезиса нет, а ис­ следования в этой области применительно к масличным семенам весьма ограничены.

Практическая ценность гистерезиса, в частности, заключает­ ся в том, что он позволяет определять для семян, подвергающих­ ся сушке, оптимальную конечную влажность, при которой они будут храниться без увеличения влажности, даже при некото­ ром изменении относительной влажности воздуха.

Изотермы сорбции и десорбции в работе [95] получены тензиметрическим методом при средней температуре окружающей среды 20° С.

Для исследованных сортов семян подсолнечника и их мор­ фологических частей наибольшее расхождение между изотерма­ ми сорбции и десорбции наблюдается в интервале относитель­ ных влажностей 20—60%, которое достигает для. • семян 1,0— 1,5%, для ядра — около 1% и для лузги— 1,5—4,0% (большие значения характерны для низкомасличных семян подсолнеч­ ника).

На рис. 26 и 27 представлены изотермы сорбции и десорбции низко- и высокомасличных семян подсолнечника и их морфоло­ гических частей.

Сравнение изотерм сорбции и десорбции семян подсолнеч­ ника и их морфологических частей позволило выявить сле­

масличных во всем исследованном диапазоне <р — от 15 до 90%; равновесная влажность сорбции лузги высокомасличных се­

мян равна или выше, чем у низкомасличных;

45

равновесная влажность десорбции лузги высокомасличных семян выше, чем у низкомасличных.

Количественное обобщение данных по равновесной влажно­ сти семян подсолнечника произведено с использованием выра-

I — семена, II — лузга. III — ядро.

жения, связывающего основные технологические характеристики семян подсолнечника независимо от их масличности:

Мс I — 0,009^7 ’

где уИс"и Мя— масличность семян и ядра, % на абсолютно сухое вещество;

Л— лузжистость воздушносухих семян подсолнечника, %.

Врезультате анализа опытных данных с учетом уравнения (II—6) установлено, что для процессов сорбции и десорбции

46

I

влаги семенами подсолнечника существует однозначная функци­ ональная зависимость вида:

Графическая обработка данных в виде функциональной за­ висимости (II—7) показала, что изотермы сорбции и десорбции относятся к сигмоидным кривым [283]. В результате преобразо­ вания уравнения Д. Дейла [283] с учетом зависимостей (II—6) и (II—7) получены обобщенные уравнения равновесной влаж­ ности для семян подсолнечника различной масличности:

при сорбции влаги

(1 — 0,009.77) \•—

\Ф0,21

при десорбции влаги

1,61

Отклонения опытных данных от расчетных, полученных по формулам (II—8) и (II—9), не превышают 0,5%, т. е. соизмери­ мы с ошибкой, которая допускается стандартом при определении влажности.

В связи с тем что ни в одной из рассмотренных выше работ точно не указано, при каком направлении влагообмена опреде­ лялась равновесная влажность семян подсолнечника, целесооб­ разно сравнить расчетные значения Wp, полученные с использо­ ванием графической зависимости [276] и формул (II—3), (II—8) и (II—9). В качестве объекта для сравнения расчетных равновесных влажностей были использованы семена подсолнеч­ ника ВНИИМК 8883 масличностью 50,1% и лузжистостью 22,0% [65].

47

В табл. 20 представлены результаты расчетов, которые по­ казывают, что значения Wp, полученные по графику рис. 24 и по формулам (II—3) и (II—8), в интервале ф=20-т-80% практи­ чески совпадают. Для ср— 10% равновесная влажность, получен­ ная по графику и формуле (II—3), совпадает со значением Wp, рассчитанным по формуле (II—9). Таким образом, можно сде­

быть использованы для расчета, например, оптимальной конеч­ ной влажности таких семян при сушке, с учетом атмосферных условий хранения. Формула (II—8) рекомендуется при анало­ гичных расчетах для семян подсолнечника различной маслич­ ное™ и с конечной температурой 15—30° С.

Формула (II—9) рекомендуется для определения возможно­ сти вентилирования семян подсолнечника различной масличности при температуре атмосферного воздуха 15—30° С.

Температурные ограничения объясняются тем, что, начиная примерно с температуры, равной 60° С, равновесная влажность масличных семян уменьшается [15, 105, 281]. Это явление обыч­ но связывают с денатурацией белков семян.

Усредненные значения равновесной влажности для некото­ рых масличных семян представлены в табл. 21. Для составления таблицы использованы данные Финн-Келсея [5]. Анализ полу­ ченных результатов показывает, что изменение равновесной влажности при сорбции и десорбции влаги такое же, как и у се­ мян подсолнечника. Абсолютные значения Wv, приведенные в таблице, могут быть использованы для ориентировочных рас­ четов.

Т а б л и ц а 21

48

На рис. 28 изображены кривые сорбции и десорбции влаги виноградными семенами с масличностью 19,5% и засоренностью 12,0% [102]. Из рисунка видно, что уже через 3 суток при на­ чальной влажности семян примерно 10,5% процесс сорбции или десорбции влаги практически заканчивается. Для других мас-

Рис. 28. Изотермы сорбции и десорбции влаги виноград­

7 — 80%, 5 — 85%, 9 — 90%.

личных семян указанные процессы продолжаются не более 7—8 суток.

ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ И ВЛАГООБМЕННЫЕ СВОЙСТВА

В общем случае теплофизические и влагообменные свойства влажных капиллярно-пористых материалов определяются сово­ купностью коэффициентов тепло- и влагопереноса и термоди­ намических параметров.

Основными характеристиками теплофизических свойств ма­ териала являются удельная теплоемкость, коэффициенты тепло­

Q

(II—10)

СтАТ ’

где' Q— количество тепла, идущее на нагревание тела, Дж; АТ — увеличение температуры тела, К;

m— масса тела, кг.

Обычно удельная теплоемкость влажных капиллярно-прри- стых тел определяется по закону аддитивности, т. е. как средне- , взвешенная величина между, теплоемкостью сухого вещества

и теплоемкостью воды:

где с0— теплоемкость абсолютно сухого тела; W— влажность тела, %.

Ф/ Т. Гоголев [50] экспериментально, методом смешения, определил удельную теплоемкость семян подсолнечника, льна, конопли и клещевины. Им было установлено, что удельная теп­ лоемкость абсолютно сухих семян с увеличением температуры на один градус увеличивается на 1,68 Д ж /(кг-К).

На основании этого формула (II—11) была дополнена и пред­ ставлена в следующем виде:

О—1°С, равная 1490 для подсолнечника с масличностыо 31,4%; 1635 для льна с масличностыо 40,9%;' 1525 для конопли с масличностыо 34,5%; 1820 для клещевины с масличностыо 55%;

/ — температура, при которой определялась теплоемкость (1—86° С).

Другая формула, предложенная в цитируемой работе, пред­ назначена для определения удельной теплоемкости различных масличных семян с известным химическим составом:

Анализ формул (II—12) н (II—13) показывает, что с их по­

При подборе формулы (II—14) сделано допущение, что сред­ няя теплоемкость растительных масел равна 0,490 ккал/(кг-°С), а остальных веществ, входящих в состав масличных семян, — 0,330 ккал/(кг-°С) (средние значения удельных теплоемкостей получены по данным Ф. Т. Гоголева).

Среднее отклонение расчетных значений с по формуле (II—14) от опытных составляет ±3,6%, а максимальное — 6%. Последняя величина находится в пределах погрешности метода, который был использован для определения удельной теплоем­ кости.

Методом смешения определена удельная теплоемкость под­ солнечной мятки для широких пределов изменения температуры,

50

влагосодержания и и лузжистости Л [21]. Результаты опреде­ лений в этой работе представлены в виде полинома второго по­ рядка, полученного с помощью метода наименьших квадратов:

удельной теплоемкости и плотности мягки в пределах с=0,58-ь 4-26,8 ккал/(кг-°С) и р= 370+404 кг/м3, справедлива для следу­ ющих интервалов входящих в нее величин: </7=1,6+17%, «=0,002+0,200 кг/кг и 7=10+125° С. Отклонения расчетных значений от экспериментальных при использовании формулы (II—15). не превышают 15%.

Формулы (II—12) — (II—15) рекомендуются для применения

нормальной к направлению теплового потока, в течение 1 ч при уменьшении температуры на один градус на каждый метр тол­ щины тела; он измеряется в Вт/(м-К), или в ккал/(м-ч-°С).

Аналитически Я получается из уравнения Фурье для стацио­ нарного процесса в следующем виде:

где Q — количество тепла, проходящее через поверхность тела при стацио­ нарном процессе, Дж;

5 — площадь тела, воспринимающего тепло, м2; АТ — разность температур на изотермически^_поверхностя'х тела, К;

А/ — расстояние между изотермическими поверхностями тела, м; т — время, в течение которого идет теплопередача, ч.

Масличные семена (включая единичные) и полупродукты их переработки являются трехфазными и многокомпонентными си­ стемами, поэтому для нйх Я является эффективным коэффициен­ том. Однако доля конвективного теплопотока и лучистой тепло­ проводности для подобных условий обычно составляет незначи­ тельную величину [71]. В связи с этим можно считать, что для слоя и единичных масличных семян и полупродуктов их перера­ ботки эффективный’коэффициент теплопроводности в основном зависит от кондуктивного теплопереноса.

Теплопроводность слоя шести сортов семян подсолнечника изучена в работе [93]. Для определения Я семян подсолнечника был использован один из методов регулярного режима — метод шарового бикалориметра.

В результате исследований установлено, что с повышением температуры в пределах 20—80° С, объемной массы в пределах 433—506 кг/м3 и влажности семян в пределах 0,6—25,0% тепло-