李昌珠, 劉汝寬, *, 楊星星, 肖志紅, 黃志輝, 葉紅齊

(1.湖南省林業(yè)科學(xué)院, 湖南 長沙 410004； 2.中南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院, 湖南 長沙 410083；3.中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院, 湖南 長沙 410083)

油料冷態(tài)壓榨過程中油脂遷移速率影響因素分析

李昌珠1, 劉汝寬1, 2*, 楊星星3, 肖志紅1, 黃志輝3, 葉紅齊2

(1.湖南省林業(yè)科學(xué)院, 湖南 長沙 410004； 2.中南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院, 湖南 長沙 410083；3.中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院, 湖南 長沙 410083)

針對(duì)油料壓榨制油過程中的流體流速模型，分析了宏觀軸向應(yīng)力對(duì)油脂流動(dòng)速率的影響。結(jié)果表明：油料壓榨過程中，油脂逐漸流出油料散體，導(dǎo)致油料孔隙中油脂越來越少，使得孔隙流體的壓力逐漸降低并趨于水平，總體上表現(xiàn)為孔隙流體壓力隨著時(shí)間的增長而逐漸減小。因此，合理控制保壓時(shí)間和壓力是提高壓榨效率的重要手段。

油料； 冷態(tài)壓榨； 油脂

油料壓榨制油時(shí)[1]，榨筒與油料在壓榨過程中始終相互作用，同時(shí)受到軸向擠壓和側(cè)向限制產(chǎn)生破裂，當(dāng)變形達(dá)到一定值時(shí)，存在于油料細(xì)胞中的油脂逐漸被擠壓出來，漸漸地充滿油料之間空隙[2]。隨著壓力的增加，空隙減小，油脂沿著油路被擠出榨筒，同時(shí)油料被壓實(shí)形成餅粕[3]。

壓榨過程中[4-6]，油料呈現(xiàn)多孔介質(zhì)，散體孔隙中充滿了油脂，此主要由油料固相顆粒和液相油脂組成，固相顆粒與孔隙流體共同承擔(dān)著外載荷，油脂逐漸形成大油滴，開始在油料中流動(dòng)，由于油脂受到重力作用且榨筒上半段壁上無出油孔，油脂將會(huì)隨著軸向向下運(yùn)動(dòng)到達(dá)油盤，最后隨著油液液面的升高，油脂從油盤與榨筒之間孔隙和榨筒下半段壁孔流出榨筒。油脂大部分從榨筒的下部幾層的壁孔流出，榨筒上部中的油脂幾乎沿軸向流動(dòng)，并且在壓榨過程中主要關(guān)注活塞所受軸向合力，即榨筒上部受力情況，因此在分析孔隙流體壓力時(shí)可利用一維壓榨理論進(jìn)行分析。

早期的研究大部分關(guān)注的是出油率(或殘油率)與壓力及壓榨時(shí)間的關(guān)系，基本是實(shí)驗(yàn)性總結(jié)得到的關(guān)系式[7-9]，但均未研究其壓榨過程中油料孔隙流體流速變化。本文針對(duì)油料直筒式壓榨[10]，通過簡(jiǎn)化假設(shè)建立了一維壓榨模型，并對(duì)油料微元進(jìn)行受力分析，結(jié)合油料直筒式壓榨過程中油脂流速及流量模型，分析壓榨因素對(duì)油脂流動(dòng)速率的影響，以期為油料的低溫壓榨制油產(chǎn)業(yè)化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 研究方法

1.1流速模型理論簡(jiǎn)化假設(shè)

為分析壓榨過程中軸向應(yīng)力情況且忽略榨筒底部徑向流動(dòng)的影響，結(jié)合一維壓榨固結(jié)理論[11-12]，做以下假設(shè)：

① 壓榨過程中位于軸向位置處的油料軸向速度相同；

② 忽略壓榨過程中無出油孔上半段和榨筒底部油脂的徑向運(yùn)動(dòng)；

③ 榨筒底部與油盤間隙較大，油液只從榨筒底部流出；

④ 油料中固相可壓縮，但真密度和體積不變，只發(fā)生形變，油脂不可壓縮；

⑤ 壓榨過程中油料始終處于飽和狀態(tài)，且油脂的流動(dòng)服從達(dá)西定律。

1.2一維壓榨模型

根據(jù)假設(shè)，簡(jiǎn)化而得到的一維壓榨模型如圖1(左)所示，并建立固相坐標(biāo)系(表示從油料底部到某一位置，單位面積油料中固相的體積)，圖1中σ0為恒壓過程活塞所施加的應(yīng)力，H′為整個(gè)厚度上單位面積中固相的體積。取簡(jiǎn)化模型中任意微小單元進(jìn)行分析，微元內(nèi)液相滲流情況如圖1(右)所示，dZ′為微元單位面積上固相體積，V為油脂流入微元的流速(即單位時(shí)間流入單位面積的流體體積)。

圖1 油料散體孔隙流體簡(jiǎn)化模型Fig.1 Fluid model of pore dispersion for oilseeds

1.3流體流速模型

依據(jù)前期的研究[13]，壓榨過程中的油脂流速取決于保壓壓力、壓縮系數(shù)和壓榨系數(shù)，流速表達(dá)式：

(1)

其中，αv——壓縮系數(shù)；σ0——活塞施加的總應(yīng)力，即壓榨總壓力；e——孔隙比；Cv——壓榨系數(shù)；H——油料高度。

2 結(jié)果與分析

2.1油料高度對(duì)油料孔隙流體壓力影響

在壓榨過程中，往往關(guān)注的是容易測(cè)量的活塞所施加的軸向應(yīng)力，可通過監(jiān)測(cè)活塞軸向應(yīng)力變化判斷油液流出情況。主要分析活塞附近油料上端面孔隙流體壓力u(H,t)變化(即是油料散體與活塞接觸處，油料孔隙的流體壓力，孔隙流體模型H中處的流體壓力值)，可得：

(2)

假設(shè)保壓過程中壓榨系數(shù)恒定不變，利用已知的常見油料壓榨系數(shù)進(jìn)行分析。根據(jù)文獻(xiàn)[14]中壓榨總壓力σ0=40 MPa及壓榨溫度為室溫(22 ℃)時(shí)，油料高度H=8 mm對(duì)應(yīng)的平均壓榨系數(shù)為Cv=0.562 7 mm2/s，H=16 mm對(duì)應(yīng)的平均壓榨系數(shù)為Cv=0.785 5 mm2/s，分別代入式(2)可得到油料高度對(duì)油料上端面孔隙流體壓力變化規(guī)律的影響關(guān)系，如圖2所示。

圖2 油料高度對(duì)活塞處孔隙流體壓力變化規(guī)律的影響Fig.2 Effect of oilseeds height on fluid pressure of pore at the piston

由圖2可知，孔隙流體壓力隨著時(shí)間的延長逐漸減小，但在同一時(shí)刻孔隙流體壓力隨著油料高度增加而變大。這是由于油料高度越高，油液流動(dòng)路徑就越長，流動(dòng)阻力增大，導(dǎo)致孔隙流體壓力增加。生產(chǎn)中常常在榨筒壁上打出油孔，以減少油路長度，加快出油。同時(shí)，油脂流完所需時(shí)間隨油料高度增加。

2.2壓榨系數(shù)對(duì)油料孔隙流體壓力影響

Cv不僅是壓榨后油料高度的函數(shù)，也是壓榨總壓力σ0的函數(shù)[15]，其值隨壓榨總壓力的增加而減小，為尋求不同壓榨壓力下壓榨系數(shù)對(duì)孔隙流體壓力的影響，引入油料上端面無量綱應(yīng)力φ，且定義為：

(3)

由上式可知無量綱應(yīng)力φ可視為孔隙流體壓力變化率，選用對(duì)應(yīng)的參數(shù)[15]，當(dāng)油料高度H=16 mm和壓榨壓力σ0分別為20、40、60 MPa時(shí)，對(duì)應(yīng)的平均壓榨系數(shù)Cv分別為1.6997mm2/s、0.7855mm2/s、0.5595mm2/s，代入式(3)，得到壓榨系數(shù)對(duì)無量綱應(yīng)力φ變化規(guī)律的影響關(guān)系，如圖3所示。

圖3 壓榨系數(shù)對(duì)油料上端面無量綱應(yīng)力φ變化規(guī)律的影響Fig.3 Effect of squeezing coefficient on dimensionless stress of oilseeds

由圖3可知， 壓榨系數(shù)越大，油料上端面無量綱應(yīng)力下降速度越快，壓榨系數(shù)越大越有利于油液的流出。圖中無量綱應(yīng)力均大于零，因此壓榨壓力越大孔隙流體壓力越大，流體流速越大，可知壓榨系數(shù)隨著壓榨總壓力增大而減小，不利于油液流出，因此壓榨過程中，壓榨壓力并不是越大越好。

3 結(jié)論與討論

油料壓榨過程中，由于油脂逐漸流出油料散體，導(dǎo)致油料孔隙中油脂越來越少，使得孔隙流體的壓力逐漸降低并趨于水平，總體上表現(xiàn)為孔隙流體壓力隨著時(shí)間的增長而逐漸減小。因此，合理控制保壓時(shí)間和壓力是提高壓榨效率的重要手段。

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Analysisonfactorsofoilmigrationrateincoldpress

LI Changzhu1, LIU Rukuan1,2*, YANG Xingxing3, XIAO Zhihong1, HUANG Zhihui3, YE Hongqi2

(1.Hunan Academy of Forestry, Changsha 410004, China; 2.College of Chemistry & Chemical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China; 3.College of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

Based on the flow model of oilseed for oil in cold pressing, factors for flow rate of oil were analyzed. The results showed that oil in pore of oilseeds decreased as oil flowed out of dispersions, and pressure of pore decreased gradually, making the overall performance of the pore fluid pressure decreased with increase of time. Therefore, the reasonable control of pressure holding time and squeezing pressure are important means to improve the compression efficiency in oilseeds pressing.

oil seed; cold press; oil and fat

2014-12-12

國家林業(yè)局公益項(xiàng)目(201304608)；湖南省科技計(jì)劃(2013NK3059)。

李昌珠(1964-)，男，湖南省道縣人，博導(dǎo)，主要從事生物質(zhì)能和工業(yè)油料植物研究。

*為通訊作者

TQ 641

A

1003-5710(2015)02-0001-03

10. 3969/j. issn. 1003-5710. 2015. 02. 001

(文字編校：張 珉)