劉汝寬 解士聰 肖志紅 李昌珠 黃志輝 葉紅齊

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

蓖麻籽螺旋壓榨制油過程中榨籠溫度分布及其數(shù)值擬合

劉汝寬1, 2解士聰3肖志紅1李昌珠1黃志輝3葉紅齊2

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

蓖麻籽是一種重要的高含油(約45%)、高含蛋白(約20%)和低含水(約8%)工業(yè)油料。采用螺旋壓榨法制油時(shí)，其操作溫度直接關(guān)系到油品質(zhì)量和制油效果。為準(zhǔn)確預(yù)估該過程中榨油機(jī)榨籠內(nèi)表面的溫度，運(yùn)用有限元分析技術(shù)，根據(jù)榨籠外表面溫度反求榨籠內(nèi)表面溫度，構(gòu)建了榨籠內(nèi)表面溫度在榨軸方向上的溫度分布，并進(jìn)行了有效性驗(yàn)證，平均誤差控制在4.2%以內(nèi)。在最適溫度條件下，蓖麻籽經(jīng)螺旋壓榨，其強(qiáng)烈擠壓段榨籠溫度大于200 ℃，餅的殘油率可降低至6.7%。

蓖麻籽 螺旋榨油機(jī) 榨籠溫度 數(shù)值擬合

蓖麻籽高含油的特性要求獨(dú)特的加工制油工藝[5]，針對蓖麻籽低溫壓榨出油特性的研究還相對不足，其壓榨出油規(guī)律的研究目前國內(nèi)外文獻(xiàn)鮮見報(bào)道。影響榨油機(jī)性能的因素有很多，其中溫度是對出油率及出油質(zhì)量影響最大的因素之一。溫度不僅影響油脂的理化性質(zhì)，還影響壓榨取油效果。目前螺旋榨油機(jī)廣泛應(yīng)用于從植物油料中提取油脂，但溫度影響油料壓榨特性及出油率的研究還很欠缺，不同油料的最佳壓榨溫度也鮮見報(bào)道，一方面歸因于現(xiàn)有試驗(yàn)工具不足，另一方面也因油料種類繁多而無法一一進(jìn)行試驗(yàn)。張學(xué)閣等[6]對油料的含水率、壓榨壓力以及榨籠結(jié)構(gòu)對榨油性能的影響做了相關(guān)研究，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施；陸順忠等[7]研究了蓖麻籽含水率、餅粕厚度、壓榨壓力以及壓榨溫度與出油率的關(guān)系，研究表明含水率、餅粕厚度與出油率的關(guān)系類似，均在取得某一值時(shí)出油率最高，而壓榨壓力、溫度與出油率的關(guān)系相類似，在研究取值的范圍內(nèi)均為壓力越高、溫度越高時(shí)出油率越高。

為研究蓖麻籽螺旋榨油時(shí)的最佳壓榨溫度，提高出油率及出油品質(zhì)，有必要對其最佳壓榨溫度特性進(jìn)行研究[8-9]。本研究以餅殘油率、含水率、油脂酸價(jià)和油相殘?jiān)实茸畛１挥糜谠u價(jià)壓榨性能的主要指標(biāo)，測量表征榨籠溫度分布并進(jìn)行了數(shù)值擬合[10-12]，為操作過程中的溫度控制提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備與材料

蓖麻籽(湘蓖1號，自然干燥，2013年)：湖南省林業(yè)科技示范園；其他化學(xué)試劑均為分析純：國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司(上海)。

單螺旋榨油機(jī)(XLK-2010型)：湖南省林業(yè)科學(xué)院自制；脂肪測定儀(SZF-06A)：浙江托普儀器有限公司；電熱鼓風(fēng)烘箱(101-E)：上海和呈儀器制造有限公司；紅外測溫儀(DHS-120型)：上海佳朝；轉(zhuǎn)速測量儀(VB-Z9200型)：上海安諾。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 蓖麻籽主要內(nèi)含物含量的測定方法

仁與殼所占比例：剝殼后直接稱量計(jì)算；水分[13]：GB/T 14489.1—2008；粗脂肪含量[14]：GB/T 14488.1—2008；粗蛋白含量[15]：GB/T 14489.2—2008；淀粉含量[16]：GB 5514—2008；粗纖維含量[17]：GB/T 5515—2008；灰分[18]：GB/T 5505—2008。

1.2.2 低溫螺旋壓榨制油步驟

每組壓榨試驗(yàn)[19]統(tǒng)一使用5 mm的出餅頭，在38 r/min的轉(zhuǎn)速下壓榨。蓖麻籽不經(jīng)蒸炒，常溫入料。調(diào)整出餅頭預(yù)熱溫度，進(jìn)行壓榨取油。取不同條件下的蓖麻籽餅，測定其殘油率、含水率及毛油的酸價(jià)等指標(biāo)。

1.2.3 榨籠有限元模型

采用有限元方法，榨籠與出餅頭為共節(jié)點(diǎn)連接方式，采取10節(jié)點(diǎn)四面體單元(SOLID87)。考慮到ANSYS軟件幾何接口問題，首先將幾何模型導(dǎo)入到專業(yè)網(wǎng)格劃分軟件HYPERMESH中建立有限元模型，將有限元模型導(dǎo)入到ANSYS中進(jìn)行求解，生成94 591個(gè)單元和151 641個(gè)節(jié)點(diǎn)。

1.2.4 榨籠外表面溫度測點(diǎn)

油料壓榨時(shí)用紅外測溫儀測量榨籠外表面指定點(diǎn)的溫度，指定點(diǎn)位置如圖1所示，從上到下在榨籠外表面選取12個(gè)點(diǎn)，指定其溫度值(對應(yīng)與榨油機(jī)運(yùn)行時(shí)測量得到的榨籠外溫度)為Treal1～Treal12。

圖1 螺旋榨機(jī)榨籠外表面溫度測點(diǎn)

2 結(jié)果與分析

2.1 蓖麻籽的基本成分分析

蓖麻籽中的主要內(nèi)含物(如水分、脂肪、纖維素和蛋白質(zhì)等)會(huì)影響其物理結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響壓榨制油過程及效果。其中，水分含量的變化會(huì)直接影響其他指標(biāo)的變化，一定程度上會(huì)影響油料的物理結(jié)構(gòu)進(jìn)而影響其強(qiáng)度[20]，并且該因素方便調(diào)整。針對蓖麻籽而言，在研究其剝殼的過程中發(fā)現(xiàn)，成熟的蓖麻籽在采收后，其含水量很快降至6%～8%[21]。

采用國標(biāo)化學(xué)測量法，測定了蓖麻仁殼分布及籽仁的主要內(nèi)含物含量，見表1。由表1可知，蓖麻籽是一種高油(>45%)、高蛋白(接近20%)、低水分(<8%)的植物油料。

表1 蓖麻籽殼、仁比例及籽仁中主要內(nèi)含物含量

2.2 不同預(yù)熱溫度壓榨時(shí)榨籠外表面溫度分布及內(nèi)含物指標(biāo)變化

2.2.1 最適入料溫度的理論分析

油料壓榨制油時(shí)，其含水率變化一般遵循“高溫低水分，低溫高水分”的規(guī)律，其具體的值可以根據(jù)N.B.葛符里林柯經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算[22]：

c=(14-0.1T)×k

(1)

式中：c為油料含水率/%；T為榨料壓榨溫度/℃；k為油料含油率校正系數(shù)，k=(100-M)/55，M為入榨料含油率/%。

采用圖1中的蓖麻籽內(nèi)含物指標(biāo)值進(jìn)行計(jì)算，得到適合入料壓榨的蓖麻籽溫度為70.8 ℃。因此，控制好蓖麻籽的含水率是有效調(diào)整低溫冷榨效果的重要因素。但限于實(shí)驗(yàn)室條件，難以實(shí)現(xiàn)蓖麻籽的穩(wěn)定調(diào)質(zhì)，因此后續(xù)開展的試驗(yàn)工作，主要集中在蓖麻籽直接入料，采用設(shè)定榨機(jī)出餅頭溫度來研究榨籠溫度分布情況。

2.2.2 不同預(yù)熱溫度條件下榨籠外表面的溫度分布

當(dāng)單螺旋榨油機(jī)在室溫條件下(整個(gè)榨籠溫度為25 ℃，蓖麻籽未進(jìn)行預(yù)熱，也為25 ℃)開始壓榨時(shí)，油脂不能正常榨出。為確保順利壓榨出油脂，將預(yù)熱溫度從30 ℃開始，設(shè)定不同的預(yù)熱溫度(30～70 ℃，溫度間隔10 ℃)進(jìn)行壓榨試驗(yàn)，榨籠外表面的溫度分布如圖2所示。

圖2 不同預(yù)熱溫度壓榨時(shí)榨籠外表面溫度分布(預(yù)熱溫度間隔10 ℃)

由圖2可以看出，隨著出餅頭設(shè)定溫度的升高，出料口溫度與進(jìn)料口溫度差呈先增大后減小的趨勢，并且在70 ℃時(shí)差值最大。榨籠內(nèi)表面溫度隨著Z坐標(biāo)(軸向)先增大后減小，主榨段內(nèi)的強(qiáng)烈擠壓段溫度較高，對油脂品質(zhì)會(huì)帶來一定影響。榨油機(jī)工作時(shí)，蓖麻籽在榨籠中不斷被壓縮，整個(gè)過程共分為3個(gè)階段，分別是顆粒狀態(tài)、固體塞狀態(tài)以及膏狀流體狀態(tài)，在每個(gè)狀態(tài)均會(huì)有摩擦生熱使油料溫度升高，因此溫度是遞增的；在出餅孔處，餅與外界進(jìn)行強(qiáng)烈的熱交換，因此溫度顯著降低。

2.2.3 不同溫度條件下壓榨后餅的主要內(nèi)含物指標(biāo)變化

測定不同溫度條件下壓榨后餅的主要內(nèi)含物含量及油脂品質(zhì)指標(biāo)，如圖3所示。

圖3 不同溫度下的餅及油脂指標(biāo)參數(shù)

由圖3可知，在相同的出餅孔徑、相同轉(zhuǎn)速下，隨著預(yù)熱溫度的提高，餅殘油率和含水率這2個(gè)指標(biāo)逐漸降低。另外，酸值的變化亦呈現(xiàn)這種趨勢，并且由于試驗(yàn)材料為長期存放的蓖麻籽，其中的油脂已部分酸敗，所得到的蓖麻油酸值(約為50 mg KOH/g)遠(yuǎn)大于新收獲蓖麻籽所制備的蓖麻油酸值(<5.0 mg KOH/g)。在這個(gè)過程中，蓖麻油從細(xì)胞內(nèi)被擠壓出來后，通過蓖麻籽餅微細(xì)管道滲出到外面，微細(xì)管道隨著壓榨溫度的升高而增大，從而使油液及水分在加熱壓榨下及時(shí)滲透到餅的外側(cè)，進(jìn)而降低餅的殘油率和含水率，初步得到最佳預(yù)熱溫度為70 ℃左右。同時(shí)，隨著加熱溫度的逐漸升高，油相中的含渣量(直觀判斷)也逐漸降低，油脂的色澤逐漸變淺。

2.3 榨籠內(nèi)表面的溫度分布及驗(yàn)證

2.3.1 榨籠內(nèi)表面溫度分布

預(yù)熱溫度約為70 ℃時(shí)進(jìn)行壓榨，測得的榨籠外表面溫度分布，加載在榨籠外表面，利用反問題求解榨籠內(nèi)表面溫度分布。由仿真結(jié)果得到榨籠內(nèi)表面溫度分布如圖4所示，溫度范圍為35.9～200.7 ℃。

圖4 榨籠內(nèi)表面溫度分布

2.3.2 榨籠內(nèi)表面溫度擬合曲線

提取榨籠內(nèi)表面20個(gè)溫度測點(diǎn)的數(shù)據(jù)，利用最小二乘法將其擬合成曲線如圖5所示。圖5的擬合曲線中，在點(diǎn)(26 mm，54.8 ℃)取得最大相對誤差為9.1%，在點(diǎn)(91 mm，204.2 ℃)取得第二大相對誤差8.5%，所有點(diǎn)的平均相對誤差為4.2%，擬合精度較好。擬合函數(shù)為y=0.000 2x3+0.002x2+0.08x+38.5。

圖5 榨籠內(nèi)表面溫度擬合曲線

2.3.3 榨籠外表面溫度反向驗(yàn)證試驗(yàn)

2.3.3.1 直觀比較

將擬合函數(shù)施加在榨籠內(nèi)表面進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)、熱輻射分析，其榨籠溫度分布如圖6。

圖6 榨籠溫度分布

2.3.3.2 計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果的比較

提取圖6外表面溫度大小，與指定溫度進(jìn)行比較。通過試驗(yàn)測得相同工作條件下榨籠外表面溫度，并與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，實(shí)測坐標(biāo)、實(shí)測溫度與計(jì)算溫度如表2。

表2 計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果比較

從表2可看出，榨籠外表面溫度計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果非常接近，誤差在可接受范圍內(nèi)，所以此方法預(yù)估榨籠內(nèi)表面溫度分布可行有效，有利于深化認(rèn)識溫度對油料壓榨過程中的影響。

3 結(jié)論

3.1 蓖麻籽是一種高含油(約45%)、高含蛋白(約20%)和低含水(約8%)工業(yè)油料，在實(shí)際操作中，控制好蓖麻籽的含水率是有效調(diào)整壓榨效果的重要因素。

3.2 運(yùn)用有限元分析技術(shù)，通過榨籠外表面溫度反求榨籠內(nèi)表面溫度，構(gòu)建了榨籠內(nèi)表面溫度在榨軸方向上的溫度分布，擬合曲線平均誤差在4.2%以內(nèi)。

3.3 采用螺旋壓榨法制油時(shí)，其操作溫度直接關(guān)系到油品質(zhì)量和制油效果，適合入料壓榨的蓖麻籽溫度約為70 ℃。在此條件下，蓖麻籽經(jīng)螺旋壓榨，其強(qiáng)烈擠壓段榨籠溫度大于200 ℃，餅的殘油率可降低至6.7%。

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Temperature Distribution of Press Cage in Squeezing of Castor Beans by Spiral Press and Its Mathematical Fitting

Liu Rukuan1,2Xie Shicong3Xiao Zhihong1Li Changzhu1Huang Zhihui3Ye Hongqi2

(Hunan Academy of Forestry1, Changsha 410004)(School of Chemistry and Chemical Engineering, Central South University2, Changsha 410083)(School of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University3, Changsha 410083)

Castor is an important kind of industrial oil plant with high oil content of about 45%, high protein content of about 20% and low moisture content of about 8%. In process of mechanical press for castor oil, the operation temperature is directly related to the oil quality and oil producing effect. Using the finite element analysis technology, the distribution of temperature inside the cage surface was well forecasted and the validation was tested with the error controlled within 4.2%. Under the optimum conditions of temperature, the residual oil content of castor cake could be reduced to 6.7% while the temperature of the main pressing stage was above 200 ℃。

castor beans, spiral press, press cage temperature, mathematical fitting

TQ641

A

1003-0174(2016)06-0074-05

國家自然科學(xué)基金(31470594)，長沙市科技計(jì)劃(K1508130-61)

2014-08-18

劉汝寬，男，1981年出生，博士，化工工藝，油料資源利用

肖志紅，男，1974年出生，研究員，生物質(zhì)能