Глава 4. Переработка зерна в муку

4.1. Драной процесс

Измельчение - это процесс разрушения твердых тел на части под действием ударных или ударно-истирающих внешних сил. Основные требования, предъявляемые к процессу измельчения при сортовых помолах пшеницы, сводятся к получению максимального количества промежуточных продуктов в виде крупок, дунстов высокого качества. Измельчение зерна - одна из энергоемких операций. При получении обойной муки в драном процессе необходимо извлечь максимальное количество муки.

Драная система представляет собой совокупность вальцового станка и рассева. На эффективность процесса измельчения в вальцовых станках оказывают влияние стекловидность и влажность.

Стекловидность характеризует консистенцию эндосперма зерна, т.е. поведение зерна в процессе измельчения. Зерно с более высокой стекловидностью обладает повышенной прочностью и требует больших энергетических затрат.

Влажность зерна оказывает существенное влияние на эффективность процесса измельчения. С повышением влажности возрастает его сопротивляемость к разрушениям и повышается удельный расход энергии.

При обойных помолах пшеницы и ржи применяют четыре драные системы, при сортовых помолах ржи – пять, но с разделением – II, III и IV на крупные и мелкие (либо одной из них). Раздельное измельчение продуктов, различающихся крупностью, более эффективны, поскольку оно позволяет устанавливать оптимальные режимы на крупных одноименных и мелких системах (зазор между вальцами).

Измельчение зерна в вальцовых станках

Рабочими органами вальцового станка являются два горизонтально расположенных цилиндрических вальца (сплошные или пустотелые) с рифленой или шероховатой поверхностью и вращающих­ся с разными окружными скоростями навстречу друг другу. В зави­симости от вида измельчаемого продукта, требований к операции из­мельчения на данном участке технологической схемы применяют раз­личные геометрические, кинематические и нагрузочные параметры вальцов.

Как правило, быстро- и медленновращающиеся вальцы имеют оди­наковую геометрическую характеристику (плотность рифления, про­филь и угол наклона рифлей). Продукт измельчается в клиновидном зазоре, образованном парой вальцов вследствие постоянного уменьшения зазора и разности относи­тельных скоростей вальцов. Разрушение частиц (в зависимости от их крупности) начинается несколько выше линии, соединяющей центры вальцов, где зазор имеет наименьшие размеры.

На рисунке 24 показаны стадии разрушения зерновок пшени­цы на I драной системе, при взаиморасположении рифлей «острие по острию».

А Б

Рис. 24. Деформация зерна пшеницы при измельчении в вальцовом станке: А — высокостекловидного; Б — мучнистого

В результате такого первичного воздействия вальцов происхо­дит как бы разворачивание зерна с минимальным образованием мелких оболочечных частиц. На последующих системах продолжают последо­вательно отделять эндосперм от оболочечных частиц, а на размольных системах интенсивно измельчают частицы эндосперма.

В мукомольном производстве степень измельчения зерна и зерно­вых продуктов характеризуют величиной общего извлечения И, назна­чение которого оказывает влияние не только геометрическая характеристика вальцов (диаметр, профиль и взаиморасположение рифлей, уровень шероховатости рабочей поверхности), но и кинематические па­раметры вальцов (окружная и относительная скорости вальцов), вели­чина удельной нагрузки и другие факторы.

Факторы, определяющие эффективность работы вальцового станка. Установлено, что на эффективность измельчения зерна и продуктов его размола оказывают влияние большое количество факторов, главными из которых являются межвальцовый зазор, уклон рифлей, взаиморас­положение рифлей, плотность нарезки рифлей, окружная и относитель­ная скорость вальцов, удельная нагрузка на вальцы.

Рассмотрим влияние некоторых основных факторов.

Величина межвальцового зазора. Изменение зазора между мелю­щими вальцами вызывает изменение извлечения. Это особенно заметно при величине межвальцового зазора, значительно меньшего, чем размер измельчаемых частиц.

Постоянство межвальцового зазора имеет особое значение на размольных системах. Поэтому требования, предъявляемые к точности ци­линдрической формы вальцов, жесткости их на изгиб, величине дебаланса вальцов приводного шкива и шестерен межвальцовой передачи, а также к качеству подшипников, должны быть очень высокими, так как в противном случае будет трудно добиться стабильности межвальцово­го зазора, а следовательно, постоянства величины извлечения.

Зависимость общего извлечения от зазора между вальцами может быть выражена эмпирической формулой

И=me^-nb, (1)

где b-зазор между вальцами;

е – основание натурального логарифма;

m и n-коэффициенты, полученные опытным путем.

Из формулы следует, что при изме­нении межвальцового зазора b в ариф­метической прогрессии общее извлечение И изменяется в геометрической прогрес­сии. Значения коэффициентов т и п изменяются по мере перехода от I др. с. к последующим. В пределах одной систе­мы они изменяются в зависимости от структурно-механических свойств из­мельчаемых продуктов, геометрических и кинематических параметров вальцов.

При сортовых помолах пшеницы зазор изменяется от 0,03 до 1,5 мм и является единственным оперативно-регулируемым параметром процесса измельчения. Величина межвальцового зазора, как параметр процесса измельчения, зависит от многих структурно-механических и технологических свойств зерна, состояния рабочей поверхности вальцов, степени износа рифлей, нагрузки на машину.

Изменение величины межвальцового зазора вызывает изменение силового нагружения частиц в зоне измельчения, поскольку изменяются величины сдвигающих и снижающих усилий, а также их соотношение. При уменьшении межвальцового зазора силовое нагружение частиц продукта возрастает, а степень измельчения увеличивается, зольность муки при этом повышается. Исключение составляют системы, обрабатывающие хорошо обогащенные частицы эндосперма, т.е. продукты первого качества.

Форма рифлей (профиль поперечно­го сечения) оказывает большое влияние на процесс измельчения, показатели качества измельчаемых продуктов, произ­водительность вальцовой пары и энерго­емкость. В результате исследований, опы­та работы мукомольных заводов, с уче­том ассортимента, общего выхода муки, вида и качества перерабатываемого зернового продукта применяют различные профили рифлей (рис. 25).

На всех отечественных и зарубежных мукомольных заводах в дра­ном процессе и на последних размольных системах применяют рифле­ные вальцы. В шлифовочном и размольном процессах для получения муки меньшей зольности применяют вальцы с шероховатой поверх­ностью.

На эффективность измельчения большое влияние оказывает дина­мический коэффициент трения продуктов о рабочую поверхность валь­цов (поверхность рифли).

Установлено, что чем меньше коэффициент трения продукта о ра­бочую поверхность вальца, тем хуже условия захвата частицы продук­та мелющими вальцами и меньше эффект измельчения. Это особенно важно для вальцов с шероховатой поверхностью, применяемых на размольных и шлифовочных системах.

Рис. 25. Форма и профиль рифлей: а — общий вид; б — поперечное сечение

Уклон рифлей. Рифли на вальце располагают не параллельно об­разующей, а под некоторым углом, величину которого (уклон) принято измерять в процентах.

Увеличение угла наклона рифлей обусловливает повышение интенсивно­сти измельчения при прочих одинако­вых условиях, так как уменьшается расстояние между точками пересече­ния вершин рифлей парноработающих вальцов. Угол наклона рифлей меньше угла трения измельчаемых продуктов, поэтому не происходит скольжения (сдвига) продукта вдоль рифли.

Взаиморасположение рифлей. На измельчение большое влияние оказы­вает взаимное расположение рифлей парноработающих вальцов, что обус­ловлено изменением угла резания φ.

Конструкция вальцового станка и вальцов, несимметричность сечения рифлей (разные углы α и β), разли­чие в окружных скоростях парноработающих вальцов обусловливают четыре варианта расположения рифлей по отношению друг к другу (рис. 26).

Если во время вращения вальца грань острия рифли является пе­редней, то угол резания φ = 90°+ α . Если передней гранью является грань спинки, то угол резания φ = 90°+ β. Так как угол β всегда боль­ше угла α, то разрушение измельчаемого продукта при расположении рифлей «острие по острию» происходит более интенсивно и при мень­ших энергозатратах.

Рис. 26. Варианты взаимного расположения рифлей на парноработающих вальцах: а—«острие по острию»: б—«спинка по спинке»

При расположении рифлей «острие по острию» грани острия обоих парноработающих вальцов врезаются в частицу, когда она поступает в зону измельчения. Так как быстровращающийся валец опережает медленновращающнйся, то его рифли срезают часть зерна, в то время как грани острия медленновращающегося вальца удерживают частицу. При расположении рифлей «острие по острию» наряду с эндоспермом доволь­но интенсивно разрушаются оболочки, что нежелательно при многосорт­ных помолах зерна пшеницы и ржи, особенно при недостаточной влаж­ности зерна, направляемого в помол. При этом образуется больше фракций крупной и меньше средней и мелкой крупки. Средневзвешен­ная зольность извлеченных крупок и дунстов выше, чем при идентич­ных условиях измельчения, но при расположении рифлей «спинка по спинке» (табл. 28).

Таблица 28. Влияние взаиморасположения и уклона рифлей на извлечение и зольность продуктов 1–го качества

Взаимное расположение рифлей	Уклон рифлей, %
	4	8	12	16
Ос/ос	72,3/1,36	72,5/1,29	72,8/1,22	71,2/1,21
Сп/сп	72,1/1,11	72,6/1,17	72,5/1,13	71,2/1,21

Расположение рифлей «острие по острию» рекомендуют устанав­ливать при переработке в хлебопекарную муку пшеницы стекловидностью менее 40 %, а также при макаронных помолах зерна твердой пше­ницы.

При хлебопекарных помолах зерна пшеницы стекловидностью бо­лее 40 % рекомендуется располагать рифли «спинка по спинке». При таком взаиморасположении рифлей измельчаемая частица вначале сплющивается, а затем по мере опережения одного вальца другим грань спинки быстровращающегося вальца сдвигает слои частицы, удержи­ваемые на грани спинки медленновращающегося вальца. Это обусловли­вает мягкое воздействие на частицу, так как грани острия в данном слу­чае практически не участвуют в деформации измельчаемой частицы продукта.

Расположение рифлей вальцов «острие по спинке» или «спинка по острию» применяют в особых случаях. Результаты измельчения при этом получаются промежуточными по отношению к взаиморасположе­нию «острие по острию» или «спинка по спинке». Рифли быстровра­щающегося вальца изнашиваются в 1,5...2 раза быстрее, чем медленновращающегося парноработающего вальца.

Плотность нарезки рифлей. Плотность рифления (количество риф­лей на 1 см окружности вальца) на идентичных системах зависит от типа помола, крупности измельчаемых частиц. Чем меньше размеры из­мельчаемых частиц, тем больше должна быть плотность рифления. Од­нако с повышением плотности рифления уменьшается высота рифли, величина ее сечения, что обусловливает снижение срока службы рифли.

Исследованиями установлено, что при любом взаиморасположении рифлей с увеличением плотности рифления выход крупнодунстовых продуктов и общее извлечение возрастают. Это можно объяснить мно­гократным воздействием рифлей быстровращающегося вальца на про­дукт за время прохождения его через зону измельчения.

Для получения муки с лучшими показателями белизны и зольности на размольных и шлифовочных системах используют вальцы с шерохо­ватой поверхностью. Шероховатый рельеф рабочей поверхности валь­цов получают электроэрозионным и абразивным способами.

По результатам исследований наиболее интенсивный износ наблю­дается в начальный период, т. е. в течение первых 100 ч их эксплуатации.

Влияние кинематических параметров вальцовых станков на эффек­тивность измельчения. На эффективность измельчения зерновых про­дуктов (степень измельчения, энергоемкость, качество получаемых про­дуктов), а также производительность вальцового станка большое влия­ние оказывают кинематические параметры вальцовых станков, к которым относят: окружную скорость быстровращающегося (V_б) и медленновращающегося (V_м) вальцов; относительную скорость (V_б -V_м); соотношение скоростей быстро и медленновращающихся вальцов

Влияние отношения окружных скоростей вальцов. Профессор П. А. Козьмин доказал и многие исследователи подтвердили, что уве­личение окружных скоростей парноработающих вальцов оказывает су­щественное влияние на скорость приложения усилий от вальцов к из­мельчаемому продукту, продолжительность нахождения продукта в зо­не измельчения.

Среднюю скорость продукта V_пр, м/с, в зоне измельчения с некоторым приближением (без учета скольжения) можно определить:

V_пр=V_б+V_м/2*соs α^{/ ,} (2)

где соs α^/ - угол захвата измельчаемой частицы вальцами;

соs α^/=(D+b)/(D+d);

D – диаметр вальца, мм;

d – диаметр частицы, мм;

b – межвальцовый зазор, мм.

Относительная скорость вальцов V₀, м/с, может быть выражена так

V_о =V_б – v_м, (3)

так как К=V_б/V_м,

то V_о= V_м (1 – 1/К).

Увеличение окружной скорости быстровращающегося вальца при прочих одинаковых условиях обусловливает более интенсивное воздействие на частицы продукта, способствующие их разрушению.

Исследованиями вниз доказано, что варьируя соотношением скоростей и скоростью вальцов, возможно направленно изменять технологические достоинства муки в процессе ее производства.

Повышение отношения окружных скоростей способствует интенси­фикации измельчения. Поэтому для усиления вымола иногда применяют вальцы большего диаметра.

Влияние величины удельной нагрузки на эффективность измельче­ния. На эффективность измельчения (количество и качество измельчен­ных продуктов, энергоемкость), а также длительность межремонтных периодов, уровень шумообразования большое влияние оказывает вели­чина удельной нагрузки на вальцы. Под удельной нагрузкой на вальцы понимают количество продукта (кг), поступающего на 1 см длины парноработающих вальцов в сутки, — кг/(см∙сут).

Соблюдение рекомендуемых Правилами удельных нагрузок, режи­мов измельчения на вальцовых станках способствует получению муки с высокими хлебопекарными достоинствами, стабильной работе техноло­гического и транспортного оборудования размольного отделения муко­мольного завода.

При повышении удельной нагрузки межвальцовый зазор увеличи­вается вследствие роста распорных усилий, оказываемых продуктом на вальцы, что обусловливает некоторое снижение уровня измельчения. Например, при изменении удельной нагрузки от 100 до 500 кг/(см-сут) на 1-й р. с, выход муки уменьшается с 62,2 до 30,3 %. Изменяются также другие показатели качества муки (зольность, белиз­на, уровень повреждения крахмала, водопоглотительная способность).

Оценка технологической эффективности процесса измельчения. Основными критериями эффективности измельчения любых твердых тел, в том числе и зерна, являются: степень измельчения; удельная энергоемкость процесса N_уд (кВт∙ч/т муки); удельная на­грузка на рабочий орган измельчающей машины (применительно к вальцовому станку, кг/см∙сут).

Степень измельчения i характеризует изменение соотношения вновь образованной площади S_К в результате измельчения и первоначальной площади S_п измельчаемого материала

i= S_К/ S_п . (4)

В мукомольной промышленности степень измельчения зерновых продуктов различна на отдельных системах и зависит от кинематичес­ких и нагрузочных параметров на рабочие органы измельчающего уст­ройства, структурно-механических свойств продукта, назначения систе­мы в технологическом процессе, вида помола и составляет обычно 20...50.

Степень измельчения определяют несколькими методами: ситовым, седиментационным и методом газовой проницаемости слоя продукта (для определения величины удельной поверхности продукта, см²/г). Тот или иной метод применяют в зависимости от крупности частиц. Так, для смеси продуктов, содержащих крупные частицы (схода драных систем), наиболее удобен ситовый метод.

Для ситового анализа отбирают представительную пробу продукта и просеивают ее на рассеве-анализаторе. В результате просеивания по­лучают несколько фракций (классов продуктов). Фракции характеризу­ют размерами отверстий двух смежных сит.

Общее извлечение на шлифовочных, сходовых и размольных систе­мах свидетельствует о массе муки (готовой продукции), полученной в результате измельчения на данной системе.

Под общим извлечением И понимают разность между количеством проходовых частиц П, содержащихся в продукте и отобранных после обработки в машине, и количеством частиц таких же размеров Н (недо­сев), но содержавшихся в продукте, который поступил на обработку в машину. Таким образом, общее извлечение будет (%): И=П-Н. Однако в этом случае необходимо учесть, что вновь образованная проходовая фракция получена не из всего продукта, поступившего для обработки в машину, а лишь из той части продукта, которая состоит из более крупных частиц, за вычетом недосева (100-Н).

Поэтому общее извлечение И,%, по отношению к данной системе следует вычислять по выражению

И=(П-Н) ∙100/100-Н, (5)

В случае отсутствия проходовой фракции в массе продукта, посту­пающего на измельчение, или при измельчении целых зерен (на I дра­ной системе) выражение примет вид

И = П - Н.

При определении величины извлечения по отношению к I драной системе необходимо учесть массу продукта, поступающего на данную систему. Например, общее извлечение на II драной системе крупной со­ставило 52%, а нагрузка на вальцовый станок 56 %. Тогда И_II=52∙0,56=29,1%

Представляет большой интерес критерий оценки эффективности из­мельчения через показатель удельной энергоемкости.

В качестве показателя удельной энергоемкости можно использовать величину работы (кгм), затраченной на образование единицы новой поверхности (кгм/м²).

ΔА=А/(S_k-S_н), (6)

где ΔА - работа, затраченная на измельчение продукта с начальной общей поверх­ностью S_н и конечной поверхностью измельченных частиц S_k.

При эксплуатации мукомольных заводов энергоемкость в целом оценивают затратами энергии на выработку 1 т муки, включая энерго­затраты на подготовку, размол, формирование сортов, выбой и отгрузку продукции. Энергозатраты на измельчение следует определять с учетом расхода энергии только на привод измельчающего оборудования.

В связи с отличительными особенностями структурно-механических свойств различных сортов зерна и его анатомических частей, техничес­ким состоянием оборудования, способом и режимом измельчения удель­ные энергозатраты на отдельные системы технологического процесса различны.

Наибольшие энергозатраты из рассмотренных систем отмечены на 1-й размольной системе крупной, на которую поступают обогащенные, но невы­равненные по гранулометрическому составу крупки, а также на 4-й размольной системе.

Уменьшению энергоемкости процесса измельчения в значительной мере содействуют правильные режимы ГТО зерна, сокращение протя­женности технологического цикла, повышение четкости сепарирования и подбор рациональных геометрических, кинематических параметров из­мельчающих машин.

Установлено, что на мукомольных заводах, оборудованных внутри­цеховым пневматическим транспортом в размольном отделении, удель­ный расход энергии на измельчение несколько ниже, чем на мукомоль­ных предприятиях с внутрицеховым механическим транспортом. Это обусловлено лучшими условиями работы измельчающего оборудова­ния - надежным охлаждением мелющей поверхности вальцов, что обес­печивает постоянство межвальцового зазора, более высокий коэффици­ент трения продуктов о поверхность вальцов.

Применение пустотелых водоохлаждаемых вальцов вместо сплош­ных в сочетании с высоким уровнем балансировки вальцов, приводного шкива, шестеренчатой передачи обеспечивает высокую стабильность межвальцового зазора и эффективность измельчения.