Основні технологічні особливості й устаткування для очищення зерна. (ч.1)

Будь-яка переробка зерна пов'язана з його очищенням від домішок. Наявність домішок негативно впливає на ефективність зберігання зерна та його технологічні особливості, що призводить до зниження виходу і якості продуктів переробки. Тому, операції з очищення займають центральне місце у післязбиральному обробленні зерна. Технологічні процеси виробництва борошна, крупи, спирту, комбікормів, солоду також починаються з операцій з очищення. Зерно завжди містить домішки. Більшість домішок надходить до зернової маси під час збирання врожаю у вигляді різних анатомічних складових культурних рослин і бур'янів, шматочків ґрунту, комах і т.д. Під час проведення операцій зі зерном до його складу можуть потрапити різні випадкові предмети – камені і пісок з майданчиків токів і бетонних конструкцій елеваторів, металеві складові транспортних і зернопереробних машин. Будь-яке переміщення зерна пов'язане з інтенсивним тертям зернівок між собою, а також об робочі органи та інші поверхні машин, що викликає появу пилу, тому пил завжди є складовою зернової маси.

Усю домішку, що міститься в зерні, поділяють на смітну і зернову. До смітної домішки відносять насіння всіх бур'янів, домішки мінерального і органічного походження, значно зіпсовані зернівки основної культури, металеві домішки. Окремо виділяють і відносять до сміттєвої домішки шкідливу домішку, яка негативно може вплинути на здоров'я людей і тварин. Це насіння гірчака, в’язелю і зернівки основної культури, пошкоджені сажкою, ріжками, фузаріозом. Зерно, в якому міститься шкідлива домішка, не допускається до використання на харчові цілі. До зернової домішки відносять зернівки інших зернових культур, пошкоджені зернівки основної культури, щуплі, недорозвинені, пророслі і пошкоджені теплом зернівки, у деяких випадках зернівки, що відрізняються кольором. Домішки є небажаними складовими зерна, тому їх вміст, в залежності від виду та призначення зерна, обмежується державними стандартами, рекомендується правилами організації та ведення різних технологічних процесів переробки, або встановлюється сторонами при поставках.

Методи, які використовуються для очищення зерна, обумовлені ознаками поділу основного зерна і домішок. Більшість домішок, які присутні у зерновій масі, можна розділити на вісім класів, які визначають п'ять груп процесів їх відділення від основного зерна: грубі, великі і дрібні – просіювання на ситах; легкі – пневмосепарація; металомагнітні – поділ магнітами; довгі і короткі – трієрування; важкі – вібропневматичний спосіб, домішки, які відрізняються оптичними ознаками – оптичне сортування.

У виробничих умовах ефективність процесів очищення і машин, які його реалізують, визначається за такою формулою:

Е = (Х₁ - Х₂) / Х₁,

де Х₁ и Х₂ – початковий і кінцевий вміст домішок у зерні, %.

Слід зазначити, що якщо оцінку ефективності очищення проводять для окремих процесів і машин, то враховують початковий і кінцевий зміст тільки тих домішок, які можуть бути виділені відповідним способом.

Домішки, які виділяються просіюванням на ситах і пневмосепаруванням, прийнято вважати легко віддільними домішками. Для відділення таких домішок призначені ситові та повітряні сепаратори різної конструкції з їх поєднанням у єдиний агрегат (Мал.1).

I

II

III

Мал.1. Сито-повітряні сепаратори.

I - барабанний скальператор (1) з пневмосепаратором розімкненого типу (2);
II - барабанний сепаратор (3) з пневмосепаратором замкненого типу (4);
III - плоскорешітний сепаратор (5) з пневмосепаратором замкненого типу (6) і пневмосепаратором розімкненого типу (7).

Очищення зерна від грубих домішок проводиться просіюванням через решета з великими отворами, яке виконують на початку технологічних ліній. Виділення таких домішок виключає аварійні ситуації через попадання у транспортні та технологічні машини великих каменів, цегли, деревини, коренеплодів і т.д. Зазвичай для виконання такої операції використовується різновид ситових сепараторів – скальператори, які оснащені решетом у вигляді короткого барабана або рухомої решітки.

Для поділу зерна і домішок, які відрізняються шириною і товщиною, використовуються сепаратори, оснащені робочими органами у вигляді циліндричних або плоских ситових поверхонь з круглими, довгастими або трикутними отворами, виконаними у тонкому сталевому листі (металопробивне сито). Сито є головним робочим органом таких сепараторів і від його характеристик істотно залежить продуктивність і технологічна ефективність просіювання. Тому, разом з використанням традиційних сит, є важливим пошук конструкцій сит з поліпшеними характеристиками. Наприклад, використання сит, які виготовлені з металевих стрижнів, металопробивних сит з продовгуватими отворами різної орієнтації в площині або п'ятикутними отворами. У багатьох випадках такі сита мають істотні переваги.

Сепаратори з циліндричними ситовими поверхнями (барабанні сепаратори) відрізняються врівноваженістю ситового барабана, який обертається з малою частотою, надійністю конструкції, а також високою ефективністю очищення сит щітками і молотками. Однак, площа робочої поверхні сит таких машин становить близько 30% від загальної їх площі, що призводить до деякого збільшення габаритів конструкції. Разом з тим, циліндричні сепаратори є незамінними у роботі з вологим і сильно засміченим зерном. Сепаратори даного типу здатні ефективно і з високою продуктивністю переробляти слабо сипучі і схильні до злежування зернові маси. Крім того, використання барабанних сепараторів виключає необхідність застосування скальператорів. Слід зазначити, що деякі конструкції скальператорів передбачають заміну решіт на металопробивні сита з будь-яким розміром отворів, що дає можливість їх використання для виділення не тільки грубих домішок, але ще і великих домішок. Ефективність циліндричних ситових сепараторів знаходиться в межах 50-70%, а по виділенню грубих домішок – 100%.

Сепаратори з плоскими ситовими поверхнями (плоско-решітні сепаратори) відрізняються видом коливання їх ситових корпусів, які забезпечують просіювання зернової маси. Машини, що реалізують спрямовані віброколивання, характеризуються обмеженою площею поверхні сит. Такі сепаратори іноді використовують на млинах і крупозаводах, де відсутня потреба обробки потоків значної продуктивності. Сепаратори, що реалізують зворотно-поступальний рух сит, відрізняються складністю конструкції, тому також обмежені у використанні. Їх застосування виправдане для ретельної обробки зерна, наприклад, для калібрування насіння.

Найбільш поширені сепаратори з обертально-поступальним рухом ситових корпусів. Такі сепаратори мають високу продуктивність, тому що можуть бути оснащені ситовими корпусами зі значною площею ситової поверхні і мають широке поле застосування як на елеваторах, так і при переробці зерна. До недоліків плоско-решітних сепараторів відноситься деяке генерування динамічних навантажень на будівельні конструкції будівель і споруд. Крім того, при зниженні відцентрового прискорення ситових корпусів, що іноді є бажаним для забезпечення ефективності просіювання, спостерігається недостатньо ефективна робота інерційних очищувачів. Зазначений негативний ефект особливо проявляється при використанні сит з продовгуватими отворами. Ефективність більшості плоско-решітних сепараторів знаходиться у межах 60-80%.

Для виділення із зернової маси легкої і пилоподібної домішки, до якої відносяться щуплі і недорозвинені зерна, оболонки, полова, солома і т.д., призначені пневмосепаратори. Переважна більшість пневмосепараторів виконана у вигляді вертикальних каналів, в яких падаюча під дією сили тяжіння зернова маса продувається висхідним потоком повітря. За способом використання повітря розрізняють пневмосепаратори розімкненого і замкненого типу. Пневмосепаратори розімкненого типу використане повітря викидають у навколишнє середовище. Для цього вони додатково оснащуються повітроводами, зовнішнім вентилятором, циклонами або фільтрами. У пневмосепараторах замкненого типу після очищення повітря у вбудованій осадовій камері, він знову подається до зони пневмосепарування під дією вбудованого вентилятора. Процес пневмосепарування вимагає значної витрати повітря, що викликано необхідністю створення певних умов для виділення домішок. Тому пневмосепаратори замкнутого типу мають значні переваги, оскільки не забруднюють навколишнє середовище викидами і не вимагають для роботи потужних додаткових пристроїв. Ефективність очищення зерна від легких домішок у пневмосепараторах становить 65-75%.

Домішки, які не можуть бути виділені сито-повітряним способом, відносять до важко відокремлюваних. Для виділення домішок, які важко відділяються, призначені інші машини, які будуть розглядатися далі (Мал.2).

Видалення металомагнітних домішок проводиться шляхом використання різниці у магнітних властивостях зерна, його продуктів, домішок і реалізується за допомогою магнітів. Робочим органом магнітних сепараторів є група постійних магнітів, закрита екраном із немагнітного матеріалу і яка вбудована у корпус з дверцятами. Зернова маса самопливом надходить до магнітного сепаратора, обтікає екран, що затримує металомагнітні домішки, і самопливом виводиться з пристрою. При зупинці транспортно-технологічної лінії затримані і накопичені на екрані домішки періодично видаляють вручну. Металомагнітні домішки дуже різноманітні за розміром, формою і походженням: предмети, які випадково потрапили до зернової маси (цвяхи, шматочки металу, залізної руди, сталевої окалини і т.д.), і частки, що потрапили до зернової маси в результаті зносу робочих органів машин для переробки зерна (шматки решіт, ситові поверхні, бичі і т.д.). Присутність таких домішок у зерновій масі може призвести до тяжких поломок машин, а також до виникнення іскор, що створюють загрозу пожежі і пило-повітряної вибуху. Небажаним і небезпечним є потрапляння металомагнітних домішок у готову продукцію: борошно, крупи, комбікорми і т.д.

Мал.2. Машини для відділення важко відокремлюваних домішок.
1 - магнітний сепаратор; 2 - трієр; 3 - каміннєвідбірник; 4 - пневмостіл; 5 - оптична сортувалка.

Для відділення домішок, які відрізняються довжиною, застосовується обробка зерна у трієрах. У зерновій масі пшениці коротка домішка представлена в основному куколем, польовим горошком, битими зернами основної культури, а довга – вівсюгом, вівсом, ячменем. Якщо із зернової маси будь-якої культури відбирають домішки, які коротше, ніж сама культура, то такий трієр прийнято називати куколевідбірником. Якщо із зернової маси будь-якої культури відбирають домішки, які довший, ніж сама культура, то такий трієр прийнято називати вівсюговідбірником. Робочі органи трієрів представляють собою вічкувату поверхню, виконану на внутрішній стороні горизонтального циліндра, що обертається. Процес трієрування заснований на тому, що при контакті з робочою поверхнею, частки «захоплюються» вічками, виносяться із зернової маси і під дією сили тяжіння, падають до збірного лотка, а довгі залишаються на робочій поверхні і виводяться з машини. По відношенню до зерна будь-якої культури трієр-куколевідбірник конструктивно відрізняється від трієра-вівсюговідбірника виключно розмірами вічок його робочої поверхні. Ефективність трієрів- куколевідбірників становить 80-90%, а трієрів-вівсюговідбірників – 80-85%. Відповідно до діючих норм, трієрування вважається ефективним, якщо за один прохід трієр відокремлює не менше 80% домішки, яка може бути відділена таким способом.

Для відділення важких домішок і сепарування за питомою вагою, застосовується вібропневматичний спосіб, який реалізується у каміннєвідбірниках, пневмостолах, концентраторах, комбінаторах і ситовійних машинах. Процес поділу зернової маси відбувається шляхом використання висхідного потоку повітря у поєднанні з коливаннями сортувальної поверхні. При такому способі частки зернової маси, перебуваючи у псевдозрідженому стані, зазнають багаторазові зіткнення між собою і сортувальною поверхнею, що призводить до їх інтенсивного самосортування. Розподіл проводиться таким чином, що нижні шари, які складаються з частинок більшої щільності, просіваються через сортувальну поверхню (концентратори, ситовійні машини) або спрямовуються нею у протилежну сторону руху частинок з меншою щільністю (каміннєвідбірники, пневмостоли). Концентратори, комбінатори і ситовійні машини використовуються при виробництві борошна, тому подальшій їх розгляд у межах даної роботи не є доцільним.

Каміннєвідбірники використовуються для виділення із зернової маси мінеральної домішки (галька, крупний пісок, шматочки руди, шлак, шматочки землі і т.д.), відрізняються високою продуктивністю, компактністю конструкції і ефективністю 98-99%.

У пневмостолах зерно можна розділити на кілька фракцій, що відрізняються за щільністю, а також при необхідності відокремити дрібні домішки – насіння бур'янів, биті зерна основної культури і т.п. Ефективність поділу у концентраторах попередньо очищеного зерна при виділенні його важкої фракції становить 60-80%. Крім того, додатково виділяється 0,2-0,3% відходів і щуплого зерна.

Головним недоліком машин, які реалізують вібропневматичний спосіб поділу, є використання повітря у кількості 450-600 м³ на 1 т зерна, яке викидається до навколишнього середовища після очищення від пилу. Тому перспективним напрямком удосконалення таких машин є впровадження до їх конструкції замкнутого руху повітря.

Сортування за оптичними ознаками, безперечно, є новою, передовою технологією, яка швидко розвивається. Однак, у промисловості вже є значний досвід використання оптичних сортувальників, який дозволяє визначити межі їх доцільного використання. Оптичний сортувальник – це машина, яка у якості ознак поділу, в основному, використовує різницю у кольорі поверхні і тим самим цінна, оскільки ніяка інша машина не використовує цей показник. Разом з тим, необхідно добре розуміти на скільки така ознака поділу відповідає меті очищення. Часто помилкою при використанні оптичних сортувальників є те, що за різницею у кольорі намагаються виділити те, що легко можна виділити простими і традиційними способами очищення, завдяки високій їх ефективності. Тому, використання оптичних сортувальників не є заміною традиційних способів очищення альтернативними або більш ефективними способами, а раціональним їх доповненням. Виходячи з практики, використання оптичних сортувальників доцільно на фінішній операції очищення окремих партій насіння і готової продукції.

З виконаного огляду видно, що різноманітність процесів і машин для очищення визначається різноманіттям фізико-механічних властивостей зерна і домішок. Крім того, сучасна організація ефективного очищення передбачає її багатоетапність. Залежно від кондицій зернової маси і цілі очищення розрізняють попереднє, первинне і вторинне очищення.

Попереднє очищення, в основному, використовується у межах післязбиральної обробки зерна і являє собою виділення грубих, дрібних, великих і легких домішок. Свіжозібраній зерновій масі характерна висока вологість і засміченість, що визначає її низьку сипкість, скважистість і викликає загрозу самозігрівання. Дана проблема особливо гостро виникає при збиранні пізніх культур – соняшнику і кукурудзи. Як правило, значна вологість зернової маси обумовлена ​​високою вологістю певної її складової – залишками рослин. Тому, завданням попереднього очищення є швидке видалення вологих домішок, що забезпечує тимчасове зберігання зерна перед сушінням і надання йому сипучості для можливості виконання даної операції. Як було відзначено, для вирішення такого завдання найбільш ефективним є використання ситових барабанних сепараторів, агрегатованих з пневмосепараторами (Мал.1. I и II).

Метою первинного очищення є доведення якості зерна до товарної кондиції. Таке очищення являє собою видалення легких, великих і дрібних домішок, що також виконується у сито-повітряних сепараторах. У рамках даного етапу ретельному очищенню підлягає сухе зерно з вмістом смітної домішки в межах 3-10%, що вимагає високої ефективності роботи сепараторів, а значить істотних розмірів площі їх ситової поверхні. Таким вимогам відповідають плоско-решітні сепаратори, агрегатовані з пневмосепараторами, як на вході, так і на виході ситового кузова (Рис.1. III), або барабанні сепаратори, агрегатовані з пневмосепараторами (Мал. 1 II).

При неможливості забезпечення необхідного вмісту домішок шляхом одноразового очищення, застосовують повторне пропускання зерна через ту чи іншу сито-повітряну машину.

Вторинним очищенням доводять зерно до кондиції, яка відповідає вимогам використання на харчові цілі або на насіння. При виконанні вторинного очищення зерно може бути багаторазово оброблено також у плоско-решітних сито-повітряних сепараторах (Мал.1. III) або барабанних сепараторах (Мал. 1. II). Однак, оскільки необхідна ступінь очищення на етапі попередньої та первинної очистки досягається відділенням легко віддільної домішки, то у більшості випадків основним завданням вторинного очищення є боротьба з важковіддільними домішками. Виходячи зі складу та характеристик домішок, вторинна очистка може передбачати використання деяких, або всіх способів відділення важковіддільних домішок, які розглядалися раніше: поділ магнітами, трієруванння, вібропневматичний і оптичний способи (Мал.2). Як правило, вторинне очищення реалізують у складі ліній з виробництва борошна, крупи або насіння.

Слід зазначити, що продуктивність і ефективність очищення істотно залежить не тільки від рівня оснащення технологічних ліній машинами, а й від правильного підбору їх робочих органів (сит, вічкуватих поверхонь, інерційних очищувачів і т.д.) і налаштування режимів роботи машин для максимального використання ознак поділу основного зерна і домішок у кожному конкретному випадку виробничої ситуації.

Питання, критичні зауваження та пропозиції прошу надсилати на адресу:
E-mail: olis88@ukr.net