Электрогидравлическая обработка отходов мукомольного производства в технологии получения биоэтанола
На правах рукописи
Головинов Николай Валентинович
ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ОТХОДОВ
МУКОМОЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА В ТЕХНОЛОГИИ
ПОЛУЧЕНИЯ БИОЭТАНОЛА
Специальность 05.20.02 – Электротехнологии и
электрооборудование в сельском
хозяйстве
Автореферат
диссертации на соискание учной степени
кандидата технических наук
Зерноград – 2010 2 Диссертационная работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия».
Научный руководитель: член-корреспондент РАСХН, доктор технических наук, профессор Таранов Михаил Алексеевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Ерошенко Геннадий Петрович кандидат технических наук, профессор Чеба Борис Павлович
Ведущая организация: ФГОУ ВПО Ставропольский государственный аграрный университет (г. Ставрополь)
Защита состоится «30» декабря 2010 г. в 10 часов на заседании диссерта ционного совета ДМ 220.001.01 при ФГОУ ВПО «Азово-Черноморская госу дарственная агроинженерная академия» по адресу: 347740, г. Зерноград Рос товской области, ул. Ленина 21, аудитория 201, корп. 5.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО АЧГАА.
Автореферат разослан «_»2010 г.
Учный секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор Н.И. Шабанов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Крахмало- и целлюлозосодержащие отходы сельскохозяйственного производства и процессов переработки его продук ции, а в частности отходы мукомольного производства, ввиду относительно низкой стоимости и высокого содержания гидролизуемой части являются ценным сырьевым материалом для получения биоэтанола.
Включение в технологическую линию производства биоэтанола раз личных электрофизических способов предварительной обработки крахмало и целлюлозосодержащего сырья (КЦС) обеспечивает снижение энергозатрат на стадии тепловой обработки или разваривания. Использование электрогид равлического эффекта (ЭГЭ) на стадии предварительной обработки приводит к быстрому разжижению крахмалистой части и к деструкции кристалличе ской структуры целлюлозы, которая создает физический барьер для возмож ных точек контактов гидролитических ферментов.
Разработка электрогидравлического (ЭГ) способа обработки КЦС в технологии производства биоэтанола является актуальной и его практическое применение будет способствовать снижению себестоимости данного вида биотоплива.
Цель и задачи исследования. Цель работы повышение эффективно сти предварительной обработки сырья при производстве биоэтанола путем использования ЭГЭ для разрушения клеточной структуры крахмала и целлю лозы в отходах мукомольного производства.
В задачи исследований входило:
1. Анализ существующих способов и технических средств предвари тельной обработки КЦС в технологических линиях получения биоэтанола.
2. Разработать и обосновать способ ЭГ воздействия на КЦС при пред варительной обработке и разваривании в технологических линиях получения биоэтанола.
3. Провести теоретический анализ и экспериментальные исследования основных параметров и режимов импульсного ЭГ воздействия на КЦС.
4. Провести экспериментальные исследования процесса ЭГ обработки КЦС.
5. Оценить технико-экономический эффект при использовании ЭГ спо соба обработки отходов мукомольного производства в технологии получения биоэтанола.
Объектом исследования является ЭГ обработка КЦС на стадии разва ривания в технологических линиях получения биоэтанола.
Предмет исследования – закономерности влияния режимов высоко вольтной электрогидравлической обработки КЦС на процесс ферментации в технологии производства биоэтанола.
Методы исследования. Использовались электрофизическая теория импульсных разрядов в жидких средах, аналитические и экспериментальные методы, теория планирования эксперимента, методы математической стати стики с применением современного программного обеспечения и графиче ских средств персональных компьютеров. Экспериментальные лабораторные исследования высоковольтного импульсного разряда в рабочих жидких сре дах КЦС.
Научную новизну работы составляют:
- ЭГ способ предварительной обработки КЦС при производстве био этанола;
- результаты экспериментальных исследований по ЭГ обработке отхо дов мукомольного производства для получения биоэтанола;
- параметры и режимы высоковольтной ЭГ обработки КЦС.
Новизна технических решений защищена пятью патентами Российской Федерации на изобретения и полезные модели.
На защиту выносится:
- способ импульсного ЭГ воздействия на КЦС из отходов переработки зерновых культур при производстве биоэтанола;
- режимы работы установки для ЭГ обработки КЦС;
- регрессионные модели целевого показателя стадии ферментации КЦС при ЭГ обработке.
Практическая ценность. Обоснован и исследован способ импульсно го электрогидравлического воздействия на КЦС отходов процессов перера ботки сельскохозяйственной продукции, обеспечивающего снижение фер ментных препаратов и уменьшение энергозатрат на стадии разваривания.
Реализация работы. ЭГ обработка отходов мукомольного производст ва внедрена на технологическом оборудовании для получения биоэтанола в ОАО «Ростовремагропром».
Апробация. Основные положения диссертационной работы доложены и получили одобрение на научно-практических конференциях ФГОУ ВПО Азово-Черноморской государственной агроинженерной академии (г. Зерно град, 2008-2010 г.г.), ФГОУ ВПО Санкт-Петербургского государственного аграрного университета (г. Пушкино, 2008 г.), ФГОУ ВПО Ставропольского ГАУ (г. Ставрополь, 2009 г.), ГНУ ВНИПТИМЭСХ (г.Зерноград, 2009 г.), ФГОУ ВПО Челябинского ГАУ (г. Челябинск, 2009 г.) и ФГОУ ВПО Сара товского ГАУ (г. Саратов, 2010 г.), в ФГОУ ВПО Южном федеральном уни верситете по программе «Участник молодежного научно-инновационного конкурса 2010» (УМНИК-2010, г. Ростов-на-Дону).
Публикации. Основные результаты исследования опубликованы в работах, в их числе 2 публикации в изданиях, рекомендованных ВАК Мини стерства образования и науки РФ, и 5 патентов РФ на изобретения и полез ные модели.
Объм работы.
Работа содержит введение, пять глав, общие выводы, список литературы из 121 наименования и приложения. Она изложена на странице, включает 57 рисунков и 22 таблицы.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформули рована е научная новизна, приведены методы исследования и положения, выносимые на защиту.
В первой главе «Аналитический обзор и задачи исследования» дана оценка отходам мукомольного производства из зерновых культур. Подчерки вается, что наиболее привлекательным в производстве биоэтанола является использование агропромышленными предприятиями в качестве крахмали стого и целлюлозосодержащего сырья отходов производства и процессов пе реработки продукции. Пшеничные отруби и вентиляционные относы муко мольного производства могут рассматриваться как наиболее удобные сырье вые материалы, так как они содержат гидролизуемую часть в размерах соиз меримых с содержанием крахмала в традиционных видах сырья (зерно пше ницы или кукурузы) для получении биоэтанола.
Предварительная обработка сырья является неотъемлемым и важным участком технологии производства биоэтанола, имеет большую энергоем кость, при этом до 40% всех энергозатрат приходится на этот участок. Ин тенсификация процесса предобработки КЦС и его разваривания представляет не только практический, но и большой научный интерес.
Среди методов предобработки сырья ЭГ способ обладает ударным или взрывным механизмом воздействия на крахмало- и целлюлозосодержащие субстраты, что облегчает проведение ферментативного гидролиза в техноло гических линиях производства биоэтанола.
Большой вклад в развитие теоретических и экспериментальных иссле дований по использованию электрофизических способов обработки различ ных сельскохозяйственных материалов и сред внесли И.Ф. Бородин, Л.Г. Прищеп, Н.В. Ксенз, Д.С. Стребков, Ф.Я. Изаков, В.И. Тарушкин, М.А. Таранов, С.В. Вендин, А.Н. Васильев, Н.М. Симонов и др.
Изучением процессов ЭГ воздействия в жидких средах занимались Л.А. Юткин, Ю.Е. Шамарин, К.А. Наугольных, Е.В. Кривицкий, И.А. Потапенко и др.
Научная гипотеза. Повышение эффективности переработки КЦС, в том числе отходов мукомольного производства, в биоэтанол может быть дос тигнуто путем ЭГ воздействия на их целлюлозную составляющую, что при ведет к увеличению ее реакционной способности к ферментации за счет сни жения физического барьера для возможных точек контактов осахаривающих ферментов и как следствие к снижению энергозатрат на предварительную обработку сырья и количества необходимых ферментных препаратов.
Рабочая гипотеза. Увеличение реакционной способности к фермента ции и как следствие снижение энергозатрат и необходимых ферментных пре паратов при переработке отходов мукомольного производства в биоэтанол возможно за счет импульсного высоковольтного разряда в водных растворах отходов при их ЭГ обработке.
Сформулирована цель и задачи исследования.
Во второй главе «Теоретические исследования электрогидравлической обработки крахмало- и целлюлозосодержащего сырья» рассмотрены особен ности работы электрической цепи при высоковольтной ЭГ обработке, полу чены зависимости потерь энергии в предпробойной стадии от величины ме жэлектродного промежутка и вида субстрата, произведен расчет гидродина мического КПД ЭГ разряда.
Конструктивная комплектация ЭГ установки схематически представ лена на рисунке 1.
ПУ Рисунок 1 – Схема ЭГ уста Р новки: ЗУ – зарядное устрой ство;
С – конденсаторная ба К тарея;
И – искровой промежу И ток;
Р – резервуар с жидким П затором;
ПУ – перемеши З C вающее устройство;
Э – элек У Э троды;
К – канал разряда.
Электрофизическое воздействие на частицы используемого КЦС рас смотрено при помощи спектральной теории турбулентности. В импульсах ЭГ разряда выделяются крупномасштабные пульсации и микропульсации. Если крупномасштабные пульсации приводят только к колебаниям скорости обте кания жидкостью поверхности микрочастиц измельченного сырья, а микро пульсации вызывают турбулентные процессы, ведущие к качественным из менениям в околоклеточной и внутриклеточной зонах микрочастиц вплоть до их деления или разрушения.
Эффективное ЭГ разрушительное воздействие следует ожидать только в той части диапазона величин импульса энергии, в котором масштаб пульса ций соизмерим с размерами частиц КЦС. Причем энергия диссипации зави сит от электрических параметров ЭГ установки, а именно – от емкости кон денсаторной батареи C и от рабочего напряжения U. Масштаб турбулентно сти при ведении ЭГ обработки определяется через удельную энергию им пульсного электрического разряда в рабочей жидкости o km, (1) w где km – коэффициент вида материала или обрабатываемой среды, определяется в каждом случае индивидуально и с учетом физико химических свойств, этот коэффициент является эмпирическим и может быть определен экспериментально;
– кинематическая вязкость, м2/с;
w – удельная энергия импульсного разряда в обрабатываемую среду, Дж/(кг·с), Wр.ц.
w, (2) t m kwCU Wр.ц. – энергия импульсного разряда в рабочем объме, Дж;
kw – коэффициент потерь энергии до рабочей камеры;
C – емкость зарядного конденсатора, Ф;
U – напряжение разряда, В;
t n – время обработки замеса из КЦС (n – количество 2 f разрядных импульсов, f – частота заполнения импульса давления при ЭГ разряде, Гц);
m – масса обрабатываемой жидкой среды, кг.
В конечном виде выражение (1) примет вид 3 nm o km. (3) kw C U f Ударная волна от ЭГ разряда имеет сферический фронт, и распростра няясь в жидком заторе из КЦС, затухает по экспоненциальному закону рх = рmax ехр(– х), (4) где – амплитудный коэффициент поглощения звуковой волны;
х – расстояние от центра разряда до контрольной точки.
Расчеты показали, что ЭГ обработка замеса из вентиляционных отно сов проходит при большем затухании амплитуды ударной волны, чем для за меса из измельченных отрубей (рисунок 2). Это объясняется появлением вяз костного трения при клейстеризации крахмала в относах, а в отрубях при ЭГ обработке вязкость любого затора снижается и разрушающее действие удар ной волны распространяется с меньшим затуханием от места разряда.
Рисунок 2 – Результаты рас чета изменения амплитуды Амплитуда давления ударной волны, о.е.
б) ударной волны от эпицентра разряда до рассматриваемой точки: а) для крахмалистого а) замеса из вентиляционных относов;
б) для измельчен ных отрубей.
Расстояние от источника до контрольной точки, м Основным физическим фактором, определяющим влияние ЭГЭ на КЦС, является величина импульсного давления во фронте ударной волны, а также длительность его воздействия. Мощность ударной волны в значитель ной степени определяется величиной межэлектродного промежутка, от кото рого также зависит скорость ввода энергии в канал и амплитуда импульса давления, причем последняя играет основную роль в разрушении частицы КЦС, что значительно облегчает и ускоряет дальнейшее осахаривание перед брожением в этанол.
Энергия, накопленная батареей конденсаторов, идет непосредственно на формирование канала разряда, а часть ее теряется как в электрической це пи, так и внутри разрядной емкости. Энергетический баланс представляется суммой элементов, показанных на рисунке 3.
Рисунок 3 – Энергетический баланс ЭГ уста новки: Wэл.цепь – потери энергии в электрической Wсжат Wэл.цепь цепи;
Wп.п. – энергия формирования пробоя Wпотерь Wтеп (предпробойные потери);
Wтеп – потери энергии на теплопроводность;
Wпар – энергия образова Wсвет ния парогазовой полости;
Wсвет – энергия све тового излучения, в котором до 90% приходит ся на УФ лучи, 8% - на видимые лучи, 2% - на Wпар инфракрасные лучи;
Wпотерь – потери энергии в парогазовой полости, Wсжат – энергия импульса Wп.п.
сжатия.
При ЭГ разряде предпробойные потери доходят до 40% всех потерь. Минимизировать эти потери возможно за счет снижения рабочего напряжения ЭГ установки до уровня удобного с эксплуатационной точки зрения для агропромышленного производства, а также с учетом стандартных напряжений импульсных малоиндуктивных раз рядных конденсаторов. В этой связи при ЭГ обработке заторов из КЦС в тех нологии получения биоэтанола может быть рекомендовано рабочее напряже ние до 10 кВ.
Для получения наибольшего акустического КПД, характеризующегося долей исходной энергии, передаваемой ударной волне, режим разряда дол жен быть близок к критическому. При этом межэлектродный промежуток и механизм разряда близок к границе лидерно-теплового пробоя, ко торый происходит при наибольших значениях обоих КПД, кроме того пред почтительно чтобы разряд происходил в большей степени в лидерной зоне.
Это условие обеспечит получение и максимальных амплитуд импульсов дав ления в водной среде, оказывающих разрушающее воздействие на крахмало и целлюлозосодержащие материалы.
Во время эксплуатации ЭГ установки из-за эрозии электродов, механи ческого смещения и т.п., происходит изменение межэлектродного промежут ка, что приводит к снижению а. Результаты расчета зависимости акустиче ского КПД от величины предельного межэлектродного промежутка * (гра ница лидерно-теплового пробоя) при разных значениях напряжения начала разряда U0 приведены графически на рисунке 4 на основании использования следующей зависимости * 0,06U 02 8 C. (5) Данный расчет проведен при индуктивности цепи разряда L=1,8 мкГн, а также C=(1, 2, 3, 4) мкФ и U0=(5, 6, 7, 8, 9, 10) кВ.
Рисунок 4 – Графики зави симости а=f(*) при разных Акустический КПД, % значениях U0: 1 - U0=5 кВ;
2 - U0=6 кВ;
3 - U0=7 кВ;
4 - U0=8 кВ;
5 - U0=9 кВ;
6 - U0=10 кВ.
Граница лидерно-теплового пробоя, мм Анализ графических зависимостей на рисунке 4 показывает, что в слу чае необходимости увеличения напряжения разряда следует проводить кор ректировку в сторону повышения межэлектродного промежутка с целью обеспечения пограничного механизма лидерно-теплового пробоя. Такая кор ректировка может составить ±1 мм на каждый киловольт разрядного напря жения. При этом реальное отсутствие такой корректировки на практике при ведет к резкому снижению акустического КПД и соответственно импульсно го давления ударной волны.
Также была проведена математическая оценка влияния на акустиче ский КПД разрядного напряжения и величины накопительной емкости, с це лью обоснования диапазона изменения последней. Эта оценка представлена графически на рисунке 5, где показано, что увеличение емкости конденса торной батареи с 1 до 4 мкФ снижает акустический КПД практически в два раза, поэтому имеет место необходимость работы с малыми емкостями для достижения более высокого акустического КПД при ЭГ обработке КЦС в технологии поучения биоэтанола.
В третьей главе «Программа и методика проведения лабораторных и производственных экспериментальных исследований ЭГ обработки в техно логии получения биоэтанола» составлена программа исследований по опре делению эффективности предварительной ЭГ обработки КЦС для производ ства биоэтанола, определены особенности выполнения лабораторных иссле дований.
Экспериментальные исследования проводились с целью проверки тео ретических предположений о наличии соответствия масштаба пульсаций ЭГ обработки размерам частиц КЦС, влиянии электропроводности водных зато ров из КЦС на потери в предпробойной стадии и энергетическую эффектив ность ЭГ обработки, влиянии величины разрядного напряжения и промежут ка на амплитуду давления ударной волны в заторе из КЦС, проверке гипоте зы о том, что ЭГ воздействие на отходы процессов переработки сельскохо зяйственной продукции приводит к разжижению крахмалистой части и дест рукции целлюлозной составляющей отходов.
Рисунок 5 – Поверхность откли ка, характеризующая значение акустического КПД а в зависи мости от накопительной емкости Акустический КПД, % и напряжения заряда.
При проведении экспери ментальных исследований по осахариванию сложных субстра Напря- тов, к которым относится КЦС из жение, отходов мельничного производ кВ ства, использовались комплекс Емкость, мкФ ные ферментные препараты оте чественного производства. На стадии разжижения крахмала в отрубях и в вентиляционных относах применялся ферментный препарат Амилосубтилин Г3х, а для осахаривания – Глюкаваморин Г3х, при этом целлюлозная часть в отрубях осахаривалась комплексным препаратом ЦеллоЛюкс-А. Отличи тельной особенностью этих ферментов является низкая температура действия (до 70 °С). Для эффективного осахаривания целлюлозы в отрубях была по ставлена задача о необходимости проведения дополнительного тонкого из мельчения пшеничных отрубей перед ЭГ обработкой с целью обеспечения дополнительной максимально возможной деструкции целлюлозы, а также разработана методика определения гранулометрического состава мельнич ных отходов с использованием камеры Горяева.
Выбраны основные технические средства для определения энергетиче ских параметров при ЭГ обработке КЦС и поставлена задача проведения ис следований по определению электропроводности заторов из отходов мель ничного производства.
Определение величины гидродинамического давления, возникающего при высоковольтном электрическом разряде в производственном заторе мо жет быть произведено с помощью пьезоэлектрического датчика давления ти па 014МИ, который технически предназначен для преобразования быстропе ременного и импульсного давления в электрический сигнал.
С целью минимизации предпробивных потерь в ЭГ обработке необхо димо стремиться к использованию воды с наименьшей электропроводностью, что позволит обеспечить наибольшую амплитуду ударной волны при разру шении клейстеризованного крахмалистого замеса при производстве биоэта нола.
Представлена методика определения содержания целевого продукта осахаривания – глюкозы после ЭГ обработки и ферментативного гидролиза, основанная на зависимости показателя преломления светового луча от кон центрации сахаристых веществ с использованием рефрактометра ИРФ-454Б.
Разработана лабораторная база для проведения исследований по ЭГ об работке КЦС, основное оборудование которой представлено на рисунке 6, кроме того, обработка информации от первичных датчиков осуществлялась с помощью компьютеризированного измерительного комплекса на основе цифровых осциллографов АСК-3106 и АСК-3102.
Проведено априорное ранжирование факторов, влияющих на эффек тивность ЭГ обработки отходов мукомольного производства отдельно для вентиляционных относов и отрубей в технологии получения биоэтанола, а также определены значимые факторы и их интервалы варьирования.
В качестве основных факторов в модели были использованы следую щие: X1 – количество разрядных импульсов, X2 – емкость накопительной ба тареи.
Для исследования эффективности воздействия ЭГ разряда на крахмало и целлюлозосодержащую часть затора из пшеничных отрубей (измельченные отруби) был выбран ротатабельный композиционный план второго порядка (таблица 1), выходной величиной являлась концентрация сахаров в замесе, при этом неизменной была температура Т=60 °С и концентрация разжижаю щего фермента -амилазы 25% от требуемого значения, исходя из того, что в отрубях содержится 30% крахмала. Опыты в каждой точке плана имели дву кратную повторность. Напряжение разрядных импульсов выдерживалось в диапазоне 9,67…9,81 кВ.
Математическая модель процесса ЭГ обработки, определяемая с помо щью методов планирования эксперимента, представляется в виде полинома второго порядка y B0 B1 X1 B2 X 2 B3 X12 B4 X 2 B12 X1 X 2, (6) где Bi – эмпирически определяемые коэффициенты.
При определении результата ЭГ воздействия на крахмалистую часть вентиляционных относов концентрация A разжижающего фермента амилазы принимала три значения: 5, 15, 25%, с учетом того, что в вентиляци онных относах содержится до 77% крахмала. Как и в предыдущем случае, эффективность ЭГ обработки оценивалась по двум входным факторам (таб лица 2), откликом выступала концентрация сахаров в замесе.
Показатель эффективности ЭГ обработки определялся по следующей зависимости C ЭЭГО гл 100%, (7) Cгл где Cгл – концентрация глюкозы в осахаренном заторе (сусле) после ЭГ обработки, %;
Cгл – содержание гидролизуемых углеводов в заторе, %.
В четвртой главе «Результаты лабораторных исследований и производ ственных испытаний» приведены результаты и анализ как экспериментальных исследований, так и производственных испытаний.
7 Рисунок 6 – Общий вид экспериментальной установки по исследованию про цесса ЭГ обработки КЦС: 1 – трансформатор 0,23/10 кВ;
2 – выпрямитель ный мост;
3 – блок резисторов;
4 – высоковольтный конденсатор;
5 – регули руемый воздушный промежуток;
6 – вентилятор;
7 – рабочая камера;
8 – пояс Роговского;
9 – датчик давления;
10 – электропривод перемешивающего уст ройства;
11 – датчик температуры;
12 – датчик разрядных импульсов;
13 – счетчик разрядных импульсов;
14 – нагревательное устройство;
15 – устрой ство управления ЭГ обработкой.
Таблица 1 – Значимые факторы и интервалы варьирования при исследовании эффективности ЭГ обработки затора из отрубей Интервал Фактор Xi варьирова- + - -1 0 + ния Число разрядных X1 300 476 600 900 1200 импульсов N Накопительная ем- X2 1,5 0,4 1 2,5 4 4, кость С, мкФ Проведенная лабораторная оценка гранулометрического состава отхо дов мукомольного производства и анализ результатов дополнительного из мельчения пшеничных отрубей показали, что эквивалентный диаметр соста вил: отруби 451,9 мкм;
измельченные отруби 42,1 мкм;
мука пшеничная тон кого помола19,7 мкм;
вентиляционные относы 14,8 мкм.
Таблица 2 – Значимые факторы и интервалы варьирования при исследовании эффективности ЭГ обработки затора из вентиляционных относов Интервал Фактор Xi варьирова- + - -1 0 + ния Число разрядных X1 200 117 200 400 600 импульсов N Накопительная ем- X2 1,5 0,4 1 2,5 4 4, кость С, мкФ При определении электропроводности водных растворов КЦС из мель ничных отходов были использованы два вида водной среды. Первый – это питьевая вода (водопроводная), поставляемая централизованно различным потребителям в Ростовской области, а второй – вода из артезианской сква жины (техническая), которая является характерной для подавляющего боль шинства таких скважин на предприятиях агропромышленного комплекса ЮФО России, отличительной особенностью такой воды является повышен ная жесткость и высокое содержание солей Ca и Mg, что в значительной сте пени определяет ее повышенную электропроводность.
Измерения с использованием кондуктометрической ячейки позволили получить зависимости удельной электропроводности от температуры суб стратов из пшеничных отрубей и вентиляционных относов, на основании че го были построены зависимости предпробивных потерь от величины межэ лектродного промежутка (рисунки 7, 8), рассчитанные по формуле 17,5U 02 Eкр Wп.п. ln, (8) Rvл U где – величина межэлектродного промежутка, м;
R – сопротивление разрядной цепи, Ом;
vл – скорость прорастания лидеров, м/с;
Eкр – критическая напряженность поля, В/м.
С целью минимизации предпробивных потерь в ЭГ обработке необхо димо стремиться к использованию воды с наименьшей электропроводностью, что позволит обеспечить максимальную амплитуду ударной волны при воз действии на замес из отходов мельничного производства, а также обеспечить ввод в канал разряда наибольшее количество энергии.
При проведении экспериментов по определению зависимости им пульсного давления от величины межэлектродного промежутка при различ ных разрядных напряжениях в качестве рабочих сред были взяты заторы из отрубей и вентиляционных относов. Емкость батареи конденсаторов состав ляла 1, 2 и 4 мкФ. Среднее напряжение разряда Uр варьировалось от 9,81 до 5,26 кВ для отрубей и от 9,67 до 5,03 кВ для вентиляционных относов в зави симости от величины регулируемого воздушного промежутка и емкости кон денсаторной батареи. Амплитуда импульсного давления в рабочей среде из мерялась при разных величинах межэлектродного промежутка, начиная с мм при шаге 0,5 мм до 5,5 мм. На рисунках 9 и 10 графически представлены результаты экспериментов для мкости 4 мкФ.
В результате анализа экспериментальных исследований установлена зависимость амплитуды импульсного давления от межэлектродного проме жутка при ЭГ обработке водного затора КЦС, которая выявила точки макси мального значения давления при определенных расстояниях межэлектродно го промежутка. Эти данные определяют выбор межэлектродного промежутка для проведения предварительной ЭГ обработки заторов из отходов муко мольного производства, исходя из максимума амплитуды ударной волны.
Рисунок 7 – Графики зависимо Величина предпробивных стей предпробивных потерь от Величина межэлектродного межэлектродного промежутка потерь, Дж промежутка, мм для двух сред: сплошная линия – «вода техническая+отруби»;
штриховая линия – «вода водо проводная+отруби»
Величина межэлектродного промежутка, мм Рисунок 8 – Графики зависимо Величина предпробивных стей предпробивных потерь от межэлектродного промежутка потерь, Дж для двух сред: сплошная линия – «вода техническая + вентиля ционные относы»;
штриховая линия – «вода водопровод ная+вентиляционные относы»
Величина межэлектродного промежутка, мм Уравнения аппроксимационных кривых (рисунки 9 и 10), полученные с помощью программы Microsoft Excel, имеют полиномиальный вид. Соответ ствие этих уравнений экспериментальным данным оценено с помощью ко эффициента детерминации R2.
При анализе результатов ЭГ обработки пшеничных отрубей с исполь зованием программы Statistica 6.0 была получена регрессионная модель зави симости концентрации глюкозы от входных факторов, которая в раскодиро ванном виде имеет следующий вид y 2,209 0,023N 8,7 106 N 2 1,481C 9,8 104 NC. (9) Графическая интерпретация выражения (9) представлена как в виде по верхности отклика y (рисунок 11), так и его двумерного сечения (рисунок 12).
Коэффициент детерминации модели составил R2=0,963.
Для нахождения максимальной концентрации глюкозы при входных параметрах С и N исследовалась поверхность отклика (рисунок 11) в про грамме MathCAD 2001 Professional. Уравнение регрессии имеет точку мак симума N=1183 и C=2,415 мкФ, при которых концентрация глюкозы достига ет своего наибольшего значения 13,6%. При этом, в соответствии с зависи мостью (7) эффективность ЭГ обработки пшеничных отрубей составила 79,1%.
На основании полученных экспериментальных данных для определе ния соответствия масштаба турбулентных пульсаций размерам частиц отру бей на основании зависимости (3) следует найти связывающий коэффициент km. Для пшеничных отрубей при dЭ=42,1 мкм, =0,2 Па·с, f=7300 Гц, n=1183, m=7,5 кг, C=2,4 мкФ, U=9,6 кВ, расчетное значение коэффициента km, связы вающего масштаб пульсаций и скорость диссипации энергии при вязкостном трении, составило 7,5·10 -2.
Рисунок 9 – Экспериментальные Амплитуда давления ударной зависимости амплитуды давле ния в заторе из отрубей от межэ лектродного промежутка для волны, 105 Па мкФ: – кВ, 1 Up=9, 4 3 p=-0,239 +2,658 -9,924 + +15,94+6,707, R2=0,922;
2 – Up=7,08 кВ, p=-0,5483+4,152 -7,614+18,76, R2=0,955;
3 – Up=5,26 кВ, p=-2,0282+7,334+ +12,84, R2=0,972.
Величина межэлектродного промежутка, мм Рисунок 10 – Экспериментальные 1 зависимости амплитуды давления в Амплитуда давления ударной заторе из вентиляционных относов от межэлектродного промежутка волны, 105 Па для 4 мкФ: 1 – Up=9,14 кВ, p=0,036 -0,635+5,0274 -19,633+39,812 -39,36+39,66, R2=0,992;
2 – Up=6, кВ, p=-0,1116+1,8085-11,774+ +39,233-70,212+65,22-2,268, R2=0,998;
3 – Up=5,03 кВ, p=-2,533 4+16,263-36,562+36,53+ +3,1, R2=1.
Величина межэлектродного промежутка, мм В результате обработки экспериментальных данных на ПК были полу чены регрессионные модели зависимости концентрации глюкозы от входных факторов при трех значениях концентрации разжижающих ферментных пре паратов.
ЭГ обработка вентиляционных относов является менее энергоемкой чем отрубей, требует меньшее количество разрядных импульсов, что объяс няется тем, что в относах отсутствует практически целлюлозная составляю щая. Эффективность ЭГ обработки вентиляционных относов определяется содержанием фермента -амилазы, так при А=5% наибольшая эффективность составила 47%, при А=15% – 63,7%, а при А=25% соответственно 96,6%.
Концентрация глюкозы Рисунок 11 – Поверхность от клика зависимости концентра y, % ции глюкозы в заторе из пше ничных отрубей от накопитель ной емкости С и числа разряд ных импульсов N Число разрядных Накопительная импульсов N емкость C, мкФ Накопительная емкость C, мкФ Число разрядных импульсов N Рисунок 12 –Двумерное сечение зависимости концентрации глюкозы в заторе из пшеничных отрубей от накопительной емкости С и числа разрядных импульсов N Аналогично пшеничным отрубям для вентиляционных относов при dЭ=14,8 мкм, =0,5 Па·с, f=7300 Гц, n=680, m=8 кг, C=3 мкФ, U=9,3 кВ можно рассчитать значение коэффициента km, которое составило 1,6·10 -2.
В результате производственного эксперимента было установлено, что ЭГ обработка заторов из отходов мукомольного производства приводит к по явлению эффекта разрушения и деструкции крахмальной и целлюлозной кле ток, что позволяет снизить расход ферментных препаратов на стадии разва ривания.
Концентрация глюкозы y, % емкость C, мкФ Накопительная 1, 0 2, 800 400 4, Число разрядных импульсов N Рисунок 13 – Поверхности отклика зависимости концентрации глюкозы в заторе из вентиляционных относов от накопительной емкости С и числа разрядных импульсов N при различном содержании -амилазы:
1 – А=25%, y=8,458+0,015N-6,8·10-6N2+1,715C-0,167C2-9,5·10-4NC, R2=0,989;
2 – А=15%, y=2,662+0,015N-6,5·10-6N2+1,656C-0,174C2-7,7·10-4NC, R2=0,984;
3 – А=5%, y=-0,197+0,011N+1,787C-0,179C2, R2=0,966.
В пятой главе «Технико-экономическая оценка эффективности элек трогидравлической обработки крахмало- и целлюлозосодержащего сырья при производстве биоэтанола» приведена технико-экономическая оценка эф фективности ЭГ обработки КЦС при производстве биоэтанола. Использова ние ЭГ обработки на стадии разваривания сырья из отходов мукомольного производства позволяет добиться снижения количества необходимых для разжижения крахмала ферментных препаратов и уменьшение энергозатрат на нагрев затора, при этом в условиях технологической линии производства биоэтанола объемом 3000 литров/сутки годовая экономия эксплуатационных затрат составит 274,04 тыс. рублей при чистом дисконтированном доходе – 1499,7 тыс. рублей.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 1. Разработан электрогидравлический способ предварительной подго товки крахмало- и целлюлозосодержащих отходов переработки зерновых культур в технологической линии производства биоэтанола на 30% снижаю щий энергозатраты при их разваривании и на 75% разжижающих крахмали стые вещества ферментных препаратов, кроме того производится деструкция целлюлозы, позволяющая провести ее осахаривание.
2. Электрогидравлическая обработка разрядом в зоне лидерно теплового пробоя межэлектродного промежутка в диапазоне 4…5 мм водных замесов с пшеничными отрубями и вентиляционными относами достигается путем генерирования импульсов давления с фронтом ударной волны до МПа разрядными конденсаторами до 4 мкФ и напряжении до 10 кВ.
3. Регрессионные математические модели электрогидравлической об работки пшеничных отрубей и вентиляционных относов в виде полинома второго порядка подтвердили функциональную связь концентрации глюкозы в обработанном замесе после осахаривания от емкости разрядного конденса тора и количества разрядных импульсов, максимум которой (13,6%) соответ ствует число разрядных импульсов 1183±60 и емкость конденсатора 2,4 мкФ, а при обработке вентиляционных относов рациональным для достижения наибольшего содержания сахаров в сусле является 600±30 разрядов при ем кости 3 мкФ.
4. Эффективность электрогидравлической обработки пшеничных отру бей составила 79,1%, вентиляционных относов – 96,6% (при 25% от требуе мого количества разжижающего ферментного препарата), а соответствующие им коэффициенты km, связывающие масштаб турбулентных пульсаций и ско рость диссипации энергии при вязкостном трении, равны 7,5·10 -2 и 1,6·10-2.
5. Технико-экономическая оценка показала, что годовая экономия экс плуатационных затрат при использовании электрогидравлической обработки отходов мукомольного производства из зерна пшеницы в малотоннажных технологиях получения биоэтанола может составить 274,04 тыс. рублей, чис тый дисконтированный доход –1499,7 тыс. рублей, при этом срок окупаемо сти дополнительных капитальных вложений составит 0,17 года.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:
а) в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:
1. Головинов, Н.В. К определению гидродинамического КПД электрогид равлического разряда в технологических линиях переработки сельскохозяйствен ной продукции и отходов производства [Текст] / М.А. Таранов, Н.В. Головинов // Нива Поволжья. – 2010. – №4.
2. Головинов, Н.В. Электрогидравлическая обработка пшеничных отрубей при производстве биоэтанола [Текст] / Н.В. Головинов // Механизация и электри фикация сельского хозяйства. – 2010. – № 4. – С. 21-22.
б) в сборниках научных трудов:
3. Головинов, Н.В. Использование пояса Роговского в электрогидроим пульсной обработке материалов [Текст] / Н.В. Головинов // Вестник Воронежского ГТУ. –2009. – Т.5. – №11. – С. 103-105.
4. Головинов, Н.В. Исследование электроимпульсных разрядов в производ ственных средах при получении биотоплива [Текст] / М.А. Таранов, Н.В. Головинов, В.В. Головинов // Сборник научных трудов международной науч но-технической конференции «Ресурсосберегающие технологии и инновационные проекты в АПК» / ГНУ ВНИПТИМЭСХ. – Зерноград, 2009. – С. 142-147.
5. Головинов, Н.В. Электроимпульсная обработка отходов сельскохозяйст венного производства при получении биоэтанола [Текст] / Н.В. Головинов, В.В. Головинов // Материалы XLVIII международной научно-технической конфе ренции «Достижения науки - агропромышленному производству» / ФГОУ ВПО ЧГАУ. – Челябинск, 2009. – С. 180-184.
6. Головинов, Н.В. Энергосберегающая технология обработки сырья в полу чении биоэтанола [Текст] / М.А. Таранов М.А., Н.В. Головинов // Материалы Меж дународной научно-практической конференции «Актуальные проблемы энергетики АПК» / ФГОУ ВПО СГАУ им. Н.И. Вавилова. – Саратов, 2010. – С. 317-320.
в) в патентах РФ на изобретения 7. Патент 2212449 Российская Федерация, МПК7 С 12 Р 7/06. Способ произ водства спирта из крахмалистого сырья [Текст] / Головинов В.В., Антошкин А.В., Ксенз Н.В., Головинов Н.В.;
заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО АЧГАА. – №2001110257/13;
заявл. 16.04.2001;
опубл. 20.09.2003. Бюл. №26. – 6 с.
8. Патент 2229519 Российская Федерация, МПК7 С 12 Р 7/06. Способ произ водства спирта из крахмалистого сырья [Текст] / Головинов В.В., Максимовский С.Н., Маклаков В.В., Маклакова Н.Н., Головинов Н.В., Добровольская О.С.;
заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО АЧГАА. – №2002109143;
заявл. 08.04.2002;
опубл. 27.05.2004. Бюл. №28. – 6 с.
9. Патент 22142 Российская Федерация. Гидрозатвор бродильного аппарата [Текст] / Головинов В.В., Бабенко А.А., Грунтовский И.С., Головинов Н.В.;
заяви тель и патентообладатель ФГОУ ВПО АЧГАА. – №2001121248/20;
заявл.
26.07.2001;
опубл. 10.03.2002. Бюл. №7. – 4 с.
10. Патент 93529 Российская Федерация, МПК G01F 11/28, G01F 13/00. Уст ройство для определения параметров спиртосодержащей жидкости [Текст] / Таранов М.А., Головинов Н.В., Головинов В.В.;
заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО АЧГАА. – №2009146830/22;
заявл. 16.12.2009;
опубл. 27.04.2010. Бюл.
№12. – 3 с.
11. Патент 93700 Российская Федерация, МПК В02С 25/00. Устройство для управления электрогидравлической установкой [Текст] / Таранов М.А., Головинов Н.В., Головинов В.В.;
заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО АЧГАА. – №2009148748/22;
заявл. 28.12.2009;
опубл. 10.05.2010. Бюл. №13. – 2 с.
Лицензия № ЛР 65-13 от 15.02.99.
Подписано в печать.11.2010 г.
Формат 6084/16. Уч.-изд. л. 1,2. Тираж 100 экз. Заказ №.
©РИО ФГОУ ВПО АЧГАА 347740 Зерноград, Ростовской области, ул. Советская, 15.