Верещинський О.П., доктор технічних наук, генеральний директор ТОВ «ОЛИС», м. Одеса
Будь-яка переробка зерна пов’язана з його очищенням домішок. Наявність домішок негативно впливає на ефективність зберігання зерна та його технологічні особливості, що призводить до зниження виходу та якості продуктів переробки. Тому операції з очищення займають центральне місце в післязбиральній обробці зерна. Технологічні процеси виробництва борошна, крупи, спирту, комбікормів, солоду також починаються з операцій із очищення. Зерно завжди містить домішки. Більшість домішок надходить у зернову масу під час збирання врожаю у вигляді різних анатомічних складових культурних рослин та бур’янів, шматочків ґрунту, комах тощо. Під час проведення операцій із зерном до його складу можуть потрапити різні випадкові предмети — каміння та пісок із майданчиків струмів та бетонних конструкцій елеваторів, металеві складові транспортних та зернопереробних машин. Будь-яке переміщення зерна пов’язане з інтенсивним тертям зернівок між собою, а також про 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 сміттєву та зернову. До сміттєвої домішки відносять насіння всіх бур’янів, домішки мінерального та 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 та тварин. Це насіння гірчака, в’язелі та зернівки основної культури, пошкоджені сажкою, ріжком, фузаріозом. Зерно, в якому міститься шкідлива домішка, не допускається для використання на харчові цілі. До зернової домішки відносять зернівки інших зернових культур, пошкоджені зернівки основної культури, щуплі, недорозвинені, пророслі та пошкоджені теплом зернівки, в деяких випадках зернівки, що відрізняються кольором. Домішки є небажаними складовими зерна, тому їх утримання, залежно від виду та призначення зерна, обмежується державними стандартами, рекомендується правилами організації та ведення різних технологічних процесів переробки, або встановлюється сторонами під час постачання.
Методи, що використовуються для очищення зерна, обумовлені ознаками поділу основного зерна та домішок. Більшість домішок, які є в зерновій масі, можна розділити на вісім класів, які визначають п’ять груп процесів їх відокремлення від основного зерна: грубі, крупні та дрібні – просіювання на ситах; легкі – пневмосепарація; металомагнітні – розподіл магнітами; довгі та короткі – трієрування; важкі – вібропневматичний спосіб; домішки, що відрізняються оптичними ознаками – оптичне сортування.
У виробничих умовах ефективність процесів очищення та машин, що її реалізують, визначається за такою формулою:
Е = (Х1 – Х2) / Х1,
де Х1 і Х2 – початковий і кінцевий вміст домішок в зерні, %.
Слід зазначити, що й оцінку ефективності очищення проводять окремих процесів і машин, то враховують початкове і кінцеве зміст лише домішок, які можуть бути виділені відповідним способом.
Домішки, що виділяються просіюванням на ситах та пневмосепаруванням, прийнято вважати легко відокремленими домішками. Для відділення таких домішок призначені ситові та повітряні сепаратори різної конструкції з їх з’єднанням у єдиний агрегат (Рис.1).
Рис.1. Сито-повітряні сепаратори.
I – барабанний скальператор (1) з пневмосепаратором розімкнутого типу (2);
II – барабанний сепаратор (3) із пневмосепаратором замкнутого типу (4);
III – плоскорешітний сепаратор (5) з пневмосепаратором замкнутого типу (6) та пневмосепаратором розімкнутого типу (7).
Очищення зерна від грубих домішок проводиться просіюванням через грати з великими отворами, яке виконують на початку технологічних ліній. Виділення таких домішок виключає аварійні ситуації через попадання в транспортні та технологічні машини великого каміння, цегли, деревини, коренеплодів тощо. Зазвичай для виконання такої операції використовується різновид ситових сепараторів – скальператори, які оснащені решетом у вигляді короткого барабана або рухомими ґратами.
Для поділу зерна та домішок, що відрізняються шириною та 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 суттєво залежить продуктивність та технологічна ефективність просіювання. Тому, разом із використанням традиційних сит, важливий пошук конструкцій сит із покращеними характеристиками. Наприклад, використання сит, які виготовлені з металевих стрижнів, металопробивних сит з довгастими отворами різної орієнтації у площині або п’ятикутними отворами. У багатьох випадках такі сита мають суттєві переваги.
Сепаратори з циліндричними ситовими поверхнями (барабанні сепаратори) відрізняються врівноваженістю ситового барабана, що обертається з малою частотою, надійністю конструкції, а також високою ефективністю очищення сит щітками та молотками. Однак, площа робочої поверхні сит таких машин становить близько 30% від загальної їхньої площі, що призводить до деякого збільшення габаритів конструкції. Разом з тим, циліндричні сепаратори є незамінними у роботі з вологим та сильно засміченим зерном. Сепаратори даного типу здатні ефективно і з високою продуктивністю переробляти слабо сипкі та схильні до стеження зернові маси. Крім того, використання барабанних сепараторів унеможливлює застосування скальператорів. Слід зазначити, 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 й великих домішок. Ефективність циліндричних ситових сепараторів знаходиться в межах 50-70%, а виділення грубих домішок – 100%.
Сепаратори з плоскими ситовими поверхнями (плоскорешітні 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 та крупозаводах, де відсутня потреба обробки потоків значної продуктивності. Сепаратори, що реалізують зворотно-поступальний рух сит, відрізняються складністю конструкції, тому обмежені у використанні. Їхнє 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 із значною площею ситової поверхні та мають широке поле застосування як на елеваторах, так і при переробці зерна. До недоліків плоскорешітних сепараторів відноситься деяке генерування динамічних навантажень на будівельні конструкції будівель та споруд. Крім того, при зниженні відцентрового прискорення ситових корпусів, що є бажаним для забезпечення ефективності просіювання, спостерігається недостатньо ефективна робота інерційних очищувачів. Зазначений негативний ефект особливо проявляється при використанні сит із довгастими отворами. Ефективність більшості плоскорешітних сепараторів знаходиться в межах 60-80%.
Для виділення із зернової маси легкої та пилоподібної домішки, до якої належать щуплі та недорозвинені зерна, оболонки, статі, солома тощо, призначені пневмосепаратори. Переважна більшість пневмосепараторів виконано у вигляді вертикальних каналів, в яких зернова маса, що падає під дією сили тяжіння, продується висхідним потоком повітря. За способом використання повітря розрізняють пневмосепаратори розімкнутого та замкнутого типу. Пневмосепаратори розімкнутого типу використане повітря викидають у навколишнє середовище. Для цього вони додатково оснащуються повітропровідниками, зовнішнім вентилятором, циклонами або фільтрами. У пневмосепараторах замкнутого типу після очищення повітря у вбудованій осадовій камері він знову подається в зону 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, тому що не забруднюють довкілля викидами і не вимагають для роботи потужних додаткових пристроїв. Ефективність очищення зерна від легких домішок у пневмосепараторах становить 65-75%.
Домішки, які можуть бути виділені сито-повітряним способом відносять до важковіддільним. Для виділення домішок, які важко відокремлюються, призначені інші машини, які розглядатимуться далі (Рис.2).
Видалення металомагнітних домішок проводиться шляхом використання різниці в магнітних властивостях зерна, його продуктів, домішок та реалізується за допомогою магнітів. Робочим органом магнітних сепараторів є група постійних магнітів, закрита екраном з немагнітного матеріалу та вбудована у корпус із дверцятами. Зернова маса самопливом надходить у магнітний сепаратор, обтікає екран, що затримує металомагнітні домішки та самопливом виводиться з пристрою. При зупинці транспортно-технологічної лінії затримані та накопичені на екрані домішки періодично видаляють вручну. Металомагнітні домішки дуже різноманітні за розміром, формою та походженням: предмети, що випадково потрапили в зернову масу (цвяхи, шматочки металу, залізної руди, сталевої окалини тощо) і частинки, що потрапили в зернову масу в результаті зносу робочих органів машин для переробки зерна (шматки решіт, ситові поверхні, бичі тощо). Присутність таких домішок у зерновій масі може призвести до важких поломок машин, а також виникнення іскор, що створюють загрозу пожежі та пило-повітряного вибуху. Небажаним та небезпечним є потрапляння металомагнітних домішок у готову продукцію: борошно, крупи, комбікорми тощо. Тому магнітний захист передбачений у всіх технологічних лініях з переробки зерна та в обов’язковому порядку перед машинами, що реалізують подрібнення, лущення, плющення, гранулювання тощо.
Рис.2. Машини для відокремлення домішок.
1 – магнітний сепаратор; 2 – трієр; 3 – каменевідбірник; 4 – пневмостіл; 5 – оптичний сортувальник
Для відділення домішок, що відрізняються довжиною, застосовується обробка зерна у трієрах. У зерновій масі пшениці коротка домішка представлена переважно кукілем, польовим горошком, битими зернами основний культури, а довга — вівсюгом, вівсом, ячменем. Якщо із зернової маси будь-якої культури відбирають домішка, яка коротша, ніж сама культура, то такий трієр прийнято називати куклевідбірником. Якщо із зернової маси будь-якої культури відбирають домішку, яка довша, ніж сама культура, то такий трієр прийнято називати вівсюговідбірником. Робочі органи трієрів є пористою поверхнею, виконаною на внутрішній стороні горизонтального циліндра, який обертається. Процес трієрування заснований на тому, що при контакті з робочою поверхнею частки «захоплюються» осередками, виносяться із зернової маси і під дією сили тяжіння, падають у збірний лоток, а довгі залишаються на робочій поверхні і виводяться з машини. По відношенню до зерна будь-якої культури трієр-кукілевідбірник конструктивно відрізняється від трієра-вівсюговідбірника виключно розмірами осередків його робочої поверхні. Ефективність трієрів-кукілевідбірників становить 80-90%, а трієрів-вівсюговідбірників – 80-85%. Відповідно до чинних норм, трієрування вважається ефективним, якщо за одним прохід трієр відокремлює не менше 80 % домішки, яка може бути відокремлена у такий спосіб.
Для відділення важких домішок та сепарування за питомою вагою, застосовується вібропневматичний спосіб, що реалізується в каменевідбірниках, пневмостолах, концентраторах, комбінаторах та ситових машинах. Процес поділу зернової маси відбувається шляхом використання висхідного потоку повітря в поєднанні з коливаннями сортувальної поверхні. При такому способі частинки зернової маси, перебуваючи в псевдозрідженому стані, зазнають багаторазових зіткнень між собою та сортувальною поверхнею, що призводить до їх інтенсивного самосортування. Поділ проводиться таким чином, що нижні шари, що складаються з частинок більшої щільності, просіюються через сортувальну поверхню (концентратори, ситовійні машини) або направляються по ній в протилежний бік руху частинок з меншою щільністю (камневідбірники, пневмостоли). Концентратори, комбінатори та ситовійні машини використовуються при виробництві борошна, тому подальший їх розгляд у рамках цієї роботи не є доцільним.
Камневідбірники використовуються для виділення із зернової маси мінеральної домішки (галька, великий пісок, шматочки руди, шлак, шматочки землі тощо), вирізняються високою продуктивністю, компактністю конструкції та 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 тощо. Ефективність поділу в концентраторах попередньо очищеного зерна виділення його важкої фракції становить 60-80%. Крім того, додатково виділяється 0,2-0,3% відходів та щуплого зерна.
Головним недоліком машин, що реалізують вібропневматичний спосіб поділу, є використання повітря в кількості 450-600 м3 на 1 т зерна, який викидається в навколишнє середовище після очищення від пилу. Тому перспективним напрямом удосконалення таких машин є впровадження в їхню конструкцію 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 як ознаки поділу, в основному, використовує різницю в кольорі поверхні і тим самим цінна, тому що жодна інша машина не використовує цю ознаку. Разом з тим, необхідно добре розуміти, наскільки 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 та 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 та машин для очищення визначається різноманіттям фізико-механічних властивостей зерна та домішок. Крім того, сучасна організація ефективного очищення передбачає її багатоетапність. Залежно від кондицій зернової маси та мети очищення розрізняють попередню, первинну та вторинну очистку.
Попереднє очищення, в основному, використовується в рамках післязбиральної обробки зерна і є виділенням грубих, дрібних, великих і легких домішок. Свіжозібраної зернової маси характерна висока вологість і засміченість, що визначає її низьку сипкість, шпаруватість і викликає загрозу самозігрівання. Ця проблема особливо гостро виникає при збиранні пізніх культур – соняшнику та 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 набуття ним сипучості для можливості виконання даної операції. Як було зазначено, для вирішення такого завдання найбільш ефективним є використання ситових барабанних сепараторів, агрегатованих з пневмосепараторами (рис.1. І та ІІ).
Метою первинного очищення є доведення якості зерна до товарної кондиції. Таке очищення є видаленням легких, великих і дрібних домішок, що також виконується в сито-повітряних сепараторах. У рамках аналізованого етапу, ретельному очищенню підлягає сухе зерно з вмістом бур’яну 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 пневмасепаромарами (Рис. 1 II).
При неможливості забезпечення необхідного вмісту домішок шляхом одноразового очищення застосовують повторний пропуск зерна через ту чи іншу сито-повітряну машину.
Вторинним очищенням доводять зерно до кондиції, що відповідає вимогам використання на харчові цілі або на насіння. При виконанні вторинної очистки зерно може бути багаторазово оброблено також у плоско-решітних сито-повітряних сепараторах (Рис.1. III) або барабанних сепараторах (Рис. 1. II). Однак, оскільки необхідний ступінь очищення на етапі попереднього та первинного очищення досягається відділенням легко відокремленої домішки, то в більшості випадків основним завданням вторинного очищення є боротьба з домішками, що важко відокремити. Виходячи зі складу та характеристик домішок, вторинна очистка може передбачати використання деяких або всіх способів відділення важковіддільних домішок, які розглядалися раніше: поділ магнітами, трієрування, вібропневматичний та оптичний способи (Рис.2). Як правило, вторинне очищення реалізують у складі ліній з виробництва борошна, круп або насіння.
Слід зазначити, що продуктивність та ефективність очищення істотно залежить не тільки від рівня оснащення технологічних ліній машинами, а й від правильного підбору їх робочих органів (сит, пористих поверхонь, інерційних очищувачів тощо) та налаштування режимів роботи машин для максимального використання ознак поділу основного зерна та домішок у кожному конкретному випадку виробничої ситуації.
Запитання, критичні зауваження та пропозиції прошу надсилати за адресою:
E-mail: olis88@ukr.net
