Вопросы эффективности технологического процесса разделения сыпучих материалов актуальны для целого ряда отраслей промышленности: горно-обогатительной, фармацевтической, порошковой металлургии, зерноперерабатывающей отрасли, сельского хозяйства. Компоненты исходной смеси могут отличаться друг от друга по целому ряду признаков, и от того, насколько правильно разработан технологический процесс сепарирования, зависит в целом эффективность всего производства того или иного продукта.

Выбор рабочего органа для разделения зернового материала должен осуществляться с учетом признака разделения, при котором делительная способность сепарирующего органа будет максимальна. При исследовании физико-механических свойств компонентов смесей применяются статистические методы, выражая результаты измерений в виде вариационных рядов или кривых, определяющих частоту того или иного признака. Анализ изменчивости признаков компонентов смеси дает возможность при выбранном рабочем значении признака определить ожидаемую степень ее разделения, т.е. делимость смеси [1].

Наиболее сложные задачи при сепарировании возникают при подготовке семян продовольственных и кормовых культур. Они обладают большим разнообразием физико-механических свойств, при этом в результате изменчивости видов с частью примесей различие имеется только по биологическим качествам. Пример вариационных кривых разделения двухкомпонентной смеси приведен на рис. Часть площади, ограниченной кривой 1 (наиболее ценный компонент в двухкомпонентной смеси – зерно основной культуры), перекрывается заштрихованной зоной на участке с интервалом Δ^΄. В этой зоне нельзя осуществить разделение по признаку X. Данную смесь в целом теоретически можно разделить на три фракции:

чистое зерно – часть основной массы зерен, соответствующая площади справа от прямой в-в;

примесь – часть примеси, соответствующая площади слева от прямой а-а;

смесь зерна с примесью – часть примеси и часть зерна, соответствующие площади, ограниченной прямыми в-в и а-а.

Теоретический критерий делимости двухкомпонентной смеси определяется выражением [1]

λ΄= 1 – S/100,
(1.1)

где S – сумма выходов (%) обоих компонентов, соответствующая площадям, ограниченным кривыми 1 и 2.

Н. Н. Ульрих, развивая статистические методы В. П. Горячкина, С. А. Васильева, Н. Н. Летошнева для определения делимости смесей, пришел к выводу о недостаточности изучения вариации каждого признака в отдельности и необходимости определения их корреляции. Сущность предложенного им метода заключается в применении корреляционных

Рисунок. Схема к определению критерия теоретической делимости двухкомпонентной смеси по одному признаку (1 – вариационная кривая распределения примеси; 2 – вариационная кривая распределения зерна основной культуры)

таблиц и корреляционных решеток для выбора технологической схемы очистки зерна [2]. Такой метод позволяет изучить возможность деления примесей и семян основной культуры в случаях перекрытия вариационных кривых по каждому признаку разделения в отдельности.

При анализе делимости одновременно по трем признакам критерий делимости будет определяться с помощью выражения [1]

λ΄= 1 – Δ΄₁·
Δ΄₂ ·Δ΄₃ (Δ΄₀₁ ·Δ΄₀₂ ·Δ΄₀₃)^-1, (1.2)

где Δ΄₁, Δ΄₂ , Δ΄₃ – условные объемы, численно равные сумме выходов заключенных в них двух компонентов смеси с одинаковыми значениями трех признаков;

Δ΄₀₁ , Δ΄₀₂ , Δ΄₀₃ - условные объемы, соответствующие интервалам каждого признака.

Приведенные критерии следует рассматривать как теоретически возможные и дающие качественную оценку процессу сепарирования. В практических условиях невозможно получить 100% разделения, и делительная способность рабочих органов может только приближаться к критерию теоретической делимости.

2.Анализ методов оценки эффективности сепарирования

В научных исследованиях для характеристики технологической активности используются различные критерии. Этим вопросам посвящены работы В. П. Горячкина, С. А. Васильева, Г. Т. Павловского, Г. Д. Терскова, В. А. Кубышева,
А.
Д. Малиса, В. А. Демидова и других ученых. Обобщающая работа в этом направлении выполнена В. М. Цециновским [1]. Формулы, однозначно определяющие эффективность разделения двухкомпонентной смеси в большинстве своем сводятся к выражению [1]

E_ф = (φ₁₁ – а₁) (а₁ - φ₁₁)[а₁(1 – а₁) (φ₁₁ – φ₁₂)]^-1, (2.1)

где а₁ – содержание первого компонента в исходной смеси в долях единицы;

φ₁₁ – содержание первого компонента в первой фракции;

φ₁₂ - содержание первого компонента во второй фракции.

При выводе данной формулы не учитываются физические свойства исходной смеси и делительная способность конкретных сепараторов. Предполагается, что при “идеальном разделении” предельная чистота обеих фракций должна быть равна единице, хотя практически 100% разделение неосуществимо.

Предложенный М. Е Летошневым метод [3] основывается на кривых распределения исходного материала и получаемых фракций и более точен. Однако его применение ограничивается отсутствием высокоэффективного лабораторного классифицирующего оборудования. В. М. Цециновским [1] предложено оценивать технологическую эффективность сепарирования n – компонентной смеси на n фракций выражением

Е_n = ∑ W_i (φ_ii – а_i) / (а_ii - а_i), (2.2)

где W_i - выход i – ой фракции в долях единицы;

φ_ii – содержание i –го компонента в i – той фракции или фактическая чистота фракции в долях единицы;

а_i – содержание i -го компонента в исходной смеси в долях единицы;

а_ii - содержание i -го компонента в i -й фракции при предельном разделении или предельная чистота фракции в долях единицы.

Слагаемые в выражении (2.2) представляют собой произведение количественного эффекта (W_i) на качественный эффект. Каждое из слагаемых характеризует частный эффект сепарирования каждой из фракций.

Таким образом, приведенная зависимость позволяет определять технологическую эффективность сепарирования при условии, если известны выходы и чистота полученных фракции, а также чистота фракций предельном сепарировании.

3. Энергетический анализ технологического процесса сепарирования

Применяемые в настоящее время методы оценки эффективности технологического процесса производства продукции по затратам труда и экономическим показателям (приведенные затраты, рентабельность и др.) в ряде случаев недостаточны, так как зависят от ценообразования, и не позволяют установить уровень необходимых затрат энергии на производство продукции. Возрастающий дефицит энергии и необходимость использования сравнимых параметров требуют наряду с традиционными методами оценки эффективности технологий процессов учета энергетических затрат на производство каждого вида продукции [ 4, 5]. В связи с этим настоящее время формируется новая область знания – теория биоэнергетической оценки и энергетического анализа [6, 7, 8].

Энергетический анализ – область исследований, в которой предметы, средства производства и результаты труда оцениваются затратами энергии.

За основной критерий энергетической оценки технологий возделывания сельскохозяйственных культур принимают показатель энергетической эффективности. Он учитывает прямые и косвенные (овеществленные) затраты энергии, необходимые для производства продукции, а также энергию, которая содержится в конечном продукте. Энергетическая эффективность технологии определяется выражением

R_Э = П_Э / Е_СТ, (3.1)

где П_Э – энергия, содержащаяся в конечном сельскохозяйственном продукте;

.(1-37)

СМ ,

Е_ст=Е_пс+(Е_ж4Е_м)/х/_с

С_пс – прямые затраты энергии, мДж/т; F – затраты живого труда, мДж/ч;

Е_СТ – полные энергозатраты на ее производство продукта.

Применительно к технологии послеуборочной обработки зерна совокупные или полные энергозатраты (энергоемкость) на осуществление технологического процесса очистки зерна в мДж/т определяются выражением [164]

Е_СТ = Е_nc + ( Е_ж + Е_М) / W_СМ, (3.2)

где Е_nc – прямые затраты энергии, мДж/т;

Е_ж – затраты живого труда, мДж/ч;

Е_М – энергоемкость оборудования, мДж/ч;

W_СМ – сменная производительность оборудования, т/ч.

Приведенные зависимости позволяют осуществлять сравнительный анализ различных технологических процессов при очистке зерна с учетом энергетических затрат на их осуществление.