Кирпа Н.Я. Принципы и способы сепарирования зерновых масс

Кирпа Н.Я. Принципы и способы сепарирования зерновых масс / Хранение и переработка зерна. – 2011. – №4(142). – С.
33-36.
Кирпа Н.Я., доктор сельскохозяйственных наук, Институт зернового хозяйства НААН Украины
Публикация данной статьи вызвана рядом причин. Во-первых, исключительной важностью процессов сепарирования,
которое затрагивает практически все зерно. Во-вторых, достаточно солидной научной базой, в первую очередь
отечественной, накопленной по теории и практике сепарирования зерновых масс. В-третьих, пользователь информацией
должен получать ее в объективном формате, а не в виде коммерческого предложения субъективного порядка,
рекламирующего свою продукцию. Считаю, что в последнее время число таких предложений резко выросло в виде
технологий, технологических процессов, препаратов, приемов, оборудования, характеризующихся авторами как
исключительно новейшие и универсальные, улучшающие непременно комплекс количественно-качественных показателей.
Число таких предложений особенно велико в массовых и популярных изданиях, исповедующих свободу автора. В конечном
итоге страдает потребитель информации, когда не получает желаемого результата.
Исходя из этого, в статье представлены принципы и способы сепарирования, основанные на теории и практике
просеивания зерновых масс с желанием помочь в выборе оптимальных технологий и эффективных зерносепарирующих
устройств.
Сепарирование зерновых масс относится к важнейшим технологическим процессам, в наибольших объемах применяемым
на разных стадиях обработки зерна. На стадии первичной (послеуборочной) обработки с помощью сепарирования проводят
очистку, сортирование и калибрование зерна семенного и продовольственного назначения. На стадии глубокой обработки
(переработки) с помощью сепарирования просеивают и выделяют промежуточные зернопродукты для получения муки,
круп и других готовых изделий.
Для сепарирования используются технико-технологические принципы разделения зерновых масс, которые основаны на
различии физико-механических свойств отдельных компонентов, составляющих зерновую массу. К этим свойствам следует
отнести форму, размер, массу, удельную массу, парусность, упругость, состояние поверхности, цвет, электромагнитные
свойства, характеризующие зерно основное и примеси.
Несмотря на разнообразие свойств, в практическом сепарировании большей частью используют различия размеров, массы
и парусности. Эти признаки являются основой воздушно-ситового разделения, занимающего наибольшие объемы в
сепарировании зерна, особенно на стадии первичной обработки. Осуществляют воздушно-ситовое разделение с помощью
различных рабочих органов – решет пробивных, сеток тканых, поверхностей ячеистых, каналов аспирационных.
Другие признаки, например, форму и характер поверхности зерновки, ее удельную массу и упругость используют реже,
главным образом для обработки и обогащения зерновых масс, прошедших воздушно-ситовую сепарацию. Для такой
обработки применяют отражательные и гравитационные столы, фрикционные подвижные и неподвижные поверхности.
Различия цвета и электромагнитные свойства как признаки разделения зерновых масс имеют ограниченное применение в
процессах сепарирования отдельных культур, например, овощных, некоторых зерновых, трав. Несмотря на ограниченность,
эти признаки могут иметь перспективу для высокоточного сепарирования, особенно трудноразделяемых зерновых масс.
Теория сепарирования разработана достаточно полно и объясняет различные процессы разделения зерновых масс [1-5].
Наиболее важное практическое значение имеют процессы ситового, воздушного (аэродинамического) и гравитационного
сепарирования.
Процесс ситового сепарирования осуществляется в основном на плоском подвижном или цилиндрическом вращающемся
решете (в том числе колеблющемся). Просеивание ведется под воздействием взаимосвязанных сил прямолинейной или
центробежной инерции, а также тяжести. Признаками делимости являются параметры поперечного сечения, длины и
массы частиц. К факторам, обеспечивающим качественное ситовое сепарирование, относятся:
-
непрерывная и равномерная загрузка решет;
относительное движение просеиваемого материала вдоль подвижных решет (колеблющихся, вращаемых);
непрерывное выведение из зоны рассева продуктов просеивания;
непрерывная очистка отверстий решет.
Динамика процесса просеивания состоит из трех стадий: на первой формирование в нижних слоях потока фракции прохода
из частиц более крупных по размеру и тяжелых по удельному весу; на второй – просеивание фракции по крупности; на
третьей – сход и проход с решет частиц различной крупности.
Одной из разновидностей ситового сепарирования является просеивание зерновой массы на ячеистых (триерных)
поверхностях. На таких поверхностях частицы с одинаковым поперечным сечением разделяются по длине. Частицы разной
длины могут быть в виде зерна основного или примесей и выделяются в форме прохода или схода с ячеистой поверхности.
Процесс воздушного (аэродинамического) сепарирования осуществляется в пневматическом канале с вертикальным,
горизонтальным или наклонным воздушным потоком. Просеивание ведется под воздействием аэродинамических сил –
парусности и скорости витания частиц зерновой массы. Разные скорости витания компонентов зерновой смеси дают
возможность проводить их разделение воздушным потоком.
Однако динамика процесса аэродинамического сепарирования имеет свои особенности, которые необходимо учитывать в
технологиях обработки зерновых масс. Известно, что разделение зерновых смесей воздушным потоком зависит от многих
факторов: формы, размера и удельной массы зерновки, рабочей скорости пневмосепарации, концентрации зернового
потока в канале. Необходимо также учитывать взаимодействие частиц, находящихся в зерновом потоке во взвешенном
состоянии. В силу этих факторов при одной и той же рабочей скорости полного разделения зерновой смеси,
например, по признаку удельной массы не происходит – часть тяжелых частиц попадает в легкую фракцию,
и наоборот. Точно так же фракции с одинаковым удельным весом содержат частицы, различные по крупности. Поэтому
для повышения точности и четкости аэродинамического сепарирования его следует проводить на зерновой массе,
предварительно рассортированной на фракции по крупности на решетах.
Процесс гравитационного сепарирования осуществляется на пневматических сортировальных столах. Просеивание ведется
под воздействием гравитационных сил, создаваемых воздушным потоком и вибрацией. Признаками делимости являются
различие удельного веса частиц, составляющих зерновую массу, частично их форма и коэффициент трения.
Динамика процесса просеивания состоит из трех стадий: на первой – расслоение зерновой смеси и создание
псевдоожиженного (кипящего) слоя; на второй – относительное перемещение частиц с различным удельным весом в слое;
на третьей – движение частиц по различным траекториям сортировального стола. Внутри псевдоожиженного слоя легкие
частицы всплывают вверх, а тяжелые оседают вниз. На процесс перемещения частиц в значительной степени влияют
параметры псевдоожиженного слоя. Как и в случае аэродинамического сепарирования, точность и эффективность
гравитационного просеивания зависит также от крупности и формы частиц. Следовательно, лучшие результаты
гравитационного сепарирования достигаются при обработке зерновых масс, предварительно рассортированных на
фракции.
В перечисленных процессах сепарирования основные признаки делимости зерновых масс выбирают в зависимости от
режима их просеивания. В режимах очистки преимущественными являются признаки, разделяющие зерно основное и
примеси. В режимах сортирования, калибрования и обогащения большей частью используются признаки делимости зерна
основного.
К признакам деления основного зерна следует отнести показатели его размера, массы, плотности и скорости витания (табл.
1). Нетрудно заметить, что показатели варьируют в различной степени. Так, особенно варьируют линейные размеры
зерновки – ее ширина и толщина. Следовательно, эти признаки обеспечивают наиболее глубокое и точное просеивание в
процессах, направленных на получение выровненных и однородных фракций (сортирование и калибрование).
Таблица 1. Характеристика основных признаков делимости при сепарировании зерна различных культур
Культура
Пшеница
Рожь
Ячмень
Овес
Кукуруза
Горох
Рис
Просо
Гречиха
Подсолнечник
Размер зерновки, мм
длина
ширина
толщина
Масса
зерновки, мг
4,2-8,6
5-10
7-14,6
8-18,6
6,2-14
4-8,8
5-12
1,8-3,2
4,4-8
7,5-15
1,5-3,8
1,2-3,5
1,4-4,5
1,2-3,6
3-8
3,5-8
1,2-2,8
1-2,2
2-4,2
1,7-6
22-42
13-32
31-51
20-42
205-345
155
24-31
6-6,5
23,5
45-69
1,6-4
1,4-3,6
2-5
1,4-4
5-13
3,7-8
2,5-4,3
1,2-3
3-5,2
3,5-8,6
Плотность
зерновки,
г/см3
1,2-1,5
1,2-1,5
1,3-1,4
1,2-1,4
1-1,35
1,15-1,45
1,1-1,2
0,8-1,2
1,2-1,3
0,7-0,9
Скорость
витания, м/с
8,9-11,5
8,4-10
8,4-10,8
8-9
10-17
7-1,6
2,5-9,5
2,5-9,5
4-1,4
Выбор эффективных признаков делимости зависит также от биологических особенностей отдельных культур, которые
характеризуются индивидуальными параметрами зерновки и могут значительно различаться. Особенно нестабильны
физико-механические показатели зерновки – ее линейные размеры, масса, плотность, скорость витания у кукурузы и
подсолнечника. Их значительная разнородность связана с наличием различных генетических форм, широким сортовым
(гибридным) составом. Поэтому технология сепарирования этих культур должна быть более сложной, включать различные
признаки делимости и процессы просеивания с тем, чтобы получить выровненный, однородный материал.
Для выбора наиболее эффективных признаков, отвечающих особенностям сепарирования кукурузы, нами изучены
основные физико-механические свойства зерновки и их влияние на процесс просеивания, а также качество семенного
материала [6]. Прежде всего, выявлено различие физико-механических свойств в зависимости от генетической природы
кукурузы (табл. 2). Зерно гибридов было более крупным, тяжелым и прочным по сравнению с самоопыленными линиями.
Вследствие этого повышались прочность зерновки гибридов и скорость витания зерновой массы. На примере целого ряда
гибридов и линий подтверждается значительная нестабильность линейных размеров зерновки, особенно ширины и
толщины. Так, степень варьирования линейных размеров составляла 2,2-3,2 раза, а массы 1000 зерен, плотности и
скорости витания – 1,2-1,9 раза.
Отдельные гибриды также различались между собой по показателям физико-механических свойств зерновки и их
вариабельности (табл. 3). Наибольшая вариабельность отмечена среди линейных размеров: длины – 9,9%, ширины –
17,2%, толщины – 15,9%. В наименьшей степени колебался показатель плотности (удельной массы) зерновки – в пределах
1,2-1,23 г/см3. Масса 1000 зерен зависела от группы спелости гибрида и составляла у среднераннего (Кадр 267 МВ) – 265,4
г, среднеспелого (Днепровский 337 МВ) – 303,5 г, среднепозднего (Кадр 443 СВ) – 341,4 г.
Таблица 2. Физико-механические свойства зерна различных генетических форм кукурузы
Показатель
Единица измерения
Форма
гибриды
линии самоопыленные
Размер зерновки:
- длина
мм
6,1-14
5,4-12
- ширина
мм
5,1-12,7
4,3-11
- толщина
мм
3,5-10,9
3,1-9,9
Масса 1000 зерен
г
231,5-404,4
175,4-299,1
Плотность
г/см3
1,18-1,4
1,08-1,32
Скорость витания
м/сек.
10-17,8
8-15,4
Прочность
кгс
1,4-2,5
1,2-2,2
Форма
Удлиненно-плоская, шарообразная
Таблица 3. Физико-механические свойства зерна гибридов кукурузы различной группы спелости
Показатель
Единица
Гибрид (среднее)
измерения
Кадр 267МВ
Днепровский 337 Кадр 443СВ
МВ
Размер зерновки:
- длина
мм
10±0,23
11,1±0,25
10,6±0,27
- ширина
мм
7,2±0,19
7,8±0,13
8,7±0,21
толщина
мм
5,8±0,26
6,9±0,21
6±1,33
Масса 1000 зерен
г
265,4±17,05
303,5±13,75
341,4±21,28
Плотность
г/см3
1,23±0,01
1,2±0,01
1,23±0,01
Прочность
кгс
1,9±0,08
1,6±0,07
1,9±0,05
Использование различных физико-механических показателей в качестве признаков делимости приводит к разным
результатам сортирования-калибрования-обогащения зерновых масс. Наиболее полное разделение зерновой массы на
фракции различного качества, в том числе высокого, достигнуто за счет показателей «ширина и плотность зерновки»
(табл. 4). При таком способе сепарирования получено по две фракции семян (крупная и средняя по размеру, тяжелая и
средняя по весу) с выходом 80,8 и 75%, которые характеризовались наиболее высокой полевой всхожестью и
урожайностью. При этом семена по плотности разделяли мокрым способом, с их погружением в растворы определенной
солевой концентрации. Такой способ исключает побочное влияние других признаков делимости, например, парусности
зерновки.
Таблица 4. Качество семян кукурузы в зависимости от способов сепарирования в режиме сортирования-калиброванияобогащения
Способ
Выход
Всхожесть, %
Урожайность
семян, % лабораторная
зерна, т/га
признак делимости
фракция
полевая
семян (основной)
Ширина зерновки
крупная
24,8
98
86
7,84
средняя
56
98
87
7,72
мелкая
19,2
95
72
6,05
Толщина зерновки крупная
38,9
97
81
7,1
средняя
49,6
98
80
7,13
мелкая
11,5
97
80
7,05
Плотность
тяжелая
48,6
99
88
7,98
зерновки
средняя
26,4
98
87
7,51
легкая
25
94
70
6,15
Парусность
тяжелая
30,4
97
83
7,15
средняя
38,1
98
80
7,08
легкая
31,5
96
79
6,82
Влияние парусности, которое включало комплекс признаков (удельная масса, форма, крупность, концентрация зернового
потока) проявилось в том, что было получено три фракции примерно равного выхода и качества между собой. Это
свидетельствует о том, что в каждой из фракций содержалась значительная часть семян других фракций.
Несколько по-другому сложились результаты сепарирования по признаку «толщина зерновки». Также было получено три
фракции, практически равноценные по качеству, но разного выхода. Исследования показали, что каждая из фракций
состоит из одного и того же набора зерен, одинаковых по параметрам ширины зерновки, в связи с чем происходит
нивелирование их качества.
Таким образом, процесс сепарирования зерна определяется комплексом факторов – физико-механическими свойствами и
признаками делимости зерна и зерновой массы. При простом сепарировании определяющими факторами являются
показатели зерновой массы, при сложном - зерновой массы и зерна основного. Простое сепарирование выполняется
большей частью в режиме очистки, сложное – в режимах очистки-сортирования-калибрования-обогащения зерна.
Для достижения высокого качества сепарирование, особенно сложное, должно включать несколько признаков делимости и
этапов сепарирования. При этом наиболее эффективным является сочетание показателей линейного размера с массой и
парусностью зерновки. Вначале следует вести просеивание по параметрам поперечного сечения и массы зерновки,
получить сформированные по крупности фракции, которые необходимо просеивать по их аэродинамическим и
гравитационным свойствам.
Следовательно, основными способами сепарирования являются воздушно-ситовое, аэродинамическое и гравитационное,
выполняемое в определенном порядке и комплексно. Способы должны выполняться на отдельных зерносепараторах,
обеспечивающих соответствующий режим просеивания. Совмещение способов или применение для этого
универсального зерносепаратора является необоснованным и не обеспечивает качественного
сепарирования зерновых масс.
В процессе сепарирования наряду с общими положениями обработки зерна необходимо также учитывать особенности
физико-механических свойств зерна отдельных культур, а также их сортовой состав. В первую очередь, это относится к
таким культурам, как кукуруза и подсолнечник, поскольку они представлены большим количеством сортов (гибридов) и
отличаются значительным варьированием признаков делимости. Учитывается, кроме того, назначение продукции, а именно
- получение зерна продовольственного, технического, кормового, семян. В частности, для семенного материала кукурузы
определен регламент сепарирования, обеспечивающий высокое качество, чистоту и выравненность семян, который
включает очистку по параметрам размера и массы частиц зерновой массы, сортирования - по параметрам «ширина и
удельная масса зерновки», калибрования на фракции по крупности и массе зерновки, обогащения посевных фракций по
гравитационным свойствам.
Литература
1. Демин Г.С. Очистка зерна на хлебоприемных предприятиях / Г.С. Демин, Г.Т. Павловский, М.А. Теленгатор, В.М.
Цециновский. – М.: «Колос», 1968. – 288 с.
2. Теленгатор М.А. Обработка семян зерновых культур / М.А. Теленгатор, В.С. Уколов, В.М. Цециновский. – М.: «Колос»,
1972. – 271 с.
3. Воронцов О.С. Элеваторная промышленность, зерносушение и зерноочистка / О.С. Воронцов. – М.: «Колос», 1974. – 432
с.
4. Заика П.М. Сепарация семян по комплексу физико-механических свойств / П.М. Заика, Г.Е. Мазнев. – М.: «Колос», 1978.
– 287 с.
5. Лебедев В.Б. Промышленная обработка и хранение семян / В.Б. Лебедев. – М.: «Агропромиздат», 1991. – 255 с.
6. Кирпа М.Я. Особливості сепарування та якість зерна кукурудзи / М.Я. Кирпа, С.О. Скотар // Хранение и переработка
зерна, 2005, №2(68). – С. 23-25.