劉汝寬 許方雷 肖志紅 李昌珠 黃志輝 葉紅齊

蓖麻籽螺旋壓榨制油影響因素分析及其摩擦系數(shù)的計算

劉汝寬1，2許方雷3肖志紅1李昌珠1黃志輝3葉紅齊2

（湖南省林業(yè)科學(xué)院1，長沙 410004）
（中南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院2，長沙 410083）
（中南大學(xué)機電工程學(xué)院3，長沙 410083）

蓖麻籽是一種重要的高含油、低含水工業(yè)油料。采用螺旋壓榨法制油時，其操作溫度直接關(guān)系到油品質(zhì)量和制油效果。蓖麻籽經(jīng)過螺旋壓榨后，其主要內(nèi)含物蓖麻油以液態(tài)形式聚集并在壓力的作用下從蓖麻籽中分離出來，這個過程主要受內(nèi)外兩方面因素的影響。蓖麻籽組成、入料形態(tài)和是否進行升溫調(diào)質(zhì)等多種因素直接決定了蓖麻籽螺旋壓榨的效果；螺旋榨油機的榨軸轉(zhuǎn)速和出餅口孔徑直接制約了油料輸送速率和出油效果。通過多工況下的組合試驗及均值化處理，得到了單螺旋榨油機的實際輸送速率和當量摩擦系數(shù)等參數(shù)。蓖麻籽直接進料壓榨，在榨軸平均轉(zhuǎn)速為50.25 r／min、出餅口孔徑5 mm時，平均壓縮比為4.28、輸送效率為4.41 kg／h、餅殘油率14.86%。

蓖麻籽 螺旋榨油機 摩擦系數(shù) 蓖麻油

蓖麻是世界十大油料作物之一，其籽中蓖麻油質(zhì)量分數(shù)為46%～55%［1］，這種油脂中富含羥基和雙鍵，有利于進行化學(xué)改性，用于生產(chǎn)可降解生物材料和制備航空、航天和精密儀器等的生物潤滑劑［2－3］。我國是世界第二大蓖麻種植國，對蓖麻油的需求量大，缺口達70%以上。

油料加工制油的方法主要有機械壓榨法和溶劑浸出法［4］，因蓖麻籽含油量較高多采用先壓榨再浸提的方式提取蓖麻油。機械壓榨由于沒有經(jīng)過化學(xué)處理，油品質(zhì)好，色澤淺，特別是冷態(tài)壓榨，又稱原生態(tài)壓榨［5］。單螺桿壓榨屬動態(tài)壓榨，油料在榨膛內(nèi)不僅作軸向運動和圓周運動，而且油料自身內(nèi)部也在不斷地混合。這樣可以建立新的油路，彌補由于壓力的增大，油料的進一步壓縮導(dǎo)致部分油路的閉合。即單螺桿壓榨相對直筒式壓榨在相同的壓力下［6－7］，可以在更短的時間內(nèi)達到相同的殘油率。

本試驗旨在探究螺旋壓榨過程中油料自身特性和榨機參數(shù)對壓榨過程及效果的影響，建立兩者之間的關(guān)系，進而為蓖麻籽高效加工制油提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

蓖麻籽（湘蓖1號，自然干燥）：湖南省林業(yè)科技示范園。

螺旋榨油機（CA59G）：德國KOMET；脂肪測定儀（SZF－06A）：浙江托普儀器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 蓖麻籽主要內(nèi)含物含量的測定方法

水分［8］：GB／T 14489.1—2008；粗脂肪含量［9］：GB／T 14488.1—2008；粗蛋白含量［10］：GB／T 14489.2—2008；淀粉含量［11］：GB 5514—2008；粗纖維含量［12］：GB／T 5515—2008；灰分［13］：GB／T 5505—2008。

1.2.2 低溫壓榨步驟

在室溫（25℃）條件下，調(diào)節(jié)壓榨條件，將一定量的蓖麻籽放入螺旋榨機榨膛內(nèi)進行壓榨，同時取餅并測其殘油率等相關(guān)指標［14］。

1.2.3 均值化處理

均值化處理是指實際操作過程中，各操作參數(shù)不斷調(diào)整變化，其試驗結(jié)果亦會呈現(xiàn)不同的變化。為了方便研究，對這些操作參數(shù)及結(jié)果進行先求和再平均，然后再進行合理分析。如平均殘油率是指在不同壓榨條件下，幾種不同蓖麻籽餅殘油率的平均值。文中除特別明確為“平均殘油率”外，其他均為單次試驗的餅殘油率。

1.2.4 膨脹系數(shù)的定義與計算

單螺桿榨膛內(nèi)的餅被擠壓的過程中，所受的壓力由某一值逐漸地降低到0，將導(dǎo)致其膨脹，故在此引入膨脹比η。膨脹比η的定義為：

式中：Vp為在榨膛內(nèi)壓榨過程中餅粕所達到的最小體積；Vo為餅粕所受壓力為零時的體積。

根據(jù)蓖麻籽壓榨過程中的實際情況，取η－1＝0.9。

1.2.5 油料與榨機部件之間的摩擦系數(shù)

油料與螺桿、榨籠的摩擦系數(shù)是影響輸送率的重要因數(shù)。因榨膛是封閉的，而且榨料在榨膛內(nèi)不斷地被壓縮過程中，榨料與螺桿、榨籠的摩擦系數(shù)也在不斷變化，故此對螺桿、榨籠的摩擦系數(shù)作如下假設(shè)［15］：

①假定主壓榨段榨料與螺桿的摩擦系數(shù)（fs）、榨料與榨籠的摩擦系數(shù)（fb）不變。

②假定主壓榨段榨料與螺桿、榨料與榨籠兩摩擦系數(shù)相等，且為當量摩擦系數(shù)（fd），即fs＝fb＝fd。

2 結(jié)果與分析

2.1 蓖麻籽的基本成分及最佳入榨條件分析

2.1.1 蓖麻籽的基本成分分析

蓖麻籽中的主要內(nèi)含物（如水分、脂肪、纖維素和蛋白質(zhì)等）會影響其物理結(jié)構(gòu)，進而影響壓榨制油過程及效果。在研究其剝殼的過程中發(fā)現(xiàn)，成熟的蓖麻籽采收后，其水分很快降至6% ～8%［16］。采用國標化學(xué)測量法，測定了蓖麻籽的主要內(nèi)含物含量，可知蓖麻籽是一種高含油（47.0%）、高含蛋白（17.1%）、低含水（6.8%）的油料，其中淀粉、粗纖維及灰分質(zhì)量分數(shù)分別為3.4%、23.6%和2.1%。

2.1.2 最適入料溫度的理論分析

油料壓榨制油時，其含水率變化一般遵循“高溫低水分，低溫高水分”的規(guī)律，其具體的值可以根據(jù)N.B.葛符里林柯經(jīng)驗公式計算［17］：

式中：c為油料含水率／%；T為榨料壓榨溫度／℃；k為油料含油率校正系數(shù)，k＝ （100 －M）／55；M為入榨料含油率／%。

根據(jù)蓖麻籽內(nèi)含物指標計算，適合入料壓榨的蓖麻籽溫度為70.8℃。因此，控制好蓖麻籽的含水率是有效調(diào)整低溫冷榨效果的重要因素。但限于實驗室條件難以實現(xiàn)蓖麻籽的穩(wěn)定調(diào)質(zhì)，因此后續(xù)開展的試驗工作，主要集中在不同形態(tài)的蓖麻籽直接入料壓榨并搜集過程參數(shù)。

2.1.3 最適入料形態(tài)

試驗對比了完整蓖麻籽和碾碎蓖麻籽等兩種不同入料形態(tài)、不同壓榨條件下的壓榨效果并搜集其過程參數(shù)，其結(jié)果見表1。以蓖麻籽餅的殘油率和實際輸送速率等指標為依據(jù)，碾碎蓖麻籽相對于完整蓖麻籽而言具有一定優(yōu)勢，但相差不大。結(jié)合實際生產(chǎn)，蓖麻籽直接入料壓榨更符合現(xiàn)實操作要求。

2.2 榨機可調(diào)工作參數(shù)的影響

2.2.1 榨軸轉(zhuǎn)速的影響

固定出餅口孔徑時，榨軸的轉(zhuǎn)速一定程度上直接影響著物料的輸送速率，并且榨油機輸送率的影響因素很多，導(dǎo)致實際生產(chǎn)率與理想輸送率存在一定偏差，其結(jié)果如圖1和圖2所示。理想輸送率與榨軸轉(zhuǎn)速呈一次線性關(guān)系，即隨著榨軸轉(zhuǎn)速的增加，輸送速率增大，然而實際輸送率隨榨軸轉(zhuǎn)速增加的速率小于理想輸送率。均值條件下壓榨，實際輸送率約占理想輸送率的75%～80%。這與實際情況是相符的，隨著轉(zhuǎn)速的增大，實際輸送率不可能無限增大。

表1 單螺旋壓榨時實際壓縮比、殘油率及實際輸送率

圖1 完整籽理想輸送率與實際輸送率

圖2 碾碎籽理想輸送率與實際輸送率

2.2.2 出餅口孔徑的影響

圖3依次列出了出餅口徑為4 mm和10 mm時，得到的不同餅粕形態(tài)。直觀上看，出餅口徑越小，餅粕被擠出表面越光滑。采用較小口徑（4、5、6 mm）餅粕表面基本光滑、成型較好；采用較大口徑時，即當出餅口徑增大到10 mm時，餅粕表面比較粗糙、成型不理想。

圖3 單螺旋壓榨時不同出餅口孔徑對餅粕成型效果的影響

另外，碾碎籽的輸送率大于完整籽的輸送率，這是因為榨膛輸送段完整籽的充滿度要小于碾碎籽的充滿度，即相同體積容器內(nèi)，小顆粒相對大顆粒能夠把容器填充更加密實。

2.3 油料與榨機部件之間的相互作用分析

2.3.1 當量摩擦系數(shù)的計算

由固體牽引角和單螺桿塞流輸送量計算公式［18］，結(jié)合表1 中的參數(shù)，取螺桿轉(zhuǎn)速為38 r／min，

出餅口徑為4 mm時的實際輸送率Q，計算當量摩擦系數(shù)得：

fd1＝0.812 8，fd2＝ －13.364 7，fd3＝0.412 9。

因fd1、fd2與實際不符，故取fd3為此條件下的當量摩擦系數(shù)。

2.3.2 當量摩擦系數(shù)與實際摩擦系數(shù)的關(guān)系分析

實際生產(chǎn)中，為保證油料在榨膛內(nèi)有足夠的壓榨時間及壓榨壓力，螺桿轉(zhuǎn)速、出餅口徑或出餅厚度不宜過大。故只研究轉(zhuǎn)速為16、38 r／min及出餅口徑為4、5和6 mm條件下的當量摩擦系數(shù)。應(yīng)用相同方法求得各條件下當量摩擦系數(shù)fd及平均值fd（經(jīng)計算，完整籽壓榨的當量摩擦系數(shù)與碾碎籽當量摩擦系數(shù)基本相等），如表2所示。當量摩擦系數(shù)均小于0.431 6。因?qū)嶋H榨料與螺桿的摩擦系數(shù)fs與榨料與榨籠的摩擦系數(shù)fb并不相等，且fs＜fb，所以當量摩擦系數(shù)并非是實際摩擦系數(shù)。隨著fs的減小、fb的增大均有利于螺旋榨油機輸送率的提高。若摩擦系數(shù)fs小于當量摩擦系數(shù)，fb大于當量摩擦系數(shù)，這樣勢必會使輸送率增大，與實際不符。若摩擦系數(shù)fs大于當量摩擦系數(shù)，fb小于當量摩擦系數(shù)，這樣會使輸送率變小，與實際不符。由此可知，實際摩擦系數(shù)fs、fb應(yīng)均小于或均大于當量摩擦系數(shù)，這樣才能保證實際輸送率不變。依據(jù)實際情況可知，實際摩擦系數(shù)fs、fb應(yīng)均小于當量摩擦系數(shù)（0.431 6）。

表2 當量摩擦系數(shù)

2.4 榨機性能分析

蓖麻籽經(jīng)過螺旋壓榨后，蓖麻籽被壓縮，其主要內(nèi)含物蓖麻油以液態(tài)形式聚集并在壓力的作用下從蓖麻籽中分離出來。因油料為直接進料，未進行調(diào)質(zhì)處理，在合理出餅孔徑4、5、6 mm下，取其參數(shù)均值，得到在榨油機榨軸平均轉(zhuǎn)速為50.25 r／min、出餅口孔徑5 mm時，油料的平均壓縮比為4.28、輸送效率為4.41 kg／h、殘油率為14.86%。

3 結(jié)論

3.1 采用螺旋壓榨法制油時，其操作溫度直接關(guān)系到油品質(zhì)量和制油效果，適合入料壓榨的蓖麻籽溫度約為70℃。在實際操作中，有效控制好蓖麻籽的含水率是調(diào)整低溫冷榨效果的重要因素。

3.2 蓖麻籽經(jīng)螺旋壓榨后，其主要內(nèi)含物蓖麻油以液態(tài)形式聚集并在壓力的作用下從蓖麻籽中分離出來，這個過程主要受內(nèi)外兩方面因素的影響。蓖麻籽組成、入料形態(tài)和是否進行升溫調(diào)質(zhì)等多種因素決定了蓖麻籽螺旋壓榨的效果；螺旋榨油機的榨軸轉(zhuǎn)速和出餅口孔徑制約了油料輸送速率和出油效果。

3.3 通過多工況下的組合試驗及均值化處理，得到了單螺旋榨油機的實際輸送速率和當量摩擦系數(shù)等參數(shù)。蓖麻籽直接進料壓榨，在榨軸平均轉(zhuǎn)速為50.25 r／min、出餅口孔徑5 mm時，平均壓縮比為4.28、輸送效率為4.41 kg／h、殘油率14.86%。

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Analysis of Pressing Conditions by Screw Press for Castor Bean and Calculation of Its Friction Coefficient

Liu Rukuan1，2Xu Fanglei3Xiao Zhihong1Li Changzhu1Huang Zhihui3Ye Hongqi2
（Hunan Academy of Forestry1，Changsha 410004）
（College of Chemistry＆ Chemical Engineering，Central South University2，Changsha 410083）
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Central South University3，Changsha 410083）

Castor bean is an important kind of industrial oil plant with high oil content and low moisture content.Operating temperature is directly related to the oil quality and producing effect in pressing process.In pressing，castor oil is aggregated in the form of liquid and isolated from castors under two aspects of internal and external factors.Main contents of castor beans，feeding morphology and the operating temperature are directly determined the pressing effect.Shafting speed of screw press and the diameter of cake mouth restrict oil delivery rate and the effect of oil.Through the combination of experiments and the mean treatment under multiple loading conditions，the actual transmission rate and the equivalent coefficient of friction parameters of the screw press were obtained.As fed directly under the average pressing conditions that the shafting speed of 50.25 r／min and the diameter of cake mouth of 5 mm，the compression ratio of 4.28 and transport efficiency of 4.41 kg／h，the residual oil of cake was 14.86%.

castor bean，screw press，friction coefficient，castor oil

TQ641

A

1003－0174（2016）07－0099－05

國家自然科學(xué)基金項目（31470594），長沙市科技計劃（K1508130－61）

2014－09－22

劉汝寬，男，1981年出生，副研究員，化工工藝、油料資源利用技術(shù)

肖志紅，男，1974年出生，研究員，生物質(zhì)能