СПОСОБ СЕПАРАЦИИ СЕМЯН Российский патент 1994 года по МПК B07B13/00 

Изобретение относится к способам и устройствам для очистки семян от примесей и может быть использовано в сельском хозяйстве, а также в пищевой промышленности.

Известен способ сепарации семян, включающий классификацию материала по крупности зерна, пневматическую классификацию по плотности и сортировку семян по длине [1].

Недостатками указанного способа определяются, в основном, недостатками операции сортировки семян по их длине, реализуемой в ячеистом сортировщике (триере) и характеризующейся ограниченными возможностями вследствие сепарации семян только по их наименьшему размеру. В связи с этим зерна семян оказываются засоренными примесями, имеющими иную форму и сходную длину.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ сепарации семян, включающий операции классификации материала по крупности зерна, фракционирование зерна, выделенного класса крупности по плотности, тонкую очистку семян от примесей путем разделения выделенной фракции по комплексу физико-механических свойств при подаче ее на шероховатую наклонную плоскость и выгрузку готовых семян и примесей [2].

Данный способ сепарации характеризуется относительно низкой эффективностью сепарации семян, не имеющих существенной разницы по фрикционным свойствам. В связи с тем, что на стадии тонкой очистки семян обычно имеет место различие их по комплексу физико-механических свойств, то вследствие случайного характера взаимодействия частиц неправильной формы с шероховатой поверхностью и между собой происходит перемешивание материала, снижающее эффективность сепарации.

Задача изобретения состоит в повышении эффективности сепарации семян путем обеспечения оптимальных условий процесса разделения по их комплексу физико-механических свойств на наклонной плоскости.

Задача изобретения решается тем, что в способе сепарации семян, включающем классификацию материала по крупности зерна, фракционирование зерна выделенного класса крупности по плотности, тонкую очистку семян от примесей путем разделения выделенной фракции по комплексу физико-механических свойств при подаче ее на шероховатую наклонную плоскость и выгрузку готовых семян и примесей, плоскость устанавливают под углом к горизонту, близким к углу естественного откоса материала, подачу семян на плоскость осуществляют многократно слоем толщиной, равной 3-11 диаметрам зерна, который разделяют после скатывания по высоте на две части в соотношении 0,3-0,7 по объему зерен и противоточно перемещают полученные части вдоль нижней кромки плоскости, при этом выгрузку семян и примесей производят у противоположных торцевых кромок плоскости, а место загрузки исходных семян после сепарации их по крупности и плотности определяют как
l = L˙ exp (-2,33 ˙ 10²(100-B)-0,9), где l - расстояние от места загрузки до торцевой кромки плоскости, у которой осуществляют выгрузку примесей, м; L - расстояние между торцевыми кромками (длина) плоскости, м; B - выход семян по стадии тонкой очистки, %.

На фиг. 1 представлена схема установки, реализующая способ сепарации семян.

Способ осуществляют следующим образом.

Исходная зерновая масса подается на наклонный эксцентриковый грохот 1, на котором осуществляется классификация по крупности. На верхнем решете грохота от зерновой массы отделяются крупные примеси, а на нижнем - мелкие примеси. Предварительно разделенная по крупности зерновая смесь выделенного класса крупности направляется на фракционирование по плотности в пневматический сепаратор 2. В пневматическом сепараторе из зерновой массы поперечно направленным воздушным потокам выносятся легкие примеси и направляются в улавливающее оборудование 3. Тяжелые примеси, в наименьшей мере подверженные воздействию потока, проваливаются в бункер тяжелых примесей 4. Плотные семена отдуваются потоком воздуха в приемник семян 5.

Из бункера 5 выделенная фракция семян подается на тонкую очистку на шероховатую наклонную плоскость 6, установленную под углом к горизонту, близким к углу естественного откоса материала, у верхней ее кромки и на определенном удалении от ее торцевых частей, которое определяется в зависимости от выхода продукта.

Величина шероховатостей на плоскости поддерживается равной половине среднего диаметра частиц выделенной фракции семян для того, чтобы исключить взаимодействие движущихся частиц с шероховатой поверхностью пластины. Подачу семян на наклонную плоскость с целью обеспечения более высокой эффективности отделения семян от примесей по комплексу физико-механических свойств осуществляют многократно слоем толщиной, равной 3-11 диаметрам зерна. Многократная подача зерна на пластину может быть реализована либо с помощью бесконечной ленты, имеющей ширину, равную длине пластины, и подъемные лопасти; либо с помощью внутренней подъемной насадки барабанного аппарата.

При этом на плоскости организуется сдвиговое гравитационное течение зерновой смеси от верхней кромки к нижней, в котором верхние слои материала обгоняют нижние и, взаимодействуя с ними, обмениваются между собой частицами. Как правило, зерна культурных растений на стадии тонкой очистки отличаются от зерен примесей сразу по нескольким признакам: размеру, плотности, форме, шероховатости, упругости (при относительно небольшом различии в указанных свойствах). В сдвиговом потоке на плоскости частицы взаимодействуют между собой.

Взаимодействие частиц происходит в режиме столкновения. В результате столкновения частицы в нем участвующие перемещаются в некотором направлении от места столкновения. При этом преимущественное направление перемещения частицы определяется в зависимости от комплекса характерных ей свойств или от степени проявления некоторого доминирующего признака. В результате определенная часть частиц смеси, имеющих похожие свойства, перемещается в направлении к открытой поверхности слоя, а другая часть - в противоположном направлении, т. е. к основанию слоя. Следовательно на наклонной плоскости наблюдается преимущественное движение одних частиц над другими, например, примесей над семенами (см. фиг. 1).

После скатывания слой зерна разделяют по высоте на две части в соотношении 0,3-0,7 по объему зерен, например, с помощью продольной перегородки, устанавливаемой с возможностью поступательного перемещения относительно нижней кромки плоскости.

Полученные части ссыпавшегося с пластины материала перемещают противоточно вдоль нижней кромки пластины. Затем эти части материала вновь подают на пластину на ее участки, соседствующие с участком, на котором осуществляется подача исходного материала. На соседних участках пластины процесс разделения частиц в скатывающемся слое повторяется, ссыпающийся материал разделяют аналогичным образом на две части, которые после противоточного перемещения вдоль нижней кромки пластины также возвращают на смежные ее участки, где рассмотренные операции вновь повторяют в последовательности, аналогичной рассмотренной. Таким образом на наклонной пластине организуется многоступенчатая сепарация при противоточном перемещении частиц, различающихся по комплексу физико-механических свойств. При этом каждый из движущихся навстречу друг другу потоков материала обогащается частицами с определенными свойствами (один из потоков обогащается зернами семян, а другой - примесей). Выгрузка семян и примесей производится у противоположных торцевых кромок плоскости.

С целью повышения эффективности процесса сепарации семян их загрузку на наклонную плоскость осуществляют на расстоянии l от торцевой кромки плоскости, у которой осуществляется выгрузка примеси
l = L˙ exp (-2,33˙ 10^-2(100-B)-0,9), где L - расстояние между торцевыми кромками (длина) пластины;
B - выход семян.

Процесс сепарации семян организуется в режиме их быстрого сдвигового течения, которое сопровождается эффектом разделения сегрегации по комплексу физико-механических свойств (размер, плотность, форма, шероховатость, упругость). Эффект заключается в том, что одни частицы перемещаются к поверхности скатывающегося слоя, а другие погружаются к основанию слоя (см. Классен П.В., Гришаев И.Г. Основы техники гранулирования, с. 63). При этом верхние слои движутся со значительно большими скоростями, чем нижние (см. так же, с. 63).

С целью обеспечения интенсивного установившегося сдвигового течения наклонную плоскость выполняют шероховатой и устанавливают под углом к горизонту, близком углу естественного откоса материала. При этом на плоскости образуются условия, приближенные к условию прилипания нижнего слоя частиц.

Экспериментально доказано, что качество сепарации семян по одному или нескольким доминирующим признакам (размер, плотность, форма, шероховатость, упругость) существенно зависит от толщины движущегося на наклонной плоскости слоя. Это объясняется тем, что четкость разделения неоднородных частиц по высоте слоя зависит от соотношения интенсивностей одновременно протекающих процессов сегрегации и перемешивания. При этом четкость разделения повышается с увеличением отношения интенсивности сегрегации к интенсивности перемешивания. В свою очередь на величину данного соотношения существенное влияние оказывают условия, которые имеют место вблизи верхней и нижней границ слоя (граничные условия). При изменении толщины слоя происходит изменение не только граничных условий по интенсивности процессов и масштабу явлений, но и изменение относительной доли объема слоя, в котором эти явления протекают.

С целью снижения вредного влияния перемешивания частиц в слое на процесс многоступенчатой сепарации семян с противотоком неоднородных зерен толщину слоя поддерживают равной 3-11 диаметрам зерна. Существенность предложенного соотношения толщины скатывающегося слоя показана экспериментальным путем.

Исследования проведены на лабораторном сепараторе, представляющем собой аппарат с вращающимся барабаном диаметром 0,5 м, длиной 1,5 м и производительностью 200 кг/час. На внутренней поверхности барабана, который выполняет роль дозатора при многократной подаче смеси на плоскость, имеются радиальные подъемные лопасти. В центральной части барабана продольно ему закреплена неподвижная сепарирующая насадка, выполненная в виде наклонной шероховатой плоскости. Под нижней кромкой пластины продольно закреплена перегородка, служащая для разделения потока скатывающихся семян на две части по высоте слоя. С целью регулирования соотношения частей перегородка закреплена с возможностью поступательного перемещения. По обе стороны перегородки закреплены отклоняющие элементы, выполненные в виде наклонных пластин, которые по одну сторону перегородки направлены к одному торцу шероховатой плоскости и к противоположному торцу на другой стороне перегородки.

Загрузочное устройство аппарата выполнено в виде шнекового питателя, установленного с торца барабана. Питатель установлен с возможностью перемещения вдоль барабана, что обеспечивает возможность изменения места загрузки материала в зависимости от выхода готовых семян.

Необходимая толщина скатывающегося по шероховатой плоскости слоя семян устанавливается путем регулирования скорости вращения барабана.

Выгрузка семян и примесей осуществляется за счет переполнения барабана с противоположных его торцов.

Эксперименты проведены на семенах пшеницы "Мироновская" с примесью семян ржи в количестве 38 шт/кг и семенах ячменя пивоваренного с примесью семян овсюга в количестве 65 шт/кг; которые были предварительно отсепарированы по крупности (на решетках) и плотности (в воздушном потоке) на сепараторе ЗАВ-10.

Результаты экспериментальных исследований влияния толщины скатывающегося слоя на качество сепарации, полученные в лабораторном сепараторе при выходе 70%, приведены в табл. 1.

Анализ полученных результатов показывает, что оптимальный диапазон толщины скатывающегося слоя при реализации способа сепарации по комплексу физико-механических свойств равен 3-11 диаметрам зерна. При уменьшении толщины скатывающегося слоя содержание примеси в продукте резко увеличивается, т.е. качество сепарации значительно снижается. Данное снижение качества сепарации может быть объяснено, по-видимому, увеличением интенсивности процесса перемешивания частиц в слое малой толщины, возрастающего вследствие активного взаимодействия частиц с шероховатой плоскостью и сильного разрыхления слоя.

При толщине слоя, превышающей 11 диаметров зерна, эффективность сепарации снижается, по-видимому, по причине уменьшения относительной подвижности частиц, проходящей вследствие снижения скорости сдвига.

Практическая реализация операции тонкой очистки семян предполагает деление слоя на две части после его скатывания по наклонной плоскости. Полученные части противоточно перемещают вдоль нижней кромки плоскости. В общем случае эти потоки не равны между собой, поскольку разница между ними является условием обеспечения требуемого выхода семян. Установлено, что наиболее высокая эффективность сепарации достигается при делении ссыпающегося потока по высоте слоя в соотношении 0,3-0,7 по объему зерен.

Существенность указанного соотношения доказана экспериментально. Экспериментальные исследования заключались в анализе распределения зерен семян и примесей по высоте слоя на наклонной плоскости на ее ссыпном пороге, вследствие их сегрегации в сдвиговом потоке.

Исследования проведены на лабораторной установке, состоящей из наклонного канала прямоугольного сечения, установленного под углом к горизонту. Под нижним концом канала размещена приемная емкость. Дно канала выполнено шероховатым, величина шероховатости равна половине среднего диаметра зерен. Плоскость ската устанавливается под углом, близким углу покоя исследуемой зерновой массы. Исследование проведено на семенах пшеницы с примесью семян ржи в количестве 38 шт/кг и семенах ячменя с примесью семян овсюга в количестве 65 шт/кг. Длина скатывающегося слоя в опытах поддерживалась настолько большой, чтобы достигалось равновесие в процессе сегрегации, т.е. с увеличением длины глубина разделения не изменялась. Толщина скатывающегося слоя во всех опытах поддерживалась постоянной и равной 6 диаметрам зерна. После наступления установившегося течения зерновой массы в канале ей откpывался доступ в приемную емкость.

Ссыпавшуюся в емкость зерновую массу разделяли по объему на две части таким образом, чтобы они соответствовали разделению скатывающегося слоя по высоте на ссыпном пороге заданному соотношению. Полученные части материала анализировались на содержание в них ключевого компонента (зерен примесей). Эффективность сепарации оценивали по величине разности концентраций ключевого компонента в названных частях потока. Очевидно, чем больше величина этой разности, тем выше качество разделения.

Результаты экспериментального исследования влияния соотношения частей потока на качество сепарации семян приведены в табл. 2.

Анализ полученных результатов показывает, что оптимальное соотношение частей скатывающегося потока, соответствующее максимальной эффективности предлагаемого способа сепарации семян равно 0,3-0,7. Деление ссыпающегося потока в другом соотношении приводит к уменьшению эффективности разделения. Данное обстоятельство можно объяснить гипотетически следующим образом.

В быстром гравитационном потоке на шероховатой наклонной плоскости имеют место особые условия перемещения частиц в приграничных областях потока. В верхней части слоя располагается, так называемое, "облако частиц", в котором частицы перемещаются в разреженном состоянии с большими вылетами над поверхностью. В нижней части слоя реализуются условия "прилипания" с проскальзыванием частиц, расположенных над частицами, прилегающими непосредственно к шероховатой поверхности. В общем случае условия, имеющие место в приграничных областях слоя, тормозят процесс разделения (сегрегации) частиц. Вследствие этого концентрация примесей в этих областях остается близкой к исходной.

При разделении потока по высоте слоя на две части в соотношении, выходящем за пределы рекомендуемого диапазона (0,3-0,7), одна из частей оказывается по составу близкой к исходной смеси, что и может быть причиной снижения эффективности сепарации.

Существенность признака, касающегося места загрузки зерновой массы на наклонную плоскость, также доказана экспериментальным путем. Экспериментальные исследования проведены на сепараторе с вращающимся барабаном диаметром 1,3 м и длиной 6,0 м, производительностью 7000 кг/час, устройство которого аналогично устройству лабораторного сепаратора, использованного в исследованиях влияния толщины слоя на эффективность сепарации. Исследования проведены на семенах пшеницы и ячменя, использованных в предшествующих экспериментах. Эксперимент заключался в оценке качества сепарации в зависимости от координаты загрузки исходного материала при различных выходах семян. Качество сепарации определялось по содержанию примесей в готовых семенах. Толщина слоя на наклонной плоскости поддерживалась равной 7-8 диаметрам зерен.

Результаты экспериментальных исследований приведены на фиг. 2 в виде графических зависимостей содержания примеси в готовых семенах от расстояния между координатной загрузки и торцовой кромкой плоскости, у которой осуществляют выгрузку примесей. При этом результаты исследований на семенах ячменя изображены на фиг. 2 сплошными линиями, а на семенах пшеницы - пунктирными. Эксперименты проведены при различном выходе чистых семян: 1-80%; 2-70%; 3-60%; 4-50%. Полученные результаты свидетельствуют о наличии функциональной взаимосвязи между оптимальной координатой загрузки исходных семян и выходом очищенного продукта (координаты оптимальной загрузки для различных семян при одинаковом выходе практически совпадают). Анализ и обработка экспериментальных данных позволили получить следующую формулу для определения места загрузки исходных семян на наклонную плоскость после сепарации их по крупности и плотности:
l = L˙ exp(-2,33 ˙10^-2(100-B)-0,9), где l - расстояние от места загрузки исходной смеси от торца пластины, у которого осуществляется выгрузка примеси; L - расстояние между торцевыми кромками (длина) пластины, B - выход.

Таким образом, в общем случае, место загрузки исходных семян на наклонную плоскость располагают ближе к ее торцевой кромке, у которой осуществляют выгрузку примесей.

Отклонение места загрузки зерновой смеси от расчетного в ту или другую сторону приводит к существенному снижению эффективности сепарации.

Изобретение может быть использовано в сельском хозяйстве, а также в пищевой промышленности. Сущность изобретения: способ сепарации семян заключается в подаче семян, прошедших предварительную классификацию по крупности и плотности частиц, на тонкую очистку на наклонную шероховатую плоскость, установленную под углом к горизонту, близким к углу естественного откоса материала. Подачу семян на плоскость осуществляют многократно слоем толщиной, равной 3 - 11 диаметрам зерна. После скатывания по наклонной плоскости слой зерна разделяют по высоте на две части в соотношении 0,3 - 0,7 по объему зерен. Полученные части ссыпавшегося с плоскости материала противоточно перемещают вдоль нижней ее кромки. Выгрузка семян и примесей производится у противоположных торцевых кромок плоскости. При этом загрузку семян на наклонную плоскость осуществляют на расстоянии l от торцевой кромки плоскости, у которой осуществляется выгрузка примеси l= Δ·exp[-2.33·10^-2(100-B)-0.9] , где l - расстояние между торцевыми кромками (длина) плоскости, B - выход семян. 2 табл., 2 ил.

СПОСОБ СЕПАРАЦИИ СЕМЯН, включающий классификацию семян по крупности, фракционирование семян выделенного класса крупности по плотности, тонкую очистку семян от примесей путем разделения выделенной фракции по комплексу физико-механических свойств при подаче ее на шероховатую наклонную плоскость сепаратора и выгрузку готовых семян и примесей, отличающийся тем, что подачу семян для разделения выделенной фракции по комплексу физико-механических свойств производят на шероховатую плоскость сепаратора, которую устанавливают под углом к горизонту, близкому к углу естественного откоса материала, в месте, которое определяют по формуле
l = L · exp [-2,33 - 10^-2 (100 - B) - 09],
где l - расстояние от места загрузки до торцевой кромки плоскости, у которой осуществляют выгрузку примесей, м;
L - расстояние между торцевыми кромками плоскости, м;
B - выход семян по стадии тонкой очистки, %;
и подачу семян на шероховатую плоскость сепаратора осуществляют многократно слоем толщиной 3 - 11 диаметров зерна, разделение которого производят на две части в объемном отношении семян 0,3 - 0,7, полученные части перемещают противоточно вдоль нижней кромки шероховатой плоскости сепаратора, а выгрузку семян и примесей производят у противоположных торцевых кромок шероховатой плоскости сепаратора.