核桃殼仁混合物料氣流分離系統(tǒng)的試驗研究

朱占江，康 敏，劉 奎，楊莉玲，楊忠強，祝兆帥

(1.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)機械化研究所，烏魯木齊 830091； 2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，南京 210031)

核桃是我國重要的木本油料，其果仁富含蛋白質(zhì)、脂肪、礦物質(zhì)和維生素，可以直接食用或用來制作休閑食品、制乳、榨油等。核桃仁含油率60%左右，核桃油不飽和脂肪酸含量約為90%，具有降低膽固醇、增強免疫力、延緩衰老、促進大腦神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育、保護腸道的作用[1-3]。核桃破殼后獲取干凈的核桃仁是實現(xiàn)核桃精深加工增值的基礎(chǔ)，氣流分選作為核桃破殼后殼仁分選的一種重要方法，具有成本低、對核桃仁損傷小的特點，在生產(chǎn)中得到應(yīng)用[4-5]。董遠德等[6]利用正交試驗進行了傾斜式核桃殼仁風選機的試驗研究，結(jié)果表明，風量大小和風腔長度對殼中含仁率有顯著影響，風腔長度對仁中含殼率有極顯著的影響，喂入量對高路仁損失率有極顯著的影響。王維等[7]通過對核桃破殼工藝路線及殼仁空氣動力學(xué)特性的研究，研制出一種四工位風選式核桃殼仁分離機，經(jīng)過試驗獲取了不同等級核桃殼仁最佳分離參數(shù)。曹成茂等[8]利用山核桃殼與仁的含水率的區(qū)分度、力學(xué)參數(shù)與其形狀系數(shù)，使殼、仁和殼仁嵌合物的懸浮速度重合區(qū)間減小，并且研究了風速均勻性和控制風速精度對復(fù)雜物料風選的影響。牛浩[9]對設(shè)計的正壓送風式核桃殼仁分離設(shè)備分離管道進行了數(shù)值模擬并開展試驗，結(jié)果表明，入料流量對損失率影響最為顯著，振動頻率對清選率影響最大。劉奎[10]開展了核桃工廠化破殼加工工藝與生產(chǎn)線設(shè)計研究，依據(jù)殼仁懸浮速度，對殼仁氣流分離機構(gòu)進行了設(shè)計與理論計算。朱占江等[11]開展了核桃殼仁氣流分離裝置分離腔流場均勻性比較研究，對不同分離腔厚度、寬度、高度下腔體內(nèi)流場分布進行了研究，使分離腔內(nèi)氣流分布盡可能均勻，提高殼仁分選效果。藺建濤等[12]開展了杏核殼仁風選機的設(shè)計與試驗研究，分析杏核殼與仁在振動與氣流綜合作用下，沿篩面運動的條件及規(guī)律，以喂入量、風量級、曲柄轉(zhuǎn)速為試驗因素進行了正交試驗，獲得了較優(yōu)的殼仁分離參數(shù)。馬秋成等[13]對蓮子剝殼后混合物料的風力分選技術(shù)進行研究，對混合物料各組分的空氣動力學(xué)特性進行理論分析與試驗，設(shè)計制造了蓮子負壓殼仁分離裝置，通過試驗確定了裝置的優(yōu)化分離工藝參數(shù)。

以上堅果殼仁氣流分離研究推動了核桃殼仁分離裝置的設(shè)計、優(yōu)化、改進以及生產(chǎn)應(yīng)用。本研究著重根據(jù)團隊研制的核桃加工成套設(shè)備，開展殼仁分離系統(tǒng)各運行參數(shù)對物料分離效果的試驗研究，該套設(shè)備已在新疆、云南、陜西、山西、河北等省份核桃產(chǎn)區(qū)得到推廣應(yīng)用，成套裝備各等級分離機構(gòu)并聯(lián)，整個分離系統(tǒng)可對多個等級的核桃殼仁同時進行氣流分離，由于成套設(shè)備分離系統(tǒng)調(diào)節(jié)相對復(fù)雜，因此開展針對性研究具有重要價值，可為實際生產(chǎn)中成套裝備氣流分離系統(tǒng)調(diào)節(jié)與運行參數(shù)選擇提供指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

新新2核桃，產(chǎn)地為新疆阿克蘇地區(qū)溫宿縣，已分級，2020年購買后放置于冷庫中冷藏，含水率為5.00%。

核桃破殼殼仁氣流分離加工成套設(shè)備，主要由一次破殼機、二次破殼機、分級振動篩、殼仁氣流分離系統(tǒng)組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。氣流分離系統(tǒng)包括分離腔、吸風管道、沉降箱、主風管道、風機等。一次破殼機采用錐籃擠壓剪切方式破殼[14]，二次破殼機采用高速離心碰撞方式破殼。設(shè)備配套風機功率22 kW，流量22 803 m3/h。1/2等級殼仁對應(yīng)篩孔為長孔，長度與寬度分別為43、20 mm，分上下兩層，且兩層篩面緊貼，下層篩面可以沿寬度方向前后調(diào)節(jié)，從而根據(jù)加工核桃?guī)缀纬叽缜闆r改變1/2篩孔尺寸，1/4、1/8、1/16 3個等級殼仁對應(yīng)篩孔為圓孔，直徑分別為19、15、10 mm，碎料對應(yīng)篩孔直徑為8 mm。

注：1.振動喂料機； 2.Z型提升機； 3.一次破殼機； 4.二次破殼機； 5.分離腔； 6.分級振動篩； 7.C型提升機； 8.輸送機； 9.風機； 10.主風管道； 11.沉降箱； 12.分心木吸風管； 13. 1/2等級吸風管； 14. 1/4等級吸風管； 15. 1/8等級吸風管； 16. 1/16等級吸風管。

1.2 試驗方法

1.2.1 核桃破殼殼仁分離工藝路線

整套設(shè)備工藝路線如圖2所示，分過級的原果核桃經(jīng)提升機進入一次破殼機，破殼后殼仁混合物料落入下部輸送機，經(jīng)輸送機、提升機進入分級振動篩，由分級振動篩將破殼后的核桃殼仁混合物料按大小分為1/2、1/4、1/8、1/16殼仁4個等級，再經(jīng)殼仁分離系統(tǒng)，將核桃殼仁分離，由出仁口和出殼口各自排出。一次破殼不完全的核桃從分級振動篩末端出料口導(dǎo)入二次破殼機繼續(xù)破殼，再次破殼后循環(huán)以上過程，最終獲得干凈的尺寸約為整仁、整殼尺寸1/2、1/4、1/8、1/16 4個等級的核桃仁、核桃殼。在一次破殼機與二次破殼機一側(cè)安裝有分心木氣流分離系統(tǒng)，當核桃破殼后殼仁混合物料從破殼機構(gòu)向下降落過程中，分心木被分離。

圖2 核桃破殼殼仁分離工藝路線圖

1.2.2 原料準備

從冷庫中取出原果核桃，常溫放置12 h，采用核桃破殼殼仁分離加工成套設(shè)備對核桃進行破殼殼仁分離。以設(shè)計的生產(chǎn)能力600 kg/h均勻喂料，首先用5 kg物料進行試機，然后取100 kg物料破殼分選，測定破殼后殼仁各組分占比，并將獲得的殼仁物料對應(yīng)等級混合，作為開展殼仁分離系統(tǒng)分離試驗原料。

1.2.3 核桃殼仁混合物料氣流分離

分離腔風速與喂料速度對設(shè)備分選效果有直接影響，而分離腔風速大小受可調(diào)節(jié)因素調(diào)節(jié)閥開度(α)、卸風板開度(β)的影響，如圖3所示。選取 1/2 殼仁分離系統(tǒng)為研究對象，物料選用1/2殼仁混合物料，限料板高度(h)調(diào)至30 mm，如圖4所示。試驗前先將1/4、1/8殼仁分離系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥開度均調(diào)節(jié)至30°，1/16殼仁分離系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥開度調(diào)節(jié)至15°，卸風板開度均調(diào)節(jié)至15°～30°。兩個分心木分離系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥開度調(diào)至15°，卸風板開度調(diào)節(jié)至30°～45°。以上參數(shù)固定后開展相關(guān)試驗，確定調(diào)節(jié)閥開度、卸風板開度和喂料速度。

注：1.調(diào)節(jié)閥； 2.卸風板； 3.沉降箱。

注：1.分離腔； 2.限料板； 3.振動給料機。

1.2.4 仁中含殼率與殼中含仁率的計算

仁中含殼率為仁出口混入的核桃殼質(zhì)量占仁出口物料總質(zhì)量的比例，殼中含仁率為殼出口混入的核桃仁質(zhì)量占殼出口物料總質(zhì)量的比例。

1.2.5 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)的分析處理采用Excel與SPSS19.0軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 核桃機械破殼分選后各組分占比

測得核桃殼、仁、分心木、碎料分別占出口總物料量的46.87%、50.35%、0.75%、2.03%。根據(jù)觀察，破殼分選后分心木中不含殼與仁，殼、碎料中含有一定比例的分心木，其中殼中混有的分心木一部分粘連于殼內(nèi)層，一部分脫離殼在殼物料中，這里將殼中混有的分心木算為殼物料，不進行挑選。為了了解分心木實際占整核桃質(zhì)量比例，隨機挑選10個核桃，采用手工破殼方法，并將破殼后粘連在殼內(nèi)層的分心木取出，測得分心木占比1.98%。核桃殼仁各等級物料1/2、1/4、1/8、1/16殼仁分別占出口總物料量的63.36%、19.66%、10.65%、3.55%。1/2、1/4、1/8、1/16殼分別占總殼量的75.23%、12.40%、8.52%、3.85%，1/2、1/4、1/8、1/16仁分別占總?cè)柿康?5.82%、27.50%、13.22%、3.46%。各等級物料如圖5所示。

2.2 單因素試驗

2.2.1 調(diào)節(jié)閥開度對殼仁分離效果的影響

足夠的吸風量是保證適宜分離風速的前提[15]，每一等級沉降箱內(nèi)設(shè)置的調(diào)節(jié)閥可調(diào)節(jié)主風管道內(nèi)風量對各等級分離系統(tǒng)風量的分配，因此對殼仁分離具有重要的影響。在卸風板開度為30°，喂料速度為6 kg/min條件下，考察調(diào)節(jié)閥開度對殼仁分離效果的影響，結(jié)果見圖6。

圖6 調(diào)節(jié)閥開度對殼仁分離效果的影響

由圖6可以看出，調(diào)節(jié)閥開度在10°～20° 時，仁中含殼率高于10%，小于10° 時風速更小，仁中含殼率更高。同理，調(diào)節(jié)閥開度大于40°以后，殼中含仁率大于7%。所以為了獲得較低的仁中含殼率與較低的殼中含仁率，確定調(diào)節(jié)閥開度優(yōu)選范圍為20°～40°。

2.2.2 卸風板開度對殼仁分離效果的影響

卸風板主要為了調(diào)節(jié)對應(yīng)等級分離系統(tǒng)內(nèi)的風速，便于獲得適宜的殼仁分離風速。在調(diào)節(jié)閥開度為30°，喂料速度為6 kg/min條件下，考察卸風板開度對殼仁分離效果的影響，結(jié)果見圖7。由圖7可以看出，卸風板開度對物料分選效果影響相對較小，當卸風板開度大于45°時，仁中含殼率大于3%，當卸風板開度小于15°時，殼中含仁率大于3%。所以為了獲得較低的仁中含殼率以及較低的殼中含仁率，確定卸風板開度優(yōu)選范圍為15°～45°。

圖7 卸風板開度對殼仁分離效果的影響

2.2.3 喂料速度對殼仁分離效果的影響

單位時間通過分離腔的物料量即喂料速度過大會降低殼仁分離效果，尤其是對于具有一定凹型弧面的核桃殼物料，在分選過程中存在夾帶核桃仁造成殼中含仁率升高以及核桃殼疊加沉降造成仁中含殼率增加的可能。在調(diào)節(jié)閥開度、卸風板開度均為30°條件下，考察喂料速度對殼仁分離效果的影響，結(jié)果見圖8。由圖8可以看出，隨著喂料速度的增加，仁中含殼率與殼中含仁率均增加，為了能夠盡可能降低殼中含仁率，同時保持較低的仁中含殼率，確定喂料速度優(yōu)選范圍為5～7 kg/min。

圖8 喂料速度對殼仁分離效果的影響

2.3 正交試驗

2.3.1 正交試驗結(jié)果

根據(jù)單因素試驗結(jié)果，以仁中含殼率、殼中含仁率為試驗指標進行正交優(yōu)化試驗，正交試驗因素水平見表1，正交試驗設(shè)計與結(jié)果見表2，仁中含殼率與殼中含仁率方差分析分別見表3、表4。

表1 正交試驗因素水平

表2 正交試驗設(shè)計與結(jié)果

表3 仁中含殼率方差分析

表4 殼中含仁率方差分析

由表2可看出，影響仁中含殼率、殼中含仁率的因素主次順序均為A>B>C，即調(diào)節(jié)閥開度對兩個指標的影響最大，其次為卸風板開度，喂料速度影響最小。由表3、表4可知，調(diào)節(jié)閥開度對仁中含殼率與殼中含仁率影響顯著(P<0.05)，而卸風板開度與喂料速度對仁中含殼率與殼中含仁率影響不顯著(P>0.05)。由表2可知，仁中含殼率最優(yōu)方案為A3B1C1，殼中含仁率最優(yōu)方案為A1B3C1。對于仁中含殼率優(yōu)選方案A3B1C1，該條件下調(diào)節(jié)閥開度最大、卸風板開度最小，故分離腔內(nèi)風速最大，雖然可獲得較低的仁中含殼率，但殼中含仁率較高；對于殼中含仁率優(yōu)選方案A1B3C1，該條件下調(diào)節(jié)閥開度最小、卸風板開度最大，故分離腔內(nèi)風速最小，雖然可獲得較低的殼中含仁率，但仁中含殼率偏高，故兩種優(yōu)選方案不予采納。采用綜合平衡法，調(diào)節(jié)閥開度選為A2，對于B、C在保證較低的仁中含殼率與較低的殼中含仁率的同時考慮到設(shè)備生產(chǎn)率因素，選B2、C2，所以最終優(yōu)選方案為A2B2C2，即調(diào)節(jié)閥開度30°、卸風板開度30°、喂料速度6 kg/min作為本套設(shè)備1/2殼仁分選的最優(yōu)運行參數(shù)。

2.3.2 優(yōu)選方案的驗證

在最優(yōu)運行參數(shù)下進行5次重復(fù)試驗，得到該組合參數(shù)下設(shè)備仁中含殼率均值為2.26%，殼中含仁率均值為0.88%，殼仁分選效果較好，既獲得了低的仁中含殼率，又滿足了低的殼中含仁率。

將其他各等級殼仁對應(yīng)分離腔限料板高度調(diào)整至20～30 mm，采用同樣方法開展試驗依次可以獲得其他各等級殼仁混合物料的優(yōu)選方案，最終確定該核桃破殼殼仁分離成套設(shè)備殼仁混合物料氣流分離系統(tǒng)優(yōu)選操作參數(shù)為：調(diào)節(jié)閥開度1/2、1/4、1/8殼仁30°，1/16殼仁15°，兩組分心木15°；卸風板開度1/2殼仁30°，1/4、1/8、1/16殼仁15°～30°，兩組分心木30°～45°；喂料速度1/2、1/4、1/8、1/16殼仁分別為6、2、1、0.35 kg/min。各等級殼仁分離效果見表5。

表5 各等級殼仁物料分選效果 %

按各等級殼仁占比計算破殼殼仁分離加工成套設(shè)備生產(chǎn)能力為560～610 kg/h，實際生產(chǎn)中建議設(shè)備生產(chǎn)能力控制在600 kg/h以內(nèi)。由于各等級殼仁物料分離系統(tǒng)存在相互影響，不同品種核桃以及同品種不同批次核桃破殼后各等級殼仁混合物料占比以及物料幾何形態(tài)存在差異，故實際生產(chǎn)中優(yōu)選工況并非唯一，可首先參照以上優(yōu)選工況調(diào)節(jié)后再根據(jù)殼仁分離效果進行微調(diào)節(jié)。

由表5可以看出，1/4殼仁分選效果最好。依據(jù)項目組研究，主要原因在于1/4殼與仁相對其他等級殼仁懸浮速度差異較大，同時破殼分級后1/4殼仁混合物料中殼占比相對1/2殼占比較小，利于殼仁分離，而對于1/8、1/16殼仁，由于其顆粒度較小，在流場中運動較為劇烈，其運動姿態(tài)變化明顯，導(dǎo)致其迎風面積穩(wěn)定性差，對殼仁分離造成了不利影響。

3 結(jié) 論

通過單因素試驗和正交試驗得出調(diào)節(jié)閥開度對殼仁氣流分離效果影響最大，其次為卸風板開度，喂料速度影響最小。

對于新新2核桃，殼仁氣流分離系統(tǒng)最優(yōu)運行參數(shù)為：調(diào)節(jié)閥開度1/2、1/4、1/8殼仁30°，1/16殼仁15°，兩組分心木15°；卸風板開度1/2殼仁30°，1/4、1/8、1/16殼仁15°～30°，兩組分心木30°～45°；喂料速度1/2、1/4、1/8、1/16殼仁分別為6、2、1、0.35 kg/min。在最優(yōu)運行參數(shù)下，1/2、1/4、1/8、1/16殼仁的仁中含殼率分別為2.26%、1.07%、3.61%、5.57%，殼中含仁率分別為0.88%、0.54%、3.92%、6.85%。

對于核桃破殼殼仁分離成套設(shè)備而言，實際生產(chǎn)中建議原果核桃喂入速度控制在600 kg/h以內(nèi)，依據(jù)加工對象實際情況參照新新2核桃優(yōu)選工況進行初調(diào)節(jié)，然后再根據(jù)殼仁分離效果進行微調(diào)節(jié)。