蓖麻籽压榨制油过程中压缩比与残油率曲线数学拟合模型

刘汝宽， 肖志红， 许方雷， 李昌珠， 黄志辉, 叶红齐

(1. 湖南省林业科学院, 湖南 长沙 410004;2.中南大学 化学与化工学院, 湖南 长沙 410083;3.中南大学 机电工程学院, 湖南 长沙 410083)



蓖麻籽压榨制油过程中压缩比与残油率曲线数学拟合模型

刘汝宽1,2*， 肖志红1， 许方雷3， 李昌珠1， 黄志辉3, 叶红齐2

(1. 湖南省林业科学院, 湖南 长沙 410004;2.中南大学 化学与化工学院, 湖南 长沙 410083;3.中南大学 机电工程学院, 湖南 长沙 410083)

单轴压榨蓖麻籽时，随着压缩比增大或压榨速度降低，蓖麻籽饼的残油率总体呈降低趋势.依据压榨试验实测的数据，通过压榨曲线拟合，建立了压缩比与残油率的数学模型，确定了模型参数并进行误差分析.结果表明，模型模拟值与实测值在有效压缩比2.5～5.2的范围内是吻合的，平均误差约为5%.

蓖麻籽；压榨；曲线拟合；数学模型；蓖麻油

蓖麻籽是一种重要的高含油、低含水工业油料，油脂含量一般高达45%以上[1,2]，多采用物理压榨法制油，其方式有单轴液压压榨、单螺杆压榨、双螺杆压榨、多螺旋压榨等[3～5].由于螺旋压榨效率高、过程连续和榨饼残油率低等特点，应用广泛.但螺旋压榨时，榨膛内部的变化复杂，不便于研究[6,7].比如内部压力究竟是怎么变化的，榨膛的每个确定压缩比的空间内饼的残油率是多少等等，这些都是不便测量的，影响榨膛结构的设计.

为简化研究过程，本文采用自制单轴压榨试验机[4]，进行蓖麻籽单轴压榨过程模拟.通过测定一系列压缩比(ε)所对应的残油率(η残)，从而拟合构建压缩比-残油率关系模型，以期为蓖麻籽压榨制油设备的研制及工艺优化提供技术支撑.

1 材料与方法

1.1 试验设备与材料

蓖麻籽(湘蓖1号，含油量50.40%，自然干燥)：湖南省林业科技示范园；其他化学试剂(均为分析纯)：国药集团化学试剂有限公司(上海).

脂肪测定仪(SZF-06A)：浙江托普仪器有限公司；天平(AB104-N)：梅特勒-托利多国际贸易(上海)有限公司；电热鼓风烘箱(101-E)：上海和呈仪器制造有限公司；双视窗单轴液压压榨试验装置(图1)：自制，内径为39 mm；液压自动加载保压试验机(WEW)：上海和晟仪器科技有限公司.

1.2 试验方法

1.2.1 参数搜集与计算

(1) 粗脂肪含量[8]

GB/T 14488.1—2008.

(2) 压缩比

εn=V0/V=H0/H,

(1)

式中，H为压榨后的榨料高度，mm；H0为压榨前榨料的起始高度，mm；εn为压榨压缩比；V0为压榨前榨料的起始体积，mm3；V为压榨后榨料的体积，mm3.

(3) 残差平方和均值θ及平均误差e

采用残差平方和均值θ、平均误差e来评价模型.

θ=re2/z,

(2)

e2=θ/μ,

(3)

式中，re2为残差平方和；z为实测值个数；μ为应力实测值平方和均值.

1.2.2 单轴压榨试验方法及分组 在室温(25 ℃)条件下，将一定量的蓖麻籽放入榨膛内，应用万能试验机对单轴压榨装置的活塞进行加载[9]，压榨后取饼并测其残油率等相关指标，试验分组如表1所示.

表1 单轴压榨试验分组

单次压榨是指在一个试验中，用万能试验机对单轴压榨试验装置在恒定速度下不间断地压到预设高度.多次压榨则是在一个试验中，用万能试验机对单轴压榨试验装置在恒定速度下压倒第一个预设高度后，停止压榨，对饼进行搅拌松弛，然后第二次进行压榨到第二个预设高度，再次停止压榨，对饼再次进行搅拌松弛，依次下去，进行到最后一个预设高度.

2 结果与分析

2.1 压缩比-残油率试验结果

表2列出了蓖麻籽不同压榨速度条件下蓖麻籽压缩比与残油率的试验结果.

表2 蓖麻籽不同压榨速度条件下的饼残油率

由表2可知，在蓖麻籽压缩比小于2时，基本不出油，研究价值不大，后续曲线拟合及模拟参数构建研究选择蓖麻籽压缩比大于2时进行.综合来看，蓖麻籽压榨制油时，随着压缩比增大或压榨速度的降低，蓖麻籽饼的残油率总体呈降低趋势.

2.2 不同压榨条件下压缩比与残油率变化曲线及其拟合

图2(a)为蓖麻籽单次压榨时饼残油率随压缩比的变化曲线，图2(b)为正常出油段压缩比与残油率拟合曲线.由图2可知，随着压缩比不断增大，蓖麻籽出油迅速增加，残油率不断减小，并且当压缩比达到一定值时，出油缓慢，残油率变化很小.随着压榨速度的减小，残油率也不断地减小，但几种不同压榨速率间的差异并不明显.其原因是压榨速度越大，当压力达到一定值时，往往是上部分蓖麻籽破碎，中间部分和下部分还完好无损，外壳破碎的蓖麻籽中的油脂渗出，流向散体层孔隙，蓖麻籽散体层变成油液半饱和或饱和多孔介质.此后继续压榨，变形主要受油液的渗流影响，油液在多孔介质中的渗流具有明显的时间效应，渗流时间越短，渗流量越小，而且渗流速率变化平缓.若压榨速度比较小，先渗出的油脂有足够的时间流出，散体层不容易形成半饱和或饱和多孔介质.相反，若加载速度过大，油液还来不及流出，油路就被封闭，此时较易形成半饱和或饱和多孔介质.

图3列出了蓖麻籽单次压榨和多次压榨时压缩比与饼残油率直接变化关系及其拟合曲线.由图可知，与单次压榨相比，多次压榨在相同的压缩比下可以达到更低的残油率.其原因主要是在多次压榨时，可以实现“压榨-松弛-压榨-松弛-压榨”等连续动作，使饼的内部结构不断改变，有利于饼更好地出油，这与带锥套螺杆的螺旋压榨过程极为相似.

2.3 压缩比-残油率关系模型参数

综上，蓖麻籽单轴单次压榨的有效出油段对应的压缩比范围是2.5～5.2，结合压缩比-残油率分布规律，依据经验建立模型如下：

η=a1+a2ea3εn，

(4)

式中，η为饼残油率(%)；e为自然对数的底数，e≈2.718 28；a1、a2和a3为待定参数.

如图2和图3所示，在相同压缩比下，蓖麻籽残油率模拟值与实测值比较接近，但仍存在一定的误差.根据试验结果，应用最小二乘法对试验结果进行参数反演，求得蓖麻籽在不同形态下模型参数a1、a2和a3的值，结果见表3.

表3 不同压榨条件下的蓖麻籽压缩比-残油率数学模型参数

2.4 压缩比-残油率关系模拟误差分析

根据试验与模型模拟结果，计算得到残差标准差S、残差平方和均值θ和平均误差e，列于表4.

表4 模型参数误差分析

由表4可得，针对蓖麻籽单次压榨试验，残差标准差S相差不大，残差离散程度不大，均小于1.5%；残差平方和均值θ相差比较大，而平均误差e相差不大，约为5%，这主要是由于单轴液压试验榨机榨膛体积小，而蓖麻籽籽粒存在差异，进而导致初始装料时蓖麻籽分布形态的不同，使得平均误差相对较大.

3 结 论

(1) 蓖麻籽单轴压榨时，随着压缩比增大或压榨速度的降低，蓖麻籽饼的残油率总体呈降低趋势.压榨速率对蓖麻籽饼残油率影响较大.一定压缩比时，速率越大，残油率越高；在相同压缩比下，多次压榨相对单次压榨可以达到更低的残油率.

(2) 通过对有效出油段饼残油率曲线拟合，建立了压缩比与残油率的数学模型，确定了模型参数并进行误差分析.结果表明，压缩比在2.5～5.2内，模型模拟值与实测值在一定程度上是吻合的，平均误差约为5%.

[1] 张良波, 刘汝宽, 廖博爱, 等. 蓖麻籽含油率测定的近红外模型[J]. 农学学报，2014, 4(7): 78-81.

[2] 刘汝宽, 程鑫鑫, 肖志红, 等. 蓖麻蒴果剥壳过程中的力学性能有限元仿真[J]. 中国粮油学报，2015, 10(5): 55-58.

[3] 解士聪, 黄志辉, 李昌珠, 等. 一种螺旋榨油机榨膛内表面温度预估方法[J]. 华南农业大学学报，2014(6): 110-113.

[4] 刘汝宽, 黄志辉, 李昌珠, 等. 一种植物油料压榨试验方法及装置:201310270033.3[P]. 2013-10-30.

[5] 郑晓，林国祥，游燕，等. 棉籽和蓖麻籽的冷榨试验与数值模拟[J]. 农业工程学报，2007, 23(9)：260-254.

[6] 黄志辉, 许方雷, 李昌珠，等. 蓖麻籽不同状态不同压榨方式下压缩比与轴向应力关系的研究[J]. 华南农业大学学报,2015(1): 31-33.

[7] 李昌珠, 刘汝宽，杨星星，等. 油料冷态压榨过程中油脂迁移速率影响因素分析[J]. 湖南林业科技,2015, 42(2): 1-3.

[8] 中国国家标准化管理委员会.植物油料含油量测定：GB/T 14488.1—2008[S].

[9] 刘汝宽, 施亮林, 肖志红, 等. 压榨时间和压力对蓖麻籽压榨性能的影响及其数学拟合研究[J]. 中国粮油学报,2014, 29(10): 51-55.

责任编辑：朱美香

Curve Fitting and Model of Compression Ratio and Residual Oil in Pressing Process of Castor Beans

LIURu-kuan1,2*,XIAOZhi-hong1,XUFang-lei3,LIChang-zhu1,HUANGZhi-hui3,YEHong-qi2

(1.Hunan Academy of Forestry, Changsha 410004;2.College of Chemistry & Chemical Engineering, Central South University, Changsha 410083;3.College of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University, Changsha 410083)

Castor bean is an important kind of industrial oilseeds with high oil content and low moisture content. In uniaxial press, residual oil of castor bean cake decreased with the increase of compression ratio and decrease of pressing speed. Based on the experimental data and curve fitting, a mathematical model of compression ratio and residual oil was established, and the parameters were obtained. Results of error analysis showed that the values between measured and simulated fit well in effective compression ratio 2.5～5.2, and the average error is about 5%.

castor bean; press; curve fitting; mathematical model; castor oil

2015-03-25

国家自然科学基金项目(31470594)；国家林业局公益项目(201304608)

刘汝宽(1981— ),男，山东 滕州人，副研究员.E-mail:liurukuan@gmail.com

TQ 644.13

A

1000-5900(2015)03-0059-05