蓖麻籽螺旋压榨制油影响因素分析及其摩擦系数的计算

刘汝宽 许方雷 肖志红 李昌珠 黄志辉 叶红齐

蓖麻籽螺旋压榨制油影响因素分析及其摩擦系数的计算

刘汝宽1，2许方雷3肖志红1李昌珠1黄志辉3叶红齐2

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

蓖麻籽是一种重要的高含油、低含水工业油料。采用螺旋压榨法制油时，其操作温度直接关系到油品质量和制油效果。蓖麻籽经过螺旋压榨后，其主要内含物蓖麻油以液态形式聚集并在压力的作用下从蓖麻籽中分离出来，这个过程主要受内外两方面因素的影响。蓖麻籽组成、入料形态和是否进行升温调质等多种因素直接决定了蓖麻籽螺旋压榨的效果；螺旋榨油机的榨轴转速和出饼口孔径直接制约了油料输送速率和出油效果。通过多工况下的组合试验及均值化处理，得到了单螺旋榨油机的实际输送速率和当量摩擦系数等参数。蓖麻籽直接进料压榨，在榨轴平均转速为50.25 r／min、出饼口孔径5 mm时，平均压缩比为4.28、输送效率为4.41 kg／h、饼残油率14.86%。

蓖麻籽 螺旋榨油机 摩擦系数 蓖麻油

蓖麻是世界十大油料作物之一，其籽中蓖麻油质量分数为46%～55%［1］，这种油脂中富含羟基和双键，有利于进行化学改性，用于生产可降解生物材料和制备航空、航天和精密仪器等的生物润滑剂［2－3］。我国是世界第二大蓖麻种植国，对蓖麻油的需求量大，缺口达70%以上。

油料加工制油的方法主要有机械压榨法和溶剂浸出法［4］，因蓖麻籽含油量较高多采用先压榨再浸提的方式提取蓖麻油。机械压榨由于没有经过化学处理，油品质好，色泽浅，特别是冷态压榨，又称原生态压榨［5］。单螺杆压榨属动态压榨，油料在榨膛内不仅作轴向运动和圆周运动，而且油料自身内部也在不断地混合。这样可以建立新的油路，弥补由于压力的增大，油料的进一步压缩导致部分油路的闭合。即单螺杆压榨相对直筒式压榨在相同的压力下［6－7］，可以在更短的时间内达到相同的残油率。

本试验旨在探究螺旋压榨过程中油料自身特性和榨机参数对压榨过程及效果的影响，建立两者之间的关系，进而为蓖麻籽高效加工制油提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

蓖麻籽（湘蓖1号，自然干燥）：湖南省林业科技示范园。

螺旋榨油机（CA59G）：德国KOMET；脂肪测定仪（SZF－06A）：浙江托普仪器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 蓖麻籽主要内含物含量的测定方法

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；粗纤维含量［12］：GB／T 5515—2008；灰分［13］：GB／T 5505—2008。

1.2.2 低温压榨步骤

在室温（25℃）条件下，调节压榨条件，将一定量的蓖麻籽放入螺旋榨机榨膛内进行压榨，同时取饼并测其残油率等相关指标［14］。

1.2.3 均值化处理

均值化处理是指实际操作过程中，各操作参数不断调整变化，其试验结果亦会呈现不同的变化。为了方便研究，对这些操作参数及结果进行先求和再平均，然后再进行合理分析。如平均残油率是指在不同压榨条件下，几种不同蓖麻籽饼残油率的平均值。文中除特别明确为“平均残油率”外，其他均为单次试验的饼残油率。

1.2.4 膨胀系数的定义与计算

单螺杆榨膛内的饼被挤压的过程中，所受的压力由某一值逐渐地降低到0，将导致其膨胀，故在此引入膨胀比η。膨胀比η的定义为：

式中：Vp为在榨膛内压榨过程中饼粕所达到的最小体积；Vo为饼粕所受压力为零时的体积。

根据蓖麻籽压榨过程中的实际情况，取η－1＝0.9。

1.2.5 油料与榨机部件之间的摩擦系数

油料与螺杆、榨笼的摩擦系数是影响输送率的重要因数。因榨膛是封闭的，而且榨料在榨膛内不断地被压缩过程中，榨料与螺杆、榨笼的摩擦系数也在不断变化，故此对螺杆、榨笼的摩擦系数作如下假设［15］：

①假定主压榨段榨料与螺杆的摩擦系数（fs）、榨料与榨笼的摩擦系数（fb）不变。

②假定主压榨段榨料与螺杆、榨料与榨笼两摩擦系数相等，且为当量摩擦系数（fd），即fs＝fb＝fd。

2 结果与分析

2.1 蓖麻籽的基本成分及最佳入榨条件分析

2.1.1 蓖麻籽的基本成分分析

蓖麻籽中的主要内含物（如水分、脂肪、纤维素和蛋白质等）会影响其物理结构，进而影响压榨制油过程及效果。在研究其剥壳的过程中发现，成熟的蓖麻籽采收后，其水分很快降至6% ～8%［16］。采用国标化学测量法，测定了蓖麻籽的主要内含物含量，可知蓖麻籽是一种高含油（47.0%）、高含蛋白（17.1%）、低含水（6.8%）的油料，其中淀粉、粗纤维及灰分质量分数分别为3.4%、23.6%和2.1%。

2.1.2 最适入料温度的理论分析

油料压榨制油时，其含水率变化一般遵循“高温低水分，低温高水分”的规律，其具体的值可以根据N.B.葛符里林柯经验公式计算［17］：

式中：c为油料含水率／%；T为榨料压榨温度／℃；k为油料含油率校正系数，k＝ （100 －M）／55；M为入榨料含油率／%。

根据蓖麻籽内含物指标计算，适合入料压榨的蓖麻籽温度为70.8℃。因此，控制好蓖麻籽的含水率是有效调整低温冷榨效果的重要因素。但限于实验室条件难以实现蓖麻籽的稳定调质，因此后续开展的试验工作，主要集中在不同形态的蓖麻籽直接入料压榨并搜集过程参数。

2.1.3 最适入料形态

试验对比了完整蓖麻籽和碾碎蓖麻籽等两种不同入料形态、不同压榨条件下的压榨效果并搜集其过程参数，其结果见表1。以蓖麻籽饼的残油率和实际输送速率等指标为依据，碾碎蓖麻籽相对于完整蓖麻籽而言具有一定优势，但相差不大。结合实际生产，蓖麻籽直接入料压榨更符合现实操作要求。

2.2 榨机可调工作参数的影响

2.2.1 榨轴转速的影响

固定出饼口孔径时，榨轴的转速一定程度上直接影响着物料的输送速率，并且榨油机输送率的影响因素很多，导致实际生产率与理想输送率存在一定偏差，其结果如图1和图2所示。理想输送率与榨轴转速呈一次线性关系，即随着榨轴转速的增加，输送速率增大，然而实际输送率随榨轴转速增加的速率小于理想输送率。均值条件下压榨，实际输送率约占理想输送率的75%～80%。这与实际情况是相符的，随着转速的增大，实际输送率不可能无限增大。

表1 单螺旋压榨时实际压缩比、残油率及实际输送率

图1 完整籽理想输送率与实际输送率

图2 碾碎籽理想输送率与实际输送率

2.2.2 出饼口孔径的影响

图3依次列出了出饼口径为4 mm和10 mm时，得到的不同饼粕形态。直观上看，出饼口径越小，饼粕被挤出表面越光滑。采用较小口径（4、5、6 mm）饼粕表面基本光滑、成型较好；采用较大口径时，即当出饼口径增大到10 mm时，饼粕表面比较粗糙、成型不理想。

图3 单螺旋压榨时不同出饼口孔径对饼粕成型效果的影响

另外，碾碎籽的输送率大于完整籽的输送率，这是因为榨膛输送段完整籽的充满度要小于碾碎籽的充满度，即相同体积容器内，小颗粒相对大颗粒能够把容器填充更加密实。

2.3 油料与榨机部件之间的相互作用分析

2.3.1 当量摩擦系数的计算

由固体牵引角和单螺杆塞流输送量计算公式［18］，结合表1 中的参数，取螺杆转速为38 r／min，

出饼口径为4 mm时的实际输送率Q，计算当量摩擦系数得：

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

因fd1、fd2与实际不符，故取fd3为此条件下的当量摩擦系数。

2.3.2 当量摩擦系数与实际摩擦系数的关系分析

实际生产中，为保证油料在榨膛内有足够的压榨时间及压榨压力，螺杆转速、出饼口径或出饼厚度不宜过大。故只研究转速为16、38 r／min及出饼口径为4、5和6 mm条件下的当量摩擦系数。应用相同方法求得各条件下当量摩擦系数fd及平均值fd（经计算，完整籽压榨的当量摩擦系数与碾碎籽当量摩擦系数基本相等），如表2所示。当量摩擦系数均小于0.431 6。因实际榨料与螺杆的摩擦系数fs与榨料与榨笼的摩擦系数fb并不相等，且fs＜fb，所以当量摩擦系数并非是实际摩擦系数。随着fs的减小、fb的增大均有利于螺旋榨油机输送率的提高。若摩擦系数fs小于当量摩擦系数，fb大于当量摩擦系数，这样势必会使输送率增大，与实际不符。若摩擦系数fs大于当量摩擦系数，fb小于当量摩擦系数，这样会使输送率变小，与实际不符。由此可知，实际摩擦系数fs、fb应均小于或均大于当量摩擦系数，这样才能保证实际输送率不变。依据实际情况可知，实际摩擦系数fs、fb应均小于当量摩擦系数（0.431 6）。

表2 当量摩擦系数

2.4 榨机性能分析

蓖麻籽经过螺旋压榨后，蓖麻籽被压缩，其主要内含物蓖麻油以液态形式聚集并在压力的作用下从蓖麻籽中分离出来。因油料为直接进料，未进行调质处理，在合理出饼孔径4、5、6 mm下，取其参数均值，得到在榨油机榨轴平均转速为50.25 r／min、出饼口孔径5 mm时，油料的平均压缩比为4.28、输送效率为4.41 kg／h、残油率为14.86%。

3 结论

3.1 采用螺旋压榨法制油时，其操作温度直接关系到油品质量和制油效果，适合入料压榨的蓖麻籽温度约为70℃。在实际操作中，有效控制好蓖麻籽的含水率是调整低温冷榨效果的重要因素。

3.2 蓖麻籽经螺旋压榨后，其主要内含物蓖麻油以液态形式聚集并在压力的作用下从蓖麻籽中分离出来，这个过程主要受内外两方面因素的影响。蓖麻籽组成、入料形态和是否进行升温调质等多种因素决定了蓖麻籽螺旋压榨的效果；螺旋榨油机的榨轴转速和出饼口孔径制约了油料输送速率和出油效果。

3.3 通过多工况下的组合试验及均值化处理，得到了单螺旋榨油机的实际输送速率和当量摩擦系数等参数。蓖麻籽直接进料压榨，在榨轴平均转速为50.25 r／min、出饼口孔径5 mm时，平均压缩比为4.28、输送效率为4.41 kg／h、残油率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

国家自然科学基金项目（31470594），长沙市科技计划（K1508130－61）

2014－09－22

刘汝宽，男，1981年出生，副研究员，化工工艺、油料资源利用技术

肖志红，男，1974年出生，研究员，生物质能