油料冷态压榨过程中油脂迁移速率影响因素分析

李昌珠, 刘汝宽, *, 杨星星, 肖志红, 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)

油料冷态压榨过程中油脂迁移速率影响因素分析

李昌珠1, 刘汝宽1, 2*, 杨星星3, 肖志红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)

针对油料压榨制油过程中的流体流速模型，分析了宏观轴向应力对油脂流动速率的影响。结果表明：油料压榨过程中，油脂逐渐流出油料散体，导致油料孔隙中油脂越来越少，使得孔隙流体的压力逐渐降低并趋于水平，总体上表现为孔隙流体压力随着时间的增长而逐渐减小。因此，合理控制保压时间和压力是提高压榨效率的重要手段。

油料； 冷态压榨； 油脂

油料压榨制油时[1]，榨筒与油料在压榨过程中始终相互作用，同时受到轴向挤压和侧向限制产生破裂，当变形达到一定值时，存在于油料细胞中的油脂逐渐被挤压出来，渐渐地充满油料之间空隙[2]。随着压力的增加，空隙减小，油脂沿着油路被挤出榨筒，同时油料被压实形成饼粕[3]。

压榨过程中[4-6]，油料呈现多孔介质，散体孔隙中充满了油脂，此主要由油料固相颗粒和液相油脂组成，固相颗粒与孔隙流体共同承担着外载荷，油脂逐渐形成大油滴，开始在油料中流动，由于油脂受到重力作用且榨筒上半段壁上无出油孔，油脂将会随着轴向向下运动到达油盘，最后随着油液液面的升高，油脂从油盘与榨筒之间孔隙和榨筒下半段壁孔流出榨筒。油脂大部分从榨筒的下部几层的壁孔流出，榨筒上部中的油脂几乎沿轴向流动，并且在压榨过程中主要关注活塞所受轴向合力，即榨筒上部受力情况，因此在分析孔隙流体压力时可利用一维压榨理论进行分析。

早期的研究大部分关注的是出油率(或残油率)与压力及压榨时间的关系，基本是实验性总结得到的关系式[7-9]，但均未研究其压榨过程中油料孔隙流体流速变化。本文针对油料直筒式压榨[10]，通过简化假设建立了一维压榨模型，并对油料微元进行受力分析，结合油料直筒式压榨过程中油脂流速及流量模型，分析压榨因素对油脂流动速率的影响，以期为油料的低温压榨制油产业化提供基础数据。

1 研究方法

1.1流速模型理论简化假设

为分析压榨过程中轴向应力情况且忽略榨筒底部径向流动的影响，结合一维压榨固结理论[11-12]，做以下假设：

① 压榨过程中位于轴向位置处的油料轴向速度相同；

② 忽略压榨过程中无出油孔上半段和榨筒底部油脂的径向运动；

③ 榨筒底部与油盘间隙较大，油液只从榨筒底部流出；

④ 油料中固相可压缩，但真密度和体积不变，只发生形变，油脂不可压缩；

⑤ 压榨过程中油料始终处于饱和状态，且油脂的流动服从达西定律。

1.2一维压榨模型

根据假设，简化而得到的一维压榨模型如图1(左)所示，并建立固相坐标系(表示从油料底部到某一位置，单位面积油料中固相的体积)，图1中σ0为恒压过程活塞所施加的应力，H′为整个厚度上单位面积中固相的体积。取简化模型中任意微小单元进行分析，微元内液相渗流情况如图1(右)所示，dZ′为微元单位面积上固相体积，V为油脂流入微元的流速(即单位时间流入单位面积的流体体积)。

图1 油料散体孔隙流体简化模型Fig.1 Fluid model of pore dispersion for oilseeds

1.3流体流速模型

依据前期的研究[13]，压榨过程中的油脂流速取决于保压压力、压缩系数和压榨系数，流速表达式：

(1)

其中，αv——压缩系数；σ0——活塞施加的总应力，即压榨总压力；e——孔隙比；Cv——压榨系数；H——油料高度。

2 结果与分析

2.1油料高度对油料孔隙流体压力影响

在压榨过程中，往往关注的是容易测量的活塞所施加的轴向应力，可通过监测活塞轴向应力变化判断油液流出情况。主要分析活塞附近油料上端面孔隙流体压力u(H,t)变化(即是油料散体与活塞接触处，油料孔隙的流体压力，孔隙流体模型H中处的流体压力值)，可得：

(2)

假设保压过程中压榨系数恒定不变，利用已知的常见油料压榨系数进行分析。根据文献[14]中压榨总压力σ0=40 MPa及压榨温度为室温(22 ℃)时，油料高度H=8 mm对应的平均压榨系数为Cv=0.562 7 mm2/s，H=16 mm对应的平均压榨系数为Cv=0.785 5 mm2/s，分别代入式(2)可得到油料高度对油料上端面孔隙流体压力变化规律的影响关系，如图2所示。

图2 油料高度对活塞处孔隙流体压力变化规律的影响Fig.2 Effect of oilseeds height on fluid pressure of pore at the piston

由图2可知，孔隙流体压力随着时间的延长逐渐减小，但在同一时刻孔隙流体压力随着油料高度增加而变大。这是由于油料高度越高，油液流动路径就越长，流动阻力增大，导致孔隙流体压力增加。生产中常常在榨筒壁上打出油孔，以减少油路长度，加快出油。同时，油脂流完所需时间随油料高度增加。

2.2压榨系数对油料孔隙流体压力影响

Cv不仅是压榨后油料高度的函数，也是压榨总压力σ0的函数[15]，其值随压榨总压力的增加而减小，为寻求不同压榨压力下压榨系数对孔隙流体压力的影响，引入油料上端面无量纲应力φ，且定义为：

(3)

由上式可知无量纲应力φ可视为孔隙流体压力变化率，选用对应的参数[15]，当油料高度H=16 mm和压榨压力σ0分别为20、40、60 MPa时，对应的平均压榨系数Cv分别为1.6997mm2/s、0.7855mm2/s、0.5595mm2/s，代入式(3)，得到压榨系数对无量纲应力φ变化规律的影响关系，如图3所示。

图3 压榨系数对油料上端面无量纲应力φ变化规律的影响Fig.3 Effect of squeezing coefficient on dimensionless stress of oilseeds

由图3可知， 压榨系数越大，油料上端面无量纲应力下降速度越快，压榨系数越大越有利于油液的流出。图中无量纲应力均大于零，因此压榨压力越大孔隙流体压力越大，流体流速越大，可知压榨系数随着压榨总压力增大而减小，不利于油液流出，因此压榨过程中，压榨压力并不是越大越好。

3 结论与讨论

油料压榨过程中，由于油脂逐渐流出油料散体，导致油料孔隙中油脂越来越少，使得孔隙流体的压力逐渐降低并趋于水平，总体上表现为孔隙流体压力随着时间的增长而逐渐减小。因此，合理控制保压时间和压力是提高压榨效率的重要手段。

[1] 郑晓. 油料压榨理论与试验研究[D]. 武汉:武汉理工大学, 2005.

[2] 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, 36(1): 101-105.

[3] 黄志辉, 施亮林, 李昌珠, 等. 蓖麻籽冷榨塑性模型试验研究[J]. 华南农业大学学报, 2013, 34(4): 589-592.

[4] 解士聪, 黄志辉, 李昌珠, 等. 1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, 35(6): 104-107.

[5] 李昌珠, 肖志红, 刘汝宽, 等. 光皮树果实专用型螺旋冷榨机的压榨性能研究[J]. 湖南林业科技, 2013, 40(2): 6-8.

[6] 黄志辉, 白鹏展, 刘汝宽, 等. 基于蠕变试验的蓖麻籽压榨非线性流变模型[J]. 沈阳农业大学学报, 2014, 45(6): 11-14.

[7] 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.

[8] 黄志辉, 程鑫鑫, 李昌珠, 等. 蓖麻果实破壳力学模型及其主要影响因素研究[J]. 沈阳农业大学学报, 2013, 44(2): 185-189.

[9] 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):260-264.

[10] 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: 中国, 201310270033.3[P]. 2013-10-30.

[11] 赵扬. 滤饼微观结构与压榨过滤理论的研究[D]. 杭州: 浙江大学, 2006.

[12] Shirato M, Murase T, Iwata M, et al. The Terzaghi-Voigt combined model for constant-pressure consolidation of filter cakes and homogeneous semi-solid materials[J]. Chemical Engineering Science, 1986, 41(12): 3213-3218.

[13] 杨星星. 蓖麻籽多工位直筒式压榨工艺及控制功能规划研究[D]. 长沙: 中南大学, 2014.

[14] Bargale P C. Mechanical oil expression from selected oilseeds under uniaxial compression[D].PhD Thesis, Department of Agricultural & Bioresource Engineering, University of Saskatchewan, Saskatoon, Canada, 1997.

[15] Singh J, Bargale P C. Mechanical expression of oil from linseed (Linum usitatissimum L)[J]. Journal Oilseeds Research, 1990, 7(1): 106-110.

Analysisonfactorsofoilmigrationrateincoldpress

LI Changzhu1, LIU Rukuan1,2*, YANG Xingxing3, XIAO Zhihong1, HUANG Zhihui3, YE Hongqi2

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

Based on the flow model of oilseed for oil in cold pressing, factors for flow rate of oil were analyzed. The results showed that oil in pore of oilseeds decreased as oil flowed out of dispersions, and pressure of pore decreased gradually, making the overall performance of the pore fluid pressure decreased with increase of time. Therefore, the reasonable control of pressure holding time and squeezing pressure are important means to improve the compression efficiency in oilseeds pressing.

oil seed; cold press; oil and fat

2014-12-12

国家林业局公益项目(201304608)；湖南省科技计划(2013NK3059)。

李昌珠(1964-)，男，湖南省道县人，博导，主要从事生物质能和工业油料植物研究。

*为通讯作者

TQ 641

A

1003-5710(2015)02-0001-03

10. 3969/j. issn. 1003-5710. 2015. 02. 001

(文字编校：张 珉)