Установка для нанесения защитных покрытий на семена зерновых культур

УДК 631.3

Установка для нанесения защитных покрытий на семена зерновых культур

Мальцев М.В., кандидат технических наук

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет инженерных технологий», кафедра промышленной экологии, оборудования химических и нефтехимических производств

394036, Россия, г. Воронеж, проспект Революции, д. 19

E-mail: max_proekt@mail.ru

Исследования проводились на базе ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» в 2010–2019 годах. Целью данной статьи является обоснование применения предлагаемой новой конструкции установки для нанесения защитных покрытий на семена сельскохозяйственных культур. Выбор устройств для нанесения покрытий, а также их конструктивно-технологических параметров в первую очередь зависит от предполагаемых задач, решаемых нанесением, месторасположения установки, физико-химических свойств покрытий, объёмов и вида зерна, инвестиционных возможностей для вложения в оборудование, продолжительности хранения зерна, целостности покрытия. Значительное влияние на качество обработки зерна оказывает химический состав покрытия. В настоящее время применяются материалы, в составе которых могут быть использованы вещества, меняющие свои реологические свойства во время эксплуатации оборудования в различных температурных режимах. Прохождение семян через сплошную пространственную плёнку жидкости обеспечивает наиболее эффективное распределение материала покрытия по всей их поверхности. Основным технологическим преимуществом данного конструктивного решения является возможность создания и регулирования параметров течения пространственной завесы материала покрытия, а также регулирование скорости прохождения семян через плёнку жидкости. Обобщены результаты исследований конструкций современных установок. В статье представлено описание конструкции и работы установки для нанесения защитных покрытий на различные виды семян зерновых культур. Материалы статьи могут служить основой для разработки рекомендаций по нанесению покрытий на зерна в условиях зернопроизводящих хозяйств и в других организациях, связанных с обработкой и хранением зерна.

Ключевые слова: нанесение покрытий, обработка семян, пространственная плёнка жидкости, гидрофобизация, протравливание.

В настоящее время для повышения посевных качеств семян зерновых культур в хозяйствах производят их обработку: послеуборочную, предпосевную, воздушно-тепловую, защитно-стимулирующую, инкрустирование и весьма редко дражирование. Широко применим и способ протравливания семян, заключающийся в нанесении на их поверхность пестицидов в виде плёночного покрытия на основе водорастворимых полимеров (Косьяненко, 2019).

Применение плёнкообразующих составов является ведущей стратегией применения химических средств защиты растений для предпосевной подготовки семян (Лебединцев, Тютерев, 1994). Известны три основных способа нанесения защитно-стимулирующих средств на семена: дражирование, инкрустация, гидрофобизация. Наиболее качественную предпосевную подготовку семян обеспечивает метод гидрофобизации, позволяющий стимулировать рост и урожайность растений в засушливых условиях даже без применения других защитно-стимулирующих средств (Корозинников, Тагаева, Троязыков, 2001). Только метод гидрофобизации обеспечивает применение повышенных дозировок кремнийорганических криопротекторов, позволяющих стабилизировать урожайность озимых культур в жёстких условиях.

Однако отсутствие машин для обработки семян хлороформным раствором полистирола ограничило масштаб применения гидрофобизации семян только опытными работами. Предложен способ предпосевной обработки семян с помощью гидрофобной парафино-восковой системы нового состава (Красавцев, 2017). Учитывая физико-механические свойства этой композиции, применение такой системы потребует специального оборудования.

Процессы покрытия частиц по принципу организации могут быть разделены на два основных типа: периодические и непрерывные процессы. Из-за потребности в постоянных операциях загрузки и разгрузки аппарата для нанесения покрытия считается, что периодические процессы менее эффективны и более дорогостоящи, чтобы использоваться в коммерческих технологических операциях с большой производительностью (Небукин, 2019).

Непрерывные процессы по нанесению покрытий могут быть проведены в ряде аппаратов и установок. Одной из таких является установка для предпосевной обработки семян сельскохозяйственных культур (Абезин, Карпунин, Цепляев, Порываева, 2007), состоящая из бункера для семян, камеры обработки, транспортёра с ячейками для семян. Она отличается тем, что бункер для семян оборудован дозатором, камера обработки выполнена в виде ванны, транспортёр выполнен V-образным, из бесконечной коробообразной ленты с перфорированным днищем и поперечными рёбрами, образующими ячейки, при этом транспортёр охватывает приводной, натяжной и выгрузной барабаны и зафиксирован удерживающими роликами. Недостатком работы установки является засорение ячеек транспортёра.

Известна конструкция протравливателя семян, содержащая бункер с дозатором семян, транспортирующий наклонный шнек, камеру распыления жидкости с распыляющими органами (Сорокин, Рычков, Глазунов, Васильев, Филатов, 2015). Факелы распыления жидкости направлены поперёк падающего потока семян. Однако распыление не обеспечивает равномерности нанесения покрытий на поверхность семян. Повышение качества обработки семян раствором рабочей жидкости может быть обеспечено в протравливателе семян пневмомеханического типа (Нуруллин, Дмитриев, Халлиулин, Маланичев, Чернявский, 2008). Протравливатель снабжён сообщённым с дозатором бросковым вентилятором с лопаточным колесом. Распылители высокого давления подают рабочую жидкость в виде мелкодисперсной структуры на поток движущихся семян, полностью покрывая обрабатываемую поверхность.

Общим недостатком протравливателей является применение механических (шнековых и скребковых) транспортирующих и подающих рабочих органов, что приводит к увеличению энергоёмкости процесса обработки, а также к повреждению семян. Известна конструкция протравливателя, в котором загрузочное устройство выполнено в виде полого пневмотранспортного трубопровода (Нуруллин, Зейнутдинов, Файзулин, 2018). Причём загрузочное устройство оснащено загрузчиком, выполненным в виде перевёрнутого усечённого конуса с углом наклона боковой стенки к горизонту 700, нижняя выходная горловина которого герметично соединяется с бункером для семян, а верхняя горловина — с всасывающим патрубком центробежного вентилятора.

Использование метода распыления для нанесения покрытий на семена имеет ряд существенных недостатков, таких как неравномерность покрытия и налипание жидкости на элементы оборудования. Кроме этого, необходимо учитывать экологические требования при использовании в качестве покрытий различных пестицидов. Наличие в оборудовании устройств для создания плёночной завесы жидкости, покрывающей семена, позволит исключить вышеуказанные недостатки.

При разработке оборудования основной технической задачей являлось обеспечение сплошности плёнки жидкости и возможности регулирования её толщины.

Поставленная задача достигается тем, что установка для нанесения покрытия на обрабатываемые семена содержит питатель покрывающей жидкости, размещённую соосно с распылителем камеру с патрубками подвода жидкости и выходным кольцевым отверстием в нижней части и сборник покрывающей жидкости, снабжённый камерой подвода покрывающей жидкости, выполненной в виде двух коаксиальных цилиндров, размещённых соосно с питателем семян, в нижней части внутреннего цилиндра жёстко закреплён усечённый конус, а в нижней части наружного цилиндра закреплена цилиндрическая оболочка, выполненная из эластичного материала, при этом нижний торец оболочки свободно прилегает к большему основанию усечённого конуса внутреннего цилиндра.

На рис. 1 изображена установка в общем виде. Установка для нанесения покрытий на частицы материала содержит корпус 1 с патрубками 2 и 3 для подвода и отвода теплоносителя, по оси которого расположен распылитель 4 семян, питатель 5 семян, размещённую соосно с распылителем 4 камеру 6 подвода жидкости, выполненную в виде двух коаксиальных цилиндров, в нижней части внутреннего цилиндра жёстко закреплён усечённый конус 7, в нижней части наружного цилиндра закреплена цилиндрическая эластичная оболочка 8 при помощи хомута 9, при этом нижний торец эластичной оболочки свободно прилегает к большему основанию усечённого конуса внутреннего цилиндра и сборнику 10 покрывающей жидкости. Кроме того, устройство снабжено установленным соосно с распылителем 4 с возможностью вращения вокруг оси корпуса 1 отбойным устройством, выполненным в виде конической камеры 11 с разбрасывателем 12 на её выходном торце.

D:\Жидкие струи\Статьи в ВАК\Кормопроизводство\Патент Фрагмент.jpg

Рис. 1. Установка для нанесения защитных покрытий

Установка для нанесения покрытия содержит привод питателя 13 и цилиндр 14 для подвода семян в распылитель 4. На валу 15, установленном на подшипниках 16 и имеющем привод вращения 17, закреплён распылитель семян 4 и отбойное устройство. Подшипники 16 установлены в крышке корпуса 1, служащего одновременно и сушильной камерой. Для распределения теплоносителя по сушильному объёму служит распределитель 18.

Для подачи семян в цилиндр 14 служит бункер 19, в котором размещён питатель 5. Покрывающая жидкость поступает по трубопроводу 20. На рисунке буквой Г обозначен подвод и отвод теплоносителя, а буквой Т — подвод и отвод обрабатываемых семян.

Установка работает следующим образом. Подлежащие покрытию семена поступают в бункер 19, откуда шнековым питателем 5 подаются по цилиндру 14 в распылитель 4. При прохождении семян из бункера 19 через питатель 5 происходит их слипание, образование комков, агломератов. Образованные агломераты разбрасываются распылителем 4 при вращении последнего от электропривода 17. В результате соударения агломератов с вращающейся конической камерой 11 агломераты разбиваются на отдельные семена. Последние поступают на разбрасыватель 12. Жидкость поступает по трубопроводу 20 в камеру 6 под действием избыточного давления, возникающего в камере покрывающей жидкости, свободный торец эластичной оболочки 8 деформируется, образуется кольцевая щель, через которую жидкость вытекает в виде сплошной куполовидной завесы. Семена проникают с большой скоростью сквозь куполовидную жидкостную плёнку. При этом происходит нанесение на каждое семя определённого количества жидкости. Ширина щели, а следовательно толщина куполовидной завесы, регулируется изменением величины избыточного давления в камере 6.

Под действием сил поверхностного натяжения жидкость равномерно распределяется по поверхности семян, после чего последние высушиваются в полёте в потоке теплоносителя.

Предлагаемая установка для нанесения покрытия является высокоэффективным аппаратом непрерывного действия, позволяет обеспечивать хорошее качество покрытия при высокой производительности процесса, а также осуществлять регулирование параметров истечения жидкостной плёнки.

Эффективность осаждения семян на плёнку жидкости зависит от ряда факторов. Среди них наиболее важными являются скорость семян, которая должна быть достаточной, чтобы преодолеть сопротивление жидкости после проникновения внутрь плёнки, и оптимальная толщина плёнки для смачивания семян.

Действие различных сил на семя, подведённое к поверхности плёнки жидкости, показано на рис. 2.

D:\Жидкие струи\Статьи в ВАК\Кормопроизводство\Частица через пленку.jpg

Рис. 2 Действие различных сил при прохождении семени сквозь плёнку жидкости

Наибольший интерес представляет перемещение семени в перпендикулярном по отношению к поверхности плёнки жидкости направлении, суммируя действия вертикальных составляющих:

,

где α — равновесный угол; θ — угол смачивания; β — угол формы семени. Сила FЦ, действующая на семя, зависит от работы центробежного распылителя установки и определяется выражением:

,

где m — масса частицы; ω — угловая скорость распылителя; R — радиус распылителя.

Согласно данным, приведённым в работе (Зайцев, 1997), при толщине плёнки меньше, чем размер семени, работа отрыва семени значительна. Эффективность нанесения покрытия снижается с уменьшением толщины плёнки жидкости, так как это может привести к разрушению её целостности.

Заключение. Предложена новая конструкция установки для нанесения защитных покрытий на семена зерновых культур, позволяющая применять материалы покрытий с различными физико-химическими свойствами, а также регулировать толщину плёнки жидкости и, соответственно, толщину покрытия.

Литература

1. Зайцев А. И. Оборудование для нанесения оболочек на зернистые материалы / А. И. Зайцев. — Москва, 1997. — 272 с.

2. Касьяненко А. В. Совершенствование технологии подготовки семян зерновых культур к озимому посеву в условиях аридизации климата: автореф. дисс. … к-та техн. наук: 05.20.01. — Зерноград, 2019. — 172 с.

3. Корозинников Ю. С. Химические средства предпосевной подготовки семян / Ю. С. Корзинников, Е. Ю. Тагаева, Д. Д. Троязыков // Интеллектуальные и материальные ресурсы Сибири. — Иркутск: ИрО АН ВШ, 2001 — С.67‒79.

4. Красавцев Б. Е. Разработка состава парафино-воскового защитного покрытия для предпосевной обработки семян озимой пшеницы / Б. Е. Красавцев // Научный журнал КубГАУ. — 2017. — № 126 (02). — С.10‒22.

5. Лебединцев О. В. Стратегия и тактика использования защитностимулирующих составов для обработки семян сельскохозяйственных культур / О. В. Лебединцев, С. Л. Тютерев // Агрохимия. — 1994. — № 10. — С.67‒79.

6. Небукин В. О. Капсулирование дисперсных материалов в аппаратах с псевдоожиженным слоем: автореф. дисс. … к-та техн. наук: 05.17.08. — Иваново, 2019. — 132 с.

7. Патент № 2330399 Российская Федерация, МПК А01С 1/00 (2006.01). Установка для предпосевной обработки семян сельскохозяйственных культур: № 2007111453: заявл. 28.03.2007: опубл. 10.08.2008 / Абезин В. Г., Карпунин В. В., Цепляев А. Н., Порываева Н. И.; заявитель ГНУ ПНИИЭМТ РАСН. — 7 с.

8. Патент № 2603514 Российская Федерация, МПК А01С 1/08 (2006.01). Протравливатель семян: № 2015106246: заявл. 24.02.2015: опубл. 27.11.2016 / Сорокин Н. Т., Рычков В. А., Глазунов И. С., Васильев С. С., Филатов В. А.; заявитель ФГБНУ ВНИМС. — 7 с.

9. Патент № 2380876 Российская Федерация, МПК А01С 1/00 (2006.1). Протравливатель семян пневмомеханического типа: № 2008126363: заявл. 27.06.2008: опубл. 10.02.2010 / Нуруллин Э. Г., Дмитриев А. В., Халиуллин Д. Т., Маланичев И. В., Чернявский С. А., Нуруллин Э. Э.; заявитель ФГОУ ВПО «КГАУ». — 8 с.

10. Патент № 184960 Российская Федерация, МПК А01С 1/02 (2006.1). Протравливатель семян: № 2018125162: заявл. 09.07.2018: опубл. 15.11.2018 / Нуруллин Э. Г., Зайнутдинов И. Р., Файзуллин Р. А.; заявитель ФГОУ ВПО «КГАУ». — 5 с.

Application of protective coatings on grain crop seeds

Maltsev M.V., PhD Techn. Sc.

Voronezh State University of Engineering Technologies, department of Industrial Ecology, Chemical Technology and Petroleum Chemistry Equipment

394036, Russia, Voronezh, prospekt Revolutsii, 19

E-mail: max_proekt@mail.ru

The experiment was conducted at the Voronezh State University of Engineering Technologies in 2010–2019. The aim was to validate new equipment for seed protective coating. To select the most effective coating equipment one must consider its goals, placement, physics and chemistry of coating material, grain type and quantity, costs, grain storage, coating integrity. Chemical composition of coating material directly affects the quality of processed grain. Nowadays such materials are composed of matter changing its rheological properties under various temperature when using the equipment. Seed movement through a spatial liquid film provides the most efficient distribution of the coating material over seed surface. The most important advantage of such technology is control for the parameters of the flow of the coating material, as well as the speed of seed movement through the liquid film. This article reviews modern seed coating equipment and describes its design and performance for various grain crop seeds. The information presented in this paper can be used to improve the technology of grain coating.

Keywords: coating, seed treatment, spatial liquid film, water-repellent treatment, disinfection.

References

1. Zaytsev A. I. Oborudovanie dlya naneseniya obolochek na zernistye materialy / A. I. Zaytsev. — Moscow, 1997. — 272 p.

2. Kasyanenko A. V. Sovershenstvovanie tekhnologii podgotovki semyan zernovykh kultur k ozimomu posevu v usloviyakh aridizatsii klimata: avtoref. diss. … k-ta tekhn. nauk: 05.20.01. — Zernograd, 2019. — 172 p.

3. Korozinnikov Yu. S. Khimicheskie sredstva predposevnoy podgotovki semyan / Yu. S. Korzinnikov, E. Yu. Tagaeva, D. D. Troyazykov // Intellektualnye i materialnye resursy Sibiri. — Irkutsk: IrO AN VSh, 2001 — P.67‒79.

4. Krasavtsev B. E. Razrabotka sostava parafino-voskovogo zashchitnogo pokrytiya dlya predposevnoy obrabotki semyan ozimoy pshenitsy / B. E. Krasavtsev // Nauchnyy zhurnal KubGAU. — 2017. — No. 126 (02). — P.10‒22.

5. Lebedintsev O. V. Strategiya i taktika ispolzovaniya zashchitnostimuliruyushchikh sostavov dlya obrabotki semyan selskokhozyaystvennykh kultur / O. V. Lebedintsev, S. L. Tyuterev // Agrokhimiya. — 1994. — No. 10. — P.67‒79.

6. Nebukin V. O. Kapsulirovanie dispersnykh materialov v apparatakh s psevdoozhizhennym sloem: avtoref. diss. … k-ta tekhn. nauk: 05.17.08. — Ivanovo, 2019. — 132 p.

7. Patent No. 2330399 Rossiyskaya Federatsiya, MPK A01S 1/00 (2006.01). Ustanovka dlya predposevnoy obrabotki semyan selskokhozyaystvennykh kultur: No. 2007111453: zayavl. 28.03.2007: opubl. 10.08.2008 / Abezin V. G., Karpunin V. V., Tseplyaev A. N., Poryvaeva N. I.; zayavitel GNU PNIIEMT RASN. — 7 p.

8. Patent No. 2603514 Rossiyskaya Federatsiya, MPK A01S 1/08 (2006.01). Protravlivatel semyan: No. 2015106246: zayavl. 24.02.2015: opubl. 27.11.2016 / Sorokin N. T., Rychkov V. A., Glazunov I. S., Vasilev S. S., Filatov V. A.; zayavitel FGBNU VNIMS. — 7 p.

9. Patent No. 2380876 Rossiyskaya Federatsiya, MPK A01S 1/00 (2006.1). Protravlivatel semyan pnevmomekhanicheskogo tipa: No. 2008126363: zayavl. 27.06.2008: opubl. 10.02.2010 / Nurullin E. G., Dmitriev A. V., Khaliullin D. T., Malanichev I. V., Chernyavskiy S. A., Nurullin E. E.; zayavitel FGOU VPO “KGAU” — 8 p.

10. Patent No. 184960 Rossiyskaya Federatsiya, MPK A01S 1/02 (2006.1). Protravlivatel semyan: No. 2018125162: zayavl. 09.07.2018: opubl. 15.11.2018 / Nurullin E. G., Zaynutdinov I. R., Fayzullin R. A.; zayavitel FGOU VPO “KGAU”. — 5 p.

Обсуждение закрыто.