Research Article

Residence time distribution and flow pattern modeling of oilseeds in a pilot screw press^☆

Distribution de temps de séjour et modélisation de l’écoulement des graines oléagineuses dans une presse à vis pilote

Sorbonne Universités, Université de Technologie de Compiègne, Laboratoire Transformations Intégrées de la Matière Renouvelable (UTC/ESCOM, EA 4297 TIMR), Centre de Recherche de Royallieu, CS 60319, 60203 Compiègne Cedex, France

^* Correspondence: h.mhemdi@escom.fr; h.mhemdi@live.fr

Received: 12 May 2020
Accepted: 27 October 2020

Abstract

Mechanical expression is widely applied for oil recovery from oilseeds using continuous screw presses. Despite significant recent advances in the field of press design and automation, it remains difficult to predict the press performances based on the theoretical approaches, and more experimental investigations are needed to clarify and characterize the seeds flow and expression behavior in the press. Residence Time Distribution (RTD) is a frequently used tool in chemical engineering to characterize the material flow by simple tracer tests. In this paper, we explore the feasibility of using RTD for the screw presses, in order to check the flow patterns homogeneity and identify the possible deviations depending on the press geometry and the operating conditions. Both theoretical modeling and experimental investigation are conducted for two different screw press designs (Reinartz and Olexa), and at the different rotation speeds. An original and reliable experimental methodology was developed by using erucic acid as tracer in the form of pulse injection and gas chromatography as detection method. Experimental results coupled with statistical calculations showed the influence of the screw geometry and the rotation speed on the seeds flow inside the press. The matter displacement was much faster and the experimental residence time was very close to the theoretical one indicating more homogeneity and less dispersion in the Olexa arrangement in comparison to the Reinartz arrangement. The higher variance observed at lower rotation speed (2.4 rpm) suggested the presence of flow defects like mixing and axial dispersion in the press. To complete the experimental work, axial dispersion model was applied, and allowed obtaining the valuable information, such as axial dispersion degree and distribution functions. Obtained results can be very useful to predict the performance of existing screw presses and design more efficient industrial equipments.

Résumé

Le pressage est largement utilisé pour l’extraction des huiles végétales. Dans les usines de trituration des graines oléagineuses, des presses à vis industrielles sont souvent employées. Malgré les avances récentes dans le domaine de la conception et de l’automatisation des presses, il reste difficile de prédire les performances d’une presse sur la base des approches théoriques et par conséquence des recherches expérimentales supplémentaires sont nécessaires pour clarifier et caractériser l’écoulement dans une presse à vis. La Distribution de Temps de Séjour (DTS) est un outil fréquemment utilisé en génie chimique pour caractériser le flux de matière en écoulement à l’aide d’un traceur. Cette étude est consacrée à l’étude de la DTS dans une presse à vise afin de vérifier l’homogénéité de l’écoulement et identifier les écarts possibles en fonction de la géométrie de la presse et les conditions de fonctionnement. Pour ce faire, une analyse expérimentale couplée à une modélisation a été appliquée pour deux géométries de presse à vis (Reinartz et Olexa), et à différentes vitesses de rotation. Une méthodologie expérimentale originale et fiable a été développée en utilisant l’acide érucique, comme traceur biologique et la chromatographie en phase gazeuse pour la détection. Les résultats expérimentaux et l’analyse statistique ont montré l’influence de la géométrie de la vis et de la vitesse de rotation sur l’écoulement des graines à l’intérieur de la presse. Dans l’arrangement Olexa, l’écoulement des graines est plus rapide et le temps de séjour expérimental est très proche de celui théorique, indiquant un écoulement plus homogène et moins dispersé par rapport à l’arrangement de Reinartz. La variance est plus élevée à faible vitesse de rotation (2.4 trs/min) suggérant la présence des défauts d’écoulement comme le mélange et la dispersion axiale dans la presse. Pour compléter l’analyse expérimentale, la modélisation à l’aide du modèle de dispersion axiale a permis d’obtenir des informations précieuses, telles que le degré de dispersion axiale et les fonctions de distribution. Les résultats obtenus peuvent être très utiles pour prédire les performances des presses à vis existantes et concevoir des équipements industriels plus efficaces.