автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Математическое моделирование и оптимизация процесса уваривания сахарных утфелей

ВВВДЕНИЕ

Глава I. АНАЛИЗ ЖТЕМАТИЧЕСКИК ОПИСАНИЙ ПРОЦЕССА

УВАРИВАНИЯ САХАРНЫХ УТФЕЛЕЙ

1.1. Теоретические основы процесса кристаллизации

1.1.1. Процесс зароядения кристаллов

1.1.2. Процесс роста и растворения кристаллов

1.2. Математический анализ современной теории кристаллизации сахарозы

1.3. Коллоидно-химическая теория процесса уваривания сахарных утфелей.

1.3.1. Связь мевду теплообменом и кристаллизацией

1.3.2. Рекристаллизация и ее роль в укрупнении кристаллов.

1.4. Фракционный состав кристаллов сахара

1.4.1. Определение фракционного состава кристаллов сахара.

1.4.2. Дифференциальные функции распределения кристаллов по размерам

1.4.3. Качественные факторы сахара-песка

1.5. Выводы и задачи исследования.

Глава 2. РАЗРАБОТКА МАТЕМТИНЕСКОЙ МОДЕЛИ ПРОЦЕССА

УВАРИВАНИЯ САХАРНЫХ УТФЕЛЕЙ В ИЗОЩЦШЧЕСКИХ И НЕИЗОГИДРШЕСКИХ УСЛОВИЯХ.

2.1. Кинетика процесса уваривания сахарных утфелей в изогидрических условиях.

2.2. Кинетика процесса уваривания сахарных утфелей в неизогидрических условиях.

2.3. Обоснование выбора параметров, характеризующих рост кристаллов в процессе массовой кристаллизации

2.3.1. Анализ показателей фракционного состава кристаллов.

2.3.2. Исследование фракционного состава кристаллов сахара

2.3.3. Функции распределения кристаллов по размерным характеристикам.

2.3.4. Прогнозирование фракционного состава кристаллов сахара.

2.4. Гранулометрия кристаллов сахара.

2.5. Влияние основных параметров уваривания сахарных утфелей на фракционный состав кристаллов сахара

2.6. Влияние агрегации на фракционный состав кристаллов сахара

2.7. Вы в о д ы.

Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА МАТЕМАШЕСКОЙ МОДЕМ ПРОЦЕССА УВАРИВАНИЯ САХАРНЫХ УТФЕЛЕЙ В ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ УСЛОВИЯХ.

3.1. Методика исследований и обработка опытных данных.

3.2. Проверка математической модели процесса уваривания сахарных утфелей в изогидрических условиях.

3.3. Проверка математической модели процесса уваривания сахарных утфелей в неизогидрических условиях.

3.4. Проверка математической модели, описывающей фракционный состав кристаллов конечного утфеля. К)

3.5. Выводы

Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА УВАРИВАНИЯ САХАРНЫХ УТФЕЛЕЙ

НА ОСНОВЕ ПОСТРОЕННОЙ МАТЕМАТШЕСКОЙ МОДЕЛИ

4.1. Аналитические зависимости для определения времени уваривания сахарных утфелей в изо-гидричесних и неизогидрических условиях

4.1.1. Время сгущения сиропа до заводки кристаллов.

4.1.2. Время уваривания утфеля от момента заводки кристаллов для изогидрических условий. Ю

4.1.3. Время уваривания утфеля от момента заводки кристаллов для неизогидрических условий. НО

4.2. Номограммный метод расчета изменения содержания сухих веществ в утфеле и других технологических показателей процесса в изогидрических условиях . Ш

4^3. Расчет скорости процесса кристаллизации сахара

4.4. Определение допустимых значений величины степени изогидричности . П

4.5. Влияние степени изогидричности и содержания сухих веществ в подкачиваемом сиропе на основные факторы процесса уваривания сахарных утфелей.

4.5.1. Влияние степени изогидричности и содержания сухих веществ в подкачиваемом сиропе на время уваривания.

4.5.2. Влияние степени изогидричности и содержания сухих веществ в подкачиваемом сиропе на константу процесса уваривания сахарных утфелей.

4.5.3. Влияние степени изогидричности,содержания сухих веществ в подкачиваемом сиропе на удельные энергозатраты при производстве единицы массы конечного утфеля.

4.5.4. Влияние степени изогидричности и содержания сухих веществ в подкачиваемом сиропе на фракционный состав кристаллов конечного утфеля.

4.6. Вы во д

Глава 5. ВОПРОСЫ ОПТИМИЗАЦИИ ПРОЦЕССА УВАРИВАНИЯ САХАРНЫХ

УЖОЕй I ПРОДУКТА И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ

КОНСТРУКЦИИ ВАКУУМ-АППАРАТОВ ПЕРИОДИЧЕСКОГО

ДЕЙСТВИЯ.

5.1. Изменение во времени массы подкачиваемого сиропа и греющего пара, обеспечивающих оптимальные условия уваривания сахарных утфелей

5.1.I. Аналитические зависимости изменения во времени масс подкачек и греющего пара.

5.2. Система автоматического регулирования для обеспечения оптимальных условий уваривания

5.3. Вопросы совершенствования конструкции вакуум-аппаратов периодического действия

5.3.1. Уточнение расчета площади поверхности нагрева вакуум-аппарата.

5.3.2. Особенности определения основных размеров корпуса вакуум-аппарата

5.3.3. Вопросы оптимизации основных размеров корпуса вакуум-аппарата.

5.4. В ы в о д ы.

Решениями ХХУ1 съезда КПСС I и Продовольственной программой СССР на период до 1990 года /2/ предусмотрено увеличение производства промышленной продукции на 26-28%, а в отраслях пищевой промышленности - на 23-26$, улучшение ее качества и ассортимента, внедрение непрерывных схем и интенсивных режимов производства. Продовольственной программой СССР на период до 1990 года /2 /намечено довести среднегодовое производство сахарной свеклы в двенадцатой пятилетке до 102-103 млн.т. Для предотвращения потерь, при производстве сахара, определены меры по сокращению длительности сезона переработки сахарной свеклы к 1990 году до 100-105 суток. Научным учреждениям, министерствам и ведомствам поручено осуществить в 1982-1990 годах меры по дальнейшему развитию научных исследований и ускорению внедрения в производство достижений науки в отраслях агропромышленного комплекса. Основными задачами экономического и социального развития страны на 1981-1985 годы и на период до 1990 года /I /намечено обеспечение эффективного использования природных, материальных и трудовых ресурсов как решающего и наиболее действенного способа приумножения национального богатства страны, поставлена задача снижения материалоемкости производства. Намечено обеспечение в 1985 году, по сравнению с 1980 годом экономии топливно-энергетических ресурсов в народном хозяйстве в количестве 160-170 млн.тонн условного топлива; разработать и осуществить меры по устранению потерь в промышленности. Во всех отраслях народного хозяйства создавать и выпускать оборудование, позволяющее повысить его производительность, экономить материальные и энергетические ресурсы.

Для решения поставленных задач работники сахарной промышленности разрабатывают и внедряют новые технологические режимы и оборудование, позволяющие снизить энергоматериалоемкость производства, повысить производительность оборудования, улучшить качество товарного кристаллического сахара. Особенно остро стоят эти вопросы при осуществлении процесса варки и кристаллизации сахарных утфелей.

Одними из главных задач процесса варки утфелей и кристаллизации сахара является оптимизация и совершенствование его аппаратурного оформления, снижение общего времени процесса (от сгущения сиропа до окончания процесса варки) и удельных энергозатрат на производство I тонны конечного утфеля, обеспечение роста кристаллов до требуемого значения линейного размера, уменьшение степени их неоднородности и улучшение качества сахара.

На основе математического моделирования процесса уваривания сахарных утфелей в работе в определенной мере решаются эти вопросы.

В работе получены следующие новые научные результаты:

- разработана математическая модель процесса уваривания сахарных утфелей в изогидрических и неизогидрических условиях, позволяющая прогнозировать фракционный состав кристаллов сахара; модель апробирована в производственных условиях;

- выбраны и.обоснованы параметры, объективно характеризующие фракционный состав кристаллов сахара;

- уточнены уравнения статистической связи между массой, поверхностью и различного типа линейными размерами кристаллов,классифицированных по типу геометрии их поверхности;

- впервые установлена связь между основными типами одномерных дифференциальных функций распределения кристаллов по их размерным характеристикам;

- исследовано влияние величины степени изогидричности на основные факторы процесса уваривания утфелей;

- установлена оптимальность изогидрических условий уваривания;

- предложена система автоматического регулирования, позволяющая поддерживать оптимальные изогидричеекие условия уваривания сахарных утфелей;

- разработаны предложения по оптимальному конструированию вакуум-аппаратов периодического действия, позволяющие снизить их материалоемкость и способствующие более эффективному проведению процесса уваривания.

Настоящая работа направлена на выполнение Продовольственной Программы СССР и Республиканской комплексной научно-технической программы "Сахар".

По результатам работы опубликованы 16 статей, они докладывались на Всесоюзной конференции "Реахимтехника-1" (Днепропетровск, 1982 г.), семинаре-совещании "Проблемы оптимизаций в машиностроении" (Харьков, 1982 г.), Всесоюзном семинаре "Оптимизация сложных систем" (Винница, 1983 г.), Всесоюзной научной конференции "Пути совершенствования технологических процессов и оборудования для производства, хранения и транспортировки продуктов питания" (Москва, 1984 г.), Всесоюзной научной конференции "Термодинамика необратимых процессов и ее применение" (Черновцы, 1984 г.), Всесоюзный симпозиум по плазмохимии (Днепропетровск, 1984 г.), Республиканском семинаре "Кристаллизация из растворов и расплавов" (Сумы, 1984 г.), в Институте тепло- и массообмена им. А.В.Лыкова Ш БССР (Минск, 1982-1983 гг.), в Физико-техническом институте низких температур АН УССР (Харьков, 1983 г.), в Институте технической теплофизики АН УССР (Киев, 1983 г.) на научной конференции

Киевского орцена Трудового Красного Знамени технологического института пищевой промышленности (1981-1982 гг.).

Работа выполнялась в Киевском ордена Трудового Красного Знамени технологическом институте пищевой промышленности. Промышленные исследования проводились на Яготинском сахарном заводе НШ "Сахар".

Диссертация состоит из 5 глав, изложена на 124 страницах машинописного текста, содержит 9 рисунков, 12 таблиц, 151 наименование использованной литературы, 2 приложения.

Автор выражает благодарность канд.техн. наук, ст.науч.сотруд. Штангееву В.О., за ценные консультации по диссертационной работе.

1. Полученные уравнения описывают кинетику изменения масс под качек сиропа и греющего пара, обеспечивающих уваривание сахарного утфеля I продукта в оптимальных (изогидрических) условиях.2. Разработаны методы оптимизации конструкции вакуум-аппара тов периодического действия с цилиндрической поверхностью корпуса и с поверхностью, содержащей конические элементы.3. Оптимизация конструкции вакуум-аппаратов по предложенному методу позволяет снизить металлоемкость корпуса на 0,8-1^, сокра тить время уваривания ла 8-10^, уменьшить на 5,0-6,0^ расход теп ла на производство I кг массы готового утфеля и улучшить фракцион ный состав кристаллов.ОБЩИЕ ВЬШОДЫ И ЕЕКОМЕНДАЦИИ

1. На основе взаимосвязи тепломассообмена, гидродинамики и механизма рекристаллизации в дисперсных системах впервые разрабо тана математическая модель процесса уваривания сахарных утфелей, ..адекватность которой проверена экспериментально в производственных условиях. Штематическая модель, учитывающая технологические, теп лотехнические и гидродинамические факторы, также конструктивные характеристики вакуум-аппаратов позволяют производить теоретичес кий анализ процесса уваривания сахарных утфелей с целью изучения основных закономерностей и оптимизации этого процесса, совершенст вование его аппаратурного оформления и автоматического управления.2. Проведенный теоретический анализ процесса уваривания са харных утфелей с помощью разработанной математической мoдeJш позволил глубже изучитьи и расширить наши представления о законо мерностях кристаллизации сахарозы, дать теоретическое объяснение изогидрическим условиям варки, показать возможность применения уравнений взаимосвязи тепло-массообмена в условиях различной сте > * I пени изогидричности ( L =1,0; L ^ 1,0; С > 1,0).В пределах установленного диапазона изменения степени изогид ричности большему (меньшему) ее значению всегда соответствует меньшая (большая) величина начального набора сиропа в момент за водки кристаллов {Л/и ) .3 . В результате математического анализа установлено, что все абсолютные технологические величины в процессе уваривания сахар ных утфелей в изогидрических условиях прямо пропорциональны массе начального набора сиропа в момент заводки кристаллов, а все аб солютные и относительные величины в конце процесса уваривания в этих же условиях зависят от константы процесса варки { Ss )•

4. Изучено влияние различных технологических и теплотехни ческих факторов на продолжительность процесса уваривания сахар ных утфелей. Установлено, что решающее влияние на время уварива ния утфеля заданного качества оказывает степень изогидричности { С ) , концентрация подкачиваеюго раствора ( ^О/у) и величина среднеинтегрального теплового потока ( ^ ) . Показано, что .дли тельность процесса уваривания в значительной мере зависит также от конструктивного фактора ( ^ ) , содержания сухих веществ в первоначальном наборе ( Со о )» в наборе в момент заводки кристал лов ( СВн ) и в готовом, сваренном утфеле ( С6/^ ) .5. Установлено, что в процессе уваривания сахарных утфелей для каждой конструкции вакуум-аппарата имеется определенный даапа зон допустимых изменений степени изогидричности ( / ) . Показа но,что для аппаратов с меньшим начальным набором сиропа в момент заводки кристатглов, диапазон допустимых изменений степени изогид ричности увеличивается, С ростом ^ увеличиваются время про цесса варки и расход тепла на единицу массы готового утфеля, сте пень неравномерности кристаллов сахара уменьшается, С повышением концентрации подкачиваемого сиропа диапазон допустимых изменений степени изогидричности увеличивается, время варки и энергозатраты уменьшаются, фракционный состав кристаллов в готовом утфеле ухуд шается, Показано, что наилучшие результаты при описании данных ситового анализа дает гамма-распределение Пирсона,

7. Впервые установлена статистическая взаимосвязь меаду мас сой, площадью поверхности, линейным размером ситового фактора и размерным фактором И.А.Кухаренко для кристаллов различных геометрических форм. Найдено, что для кристаллов размером 2,25-6,72 мм соотношения между этими величинами существенно отличаются от уравнений И.А.Кухаренко,полученных для кристаллов размером 10,5-

, 188 мм.8. На основе результатов исследований разработаны методы обеспечения оптимальных условий процесса уваривания сахарных ут фелей первого продукта в вакуум-аппаратах периодического дейст вия. Показано, что оптимальные условия уваривания достигаются в изогидрических условиях при строгом поддержании соотношения изме нения масс подкачек сиропа и выпаренной воды (греющего пара), рассчитанных по полученным уравнениям.9. Предложены рекомендации по совершенствованию конструкций вакуум-аппаратов периодического действия, которые позволяют в одних и тех же условиях снизить их материалоемкость, интенсифи цировать процесс уваривания сахарных утфелей, увеличить произво дительность и уменьшить энергозатраты на производство единицы массы готового утфеля.10. Совершенствование конструкции вакуум-аппарата и оптимиза ция процесса уваривания сахарных утфелей первого продукта по пред ложенным методам позволит снизить металлоемкость корпуса на 0,8-

1,0^, уменьшить на 5,0-6,0^ расход тепла на производство I кг го тового утфеля, улучшить фракционный состав кристаллов, сократить время уваривания на 8,0-10,0^, уменьшить потери сахарозы от раз ложения.Экономический эффект для сахарного завода производительностью

3,0 тыс. тонн свеклы в сутки, для вакуум-аппаратов I продукта составит 9,0 тыс.руб. в год.