автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Совершенствование процесса структурообразования полидисперсных быстрорастворимых напитков в тарельчатых грануляторах

На правах рукоииси

МАККОВЕЕВ МАКСИМ АЛЕКСАНДРОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ ПОЛИДИСПЕРСНЫХ БЫСТРОРАСТВОРИМЫХ НАПИТКОВ В ТАРЕЛЬЧАТЫХ

ГРАНУЛЯТОРАХ

05.18.12 - процессы и аппараты пищевых производств

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г 1 ПАР 2014

005546432

Кемерово-2014

005546432

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» Министерства образования и науки РФ

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Попов Анатолий Михайлович

Официальные оппоненты: Корячкин Владимир Петрович доктор

технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Орловский Государственный Технический Университет», заведующий кафедрой «Машины и аппараты пищевых

производств»

Назимов Александр Сергеевич

кандидат технических наук, доцепт, ФГБОУ ВПО «Российский Государственный Торгово-Экономический Университет»,

Кемеровский институт (филиал), доцент кафедры «Вычислительной техники и информационных технологий»

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Кемеровский государственный сельскохозяйственный

институт», г.Кемерово

Защита состоится « 25 » апреля 2014 года в 14-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.089.02 при ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» по адресу: 650056, г. Кемерово, бульвар Строителей, 47, тел./факс 8(3842)39-68-88.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на официальном сайте ФГБОУ BIIO «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» (www.kemtipp.ru).

С авторефератом можно ознакомиться на официальных сайтах ВАК Минобрнауки РФ (http://vak.ed.gov.ru/ru/disserialion) и ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» (www. kemtipp. ru).

Автореферат разослан « » оЪ 2014 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

Голуб Ольга Валентиновна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Последние годы характеризуются расширением производств, совершенствованием технологий и увеличением ассортимента концентратов в виде быстрорастворимых или быстро восстанавливаемых сухих порошкообразных смесей для напитков. Их производство в России сдерживается низкой производительностью стадии гранулирования этих смесей. Использование тарельчатых грану-ляторов с активатором позволяет повысить производительность данной стадии. Однако для достижения максимальной производительности таких грануляторов необходим поиск оптимального соотношения между диаметром, углом наклона, скоростью вращения и высотой борта тарели, конструктивными и режимными параметрами активатора для каждой группы сырьевых смесей, обладающих своими технологическими особенностями (составом, комкуемостыо, влажностью, насыпной плотностью и т. д.).

Наименее затратным и эффективным методом решения задачи поиска оптимальных конструктивно-режимных параметров гранулятора является математическое моделирование и исследование процесса с использованием современной компьютерной техники. Поэтому разработка математических моделей процесса гранулирования инстантированных полидисперсных смесей в тарельчатых грануляторах с активатором, оптимизация его параметров является важной и актуальной задачей. Решение этой задачи позволит существенно сократить затраты труда и времени на определение оптимальных конструктивных и режимных параметров данных грануляторов для разных составов сырьевых смесей.

Степень разработанности темы. Вопросами теории и практики процесса гранулирования окатыванием занимались такие ученые как Витюгин В.М, Классен П.В., Гришасв И.Г.,. Коротич В.И., Лотов В.А., Попов A.M., Ефименко Г.Г., Губин Г.В., Бережной H.H., Севостьянов B.C., Коршиков Г.В. Тарьян 3., H.Rumpf, Kortman,M.Wada и др. На основании их исследований были созданы методики расчета грануляторов, подбор технологических режимов, однако, как правило, всё это относится к формованию гранул для химической и железорудной промышленности и, практически нет исследований гю гранулированию пищевых продуктов.

Анализ опубликованных научных работ по использованию тарельчатых грануляторов для окомкования инстантированных полидисперсных смесей показывает, что для повышения эффективности данного процесса необходимо проведение его дальнейших исследований и решение задачи оптимизации конструктивно-режимных параметров тарельчатого гранулятора с активатором для определенной группы дисперсных смесей, характеризуемых близкими структурно-механическими свойствами и технологическими характеристиками.

Цель работы. Целью настоящей работы является изучение процессов структурообразования гранул, разработка математических моделей, оптимизация процессов структурообразования и классификации гранулированных напитков быстрого приготовления.

Задачи исследований:

- Экспериментальное исследование динамики процесса гранулирования полидисперсных смесей в тарельчатом грануляторе с активатором.

- Разработка математической модели процесса гранулирования полидисперсных смесей в тарельчатом грануляторе с активатором.

- Параметрическая идентификация математической модели.

- Оптимизация конструктивно-режимных параметров тарельчатого гранулятора с активатором.

- Разработка системы оптимального управления участком гранулирования полидисперсных смесей, оснащенного тарельчатыми грануляторами с активатором.

Научная новнзна заключается в следующем: - Предложена рабочая гипотеза процесса гранулирования полидисперсных материалов в тарельчатом грануляторе с активатором, отражающая его стохастическую природу.

- Разработана математическая модель кинетики процесса структурообра-зования, включающая в себя две системы дифференциальных уравнений Колмогорова А.Н. и совокупность уравнений, связывающих интенсивность гранулирования полидисперсной смеси с конструктивно-режимными параметрами гранулятора и технологическими характеристиками смеси.

- Разработана процедура и алгоритмы параметрической идентификации математической модели динамики процесса гранулирования ил стаптир о ваш I ых дисперсных смесей в тарельчатых грануляторах с активатором.

- Выполнена постановка и решение задачи оптимизации конструктивно-режимных параметров тарельчатого гранулятора с активатором.

- Разработана система оптимального управления процессом гранулирования инстантированных дисперсных смесей в производственных условиях.

Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость работы заключается в следующем:

- Экспериментально исследована динамика процесса гранулирования полидисперсной смеси определенного состава, в результате этого получены графики изменения гранулометрических составляющих смеси во времени.

- Разработана математическая модель гранулирования полидисперсных смесей в тарельчатом грануляторе с активатором, отражающая стохастическую природу процесса и позволяющая отслеживать динамику изменения гранулометрического состава смеси.

- Разработаны алгоритм и программа параметрической идентификации математической модели гранулирования полидисперсных смесей в тарельчатом грануляторе с активатором.

- Выполнена математическая постановка задачи оптимизации конструктивно-режимных параметров тарельчатого гранулятора с активатором и разработан алгоритм поиска этих параметров.

Практическая значимость состоит в том, что:

- Разработанная математическая модель процесса гранулирования полидисперсных смесей в тарельчатом грануляторе с активатором, алгоритмическое

и программное обеспечение позволяют достаточно оперативно решать задачи поиска оптимальных конструктивно-режимных параметров гранупяторов для каждой группы сырьевых смесей, обладающих своими технологическими особенностями и составом.

- Разработана система оптимального управления участком гранулирования инстантировакных дисперсных смесей для ООО НПО «Здоровое питание» (акт внедрения), где в ходе испытаний доказана эффективность и адекватность теоретических положений работы, выносимых на защиту.

Лнчный вклад автора. Автору принадлежит основная роль в постановке задачи, планировании и проведении исследований, интерпретации и обобщении полученных результатов. Основные исследования проведены автором лично. В работах, выполненных в соавторстве, личных вклад автора заключается в непосредственном участии на всех этапах исследования.

Апробация работы. XXII и XXV международная научная конференция «Математические методы в технике и технологиях - ММТТ (Псков — 2009, Саратов — 2012), международная научно-практическая конференция «Дни науки» (Прага - 2012), 3 Всероссийских конференции (Кемерово — 2009, 20] 0, 2011).

Научные положения, выносимые на защиту:

- Обобщенные экспериментальные результаты по исследованию динамики процесса гранулирования в тарельчатом грануляторе с активатором полидисперсной смеси, включающей в себя: шрот клюквы, деминерализованную под-сырную сыворотку, сахарную пудру, картофельный крахмал, премиксы.

- Математическую модель кинетики процесса структурообразования, включающую в себя две системы дифференциальных уравнений Колмогорова А.Н. и совокупность уравнений, связывающих интенсивность гранулирования дисперсной смеси с конструктивно-режимными параметрами гранулятора и технологическими характеристиками смеси.

- Алгоритмы параметрической идентификации математической модели динамики процесса гранулирования инстантированных дисперсных смесей в тарельчатых грануляторах с активатором.

- Постановку и решение задачи оптимизации конструктивно-режимных параметров тарельчатого гранулятора с активатором.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, из них 2 в журналах рекомендованных ВАК и 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, выводов, перечня использованной литературы из 13В наименований. Основной текст изложен на 133 страницах. Диссертация содержит 11 таблиц и 24 рисунка.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы и ее практическая значимость, направленная па оптимизацию конструктивно-режимных параметров тарельчатых грануляторов с активатором.

В первой главе рассмотрены современные представления о механизме и основных закономерностях процесса гранулирования влажных дисперсных материалов методом окатывания в тарельчатых аппаратах.. Представлены материалы, посвященные влиянию на данный процесс конструктивно-режимных параметров грануяяторов, технологических свойств и характеристик гранулируемых материалов. На основании литературного обзора обоснована перспективность выбранного направления исследования, поставлена цель, сформулированы задачи исследования.

Во второй главе приводятся результаты анализа экспериментальных данных по исследованию механизма процесса гранулирования полидисперсных смесей в тарельчатом грануляторе с активатором, из которых следует, что в режиме переката гранул в тарели формируются зоны и траектории перемещения гранул определенного размера, как показано на рисунке 1.

Рисунок 1 - Механизм процесса гранулирования полидисперсной смеси в тарельчатом грануляторе с активатором: 1 — тарель; 2 — отбойный нож; 3 — донный нож; 4 — зона захвата активатора; 5 — направление вращения тарели; 6 - активатор; 7 - зона распыления жидкости; а — траектория (условная) движения исходного материала; е - траектория движения самых крупных гранул; б, в, г, д- траектория движения гранул по мере их роста

В соответствии с результатами экспериментальных исследований, предлагается гипотеза механизма процесса, отражающая его стохастическую природу, по которой принимается, что полидисперсный материал в процессе гранулирования может находиться в семи состояниях: 1) исходный мелкодисперсный порошок с диаметром частиц меньше 0,25мм; 2) зародыши гранул с диаметром частиц, лежащим в пределах от 0,25 до 0,5мм; 3) гранулы с диаметром частиц от 0,5 до 1мм; 4) гранулы с диаметром от 1 до 3 мм, но с недостаточной плотностью и влажностью; 5) уплотненное состояние порошка в виде устойчивого

донного и бортового гарнисажа; 6) гранулы с диаметром больше Змм; 7) 1рану-лы необходимой плотности и влажности с диаметром от 1 до 3 мм.

Так как процесс формирования гарнисажа исследуемой смеси начинается при влагосодержании больше 11%, а у исходной смеси, это значение ниже 8%, то ее гранулирование рассматривается как две последовательные стадии — без образования гарнисажа и с его образованием. На рисунке 2 показан граф состояний гранулируемой смеси на второй стадии процесса (с образованием гарнисажа). Граф состояний смеси для первой стадии гранулирования можно получить, если из показанного на рисунке графа исключить 5-ую вершину и все дуги входящие и выходящие из этой вершины.

Рисунок 2 - Граф состояний ннстанпгрованного полидисперсного продукта в процессе гранулирования в тарельчатом грануляторе с активатором.

В соответствии с предложенным механизмом гранулирования полидис-иерсной смеси, разработана математическая модель, которая включает в себя две системы дифференциальных уравнений Колмогорова (1 и 2) и совокупность алгебраических уравнений, связывающих интенсивность перехода материала между выбранными семью состояниями полидисперсной смеси (3 - 14).

ар2 /л = -лг}рг (/)+л62р6 (0+Д, 2р, (>}.

<1ръ /л = -л ,„/>, (<)+ я63р6 (0+л23р2 (0+Лз-р, (0;

<гр4/л = (г)- я47/>4 (/)+я6„.р6 («)+ДзЛ (0;

арь /Л = -Я6,Р6(г)-Я62Р6(0-Я63Р6(г)-Я64Р6(г)-Я67Я6 (г) + Я„Р7(г) + Я46/>4«) +• Я,6Р,((); <//>, / Л = -Я76Р(г)+Я67 (г)+Л„Рл (г);

л (') + р2 (')+л (0+р,(0+р6(0+ц (О = 1

Ы'=■-л(<)•-■4 3^1 (<)■- рт-\(')■- ^ б р1 о+л л (4

^М = -л23Р2{()-А25Р2(/)+Я52Р5(г)+Я62Р6(0+Я12Р1(/);

«Рз/л = -Дз4рэ (0+Я53р< (<)+я мр6 (0+ я23р: (0+ Я13Р(0;

ар5 М = -Д53Р5 (0- Х52Рб(')~ Л„Р5 (0 + Л25Р2 (1)+Я15Р1

арь: л = -я61р6 (о - я62р6 (о - я63р6 (/) - л64р„ со - я67р6 (О+я,6р7 со+я46р4 со - я, 6р, со; </р7 /л = -я76р7 со +■ я67р6 (о+я57р5 со+я47р4 со,

где т\ (/) - р7со — вероятность нахождения полидисперсного материала в указанных выше состояниях (определяется как отношение веса продукта в 1-ом состоянии к суммарному весу продукта во всех выделенных состоящих); X12 - Я 67 - интенсивность перехода материала из одного состояния в другое (первая цифра индекса указывает состояние, из которого материал переходит в состояние, указанное второй цифрой индекса).

Интенсивность перехода материала из одного состояния в другое рассматривается как отношение приращения его веса (положительного или отрицательного) в каждом состоянии - к промежутку времени, в течение которого это приращение произошло, деленному на текущий вес материала в грануляторе.

Результаты исследования процесса показывают, что интенсивность перехода исходной смеси в зародыши (л,2) будет зависеть от следующих факторов: концентрации исходной смеси в гранулируемом материале (Р]); скорости вращения рабочего органа активатора (п); активной площади лопастей активатора, которая формирует высокоскоростной поток частиц исходной смеси (БР^; диаметра тарели (Б); текущего влагосодержапия комкуемого материала (\\0, которое носит экспоненциальный характер. Исходя из этого, зависимость Я12от указанных факторов будет иметь следующий вид.

Л2 = К\А [Я»2 (3,1/ ут -1) + кр2зр.[ /(0,001«) + к„ ехрС»^ + р(ГМ/ в)*100/2,1) + к.-. / />]; (3)

где ¥т - минимальная лилейная скорость частицы, сходящей с лопасти активатора, при которой начинается процесс образования зародышей, м/сек; 5 -геометрическая площадь лопастей активатора, м2; о- диаметр тарели, м; неисходное влагосодержание продукта, %; О- текущий вес гранулируемого продукта, кг; F- массовый расход влаги, поступающей в форсунку гранулятора, кг/сек; А/ - длительность промежутка времени, в течение которого осуществляется распыление влаги над гранулируемым материалом, сек; ¡л- коэффициент, учитывающий долю влаги попавшей на полидисперсную смесь от количества влаги, поступающей в форсунку гранулятора (определяется экспериментально);

кл(\1сек),крг{рб1мг*сек1\к„(\1%*сек),к!2(м1сек) - весовые коэффициенты, определяющие вклад каждого слагаемого выражения (3) в интенсивность перехода исходной смеси в зародыши (определяются экспериментально).

Переход исходной смеси на гранулы происходит как за счет скоростного потока частиц, создаваемого активатором, так и путем налипания этих частиц на гранулы при их скатывании по тарели гранулятора. Интенсивность данного

перехода, а также переход зародышей в гранулы и гранул из состояния три в состояние четыре зависит от: концентрации исходной смеси и концентрации гранул соответствующих размеров в гранулируемом материале; текущего влагосо-держания материала; показателя комкуемости материала; конструктивно-режимных параметров гранулятора. Эти зависимости имеют следующий вид (4, 5, 6).

Лу=КуР^.А1.,] = %4-, (4)

23,34;

л, =кч(г,Шп1ут -1)+л:,ужр1 /(о,оо1л)+а:„схР(ж„ /а+

+ А.'„ /(0,1 + ДО /£>„), ) = 3,4; (5)

где к - коэффициент комкуемости исходной дисперсной смеси; д - минимальный диаметр тарели гранулятора, который определяет нижний предел диапазона его изменения при поиске оптимальных значений, м; АР - приращение диаметра тарели, м.; кв(\!сек), к^х/ах) - весовые коэффициенты, определяющие вклад соответствующих слагаемых в интенсивность перехода исходной смеси на гранулы.

В результате действия на гранулы, находящиеся на наклонной вращающейся тарели, силы тяжести, центробежной силы и силы трения, они получают сложное движение, увлажняются влагой, поступающей через форсунки, агрега-тируются и наращиваются. При этом крупные гранулы оказываются в верхней части слоя материала и не попадают под скоростной поток частиц активатора. Исходя из этого, интенсивность перехода мелкодисперсных частиц на крупные гранулы, а также переход гранул из состояния четыре и семь в состояние шесть будет определяться, соответственно, выражениями (7, 8).

Я16 = К,6Р1РС[К„ ехр(\¥т +^Д//(7)100.'2,1) + ^(1-Л:)4-5 +^.,(0,1+Л£>/£>„)]; ^

Ау -^ОРД//С)мо/2,1)тА-4(1-А:)4-5 +/:л.(о,]+да/д^)], ¡/=46,76. (8)

По мере роста самые крупные гранулы попадают в зону, где установлен активатор и подвергаются его разрушающему воздействию. При этом из крупных гранул могут быть получены гранулы, зародыши гранул и частицы меньше 0,25 мм. Интенсивность перехода продукта из состояния 6 (крупные гранулы) в состояния 1,2,3,4,7 зависит от количества крупных гранул, от режима работы активатора, его активной поверхности и будет определяться по выражению (9).

Хц = КуРь (К„ (п / пт + у = 61,62,63,64,67; (9)

где я,„ - минимальная скорость вращения лопастей активатора, с которой начинается процесс разрушения крупных гранул, об/сек; кп(\/сек\к5{\1сек*м2) -коэффициенты, учитывающие вклад соответствующего слагаемого выражения (9) в интенсивность перехода крупных гранул в другие состояния.

Переход мелкодисперсного материала и зародышей гранул в гарнисаж начинается при влагосодержании смеси больше 11% и зависит от их концентрации в гранулируемой смеси, от текущего влагосодержания (ж) и комкуемости материала, от конструктиг.но-режимных параметров гранулятора. Исходя из этого, интенсивность их перехода в гарнисаж будет определяться выражением (10).

Л,, = 0, и = 15,25; при ТУ < 11 %,

45 } (10)

1У = К„ <жр(И'„ +/¿(^/0)100/2.1). (11)

Процесс перехода материала из состояния гарнисажа в зародыши и мелкие гранулы начинается после того, как толщина гарнисажа оказывается больше расстояния между ножами дном (бортом) тарели. При этом интенсивность перехода гарнисажа в зародыши и мелкие гранулы будет зависеть от скорости вращения и диаметра тарели гранулятора, от количества гарнисажа на тарели. Данная зависимость определяется выражением (12).

Л^О^рив^О, 1

Лу ^к-,1р5-ка1,0 + 0,15кг0)!0л1)2/С]* I (12)

[К 0 (I) - Л,„) +■ (Л' - ЛГ„ )(Г> + ОД 5хг Д)2 ], прив^ )0, у = 52,53,!

где а,, - относительное количество полидисперсного материала, остающегося на дне и стенке тарели гранулятора в виде гарнисажа после окончания процесса гранулирования, которое определяется по выражению (13).

с, = !\ -ка ф+од 5к, й)! от )2 / а- (13)

где М, - текущая и минимальная скорость вращения тарели гранулятора, об/сек;

Кс - коэффициент, зависящий от расстояния между донными ножами и поверхностью дна тарели, кг; кп - масштабный коэффициент, равный 1,1 (1/м*сек); аг„„ - масштабный коэффициент, равный 0,026 (1/м2*об.); к, - коэффициент заполнения тарели.

Выражение (12) выведено из условия равномерного распределения гарнисажа по радиусу тарели и высоте ее борта.

Стадия уплотнения гранул налагается как на стадию образования устойчивого зародыша, так и на стадию его роста, и самостоятельно проявляется лишь на заключительном этапе гранулирования. Исследования по кинетике упрочнения гранул в процессе окатывания показывают, что прочность получаемых гранул зависит, в основном, от влажности и свойств комкуемого материала, размера гранул и незначительно зависит от режимно-конструкционных параметров гранулятора, если в нем обеспечивается режим переката. Исходя из этого, ин-

тенсивность уплотнения гранул (переход из состояния 4 в состояние 7) будет определяться по выражению (14).

¿47 ехр(7Г/2,1) + кк ц\-к)4'5 +куап/пт]\ (14)

где А', - коэффициент, связывающий относительную скорость вращения активатора с интенсивностью перехода гранул из состояния «4» в состояние «7» (1/сек).

Для параметрической идентификации разработанной модели был получен массив экспериментальных дагшых, отражающих динамику процесса. Экспериментальные исследования процесса гранулирования указанной выше полидисперсной смеси были проведены в НПО «Здоровое питание» г. Кемерово. Методика проведения исследований, полученные результаты приведены в диссертации. Массив был получен при заданных (неизменных) конструктивно-режимных и технологических параметрах процесса и использовался для поиска коэффициентов динамики модели (К42 - К67). Второй массив включал в себя экспериментальные результаты по влиянию на показатели качества готового продукта параметров гранулятора и характеристик исходной смеси. Массив формировался по результатам работы тарельчатого гранулягора с активатором в НПО «Здоровое питание» при гранулировании смесей аналогичных исследуемой в данной работе.

Процедура параметрической идентификации модели проводилась в три этапа. На первом этапе осуществлялся поиск коэффициентов динамики (К42 -К67), при заданных значениях коэффициентов, характеризующих влияние параметров гранулятора и характеристик полидисперсной смеси на процесс гранулирования. Блок-схема алгоритма поиска коэффициентов представлена на рисунке 2. В качестве критерия близости результатов модели {р;Ц ) и эксперимента {р,1) использовалось выражение (15).

Л^МЧ'-'Й)1

J = ±L±Ы-1(ГО%;=>тш (15)

где ак - весовой коэффициент, определяющий значимость к-ого сочетания состояний гранулируемого продукта (задается экспертами); п — количество состояний гранулируемого продукта (7); т - число экспериментальных '.¡качении гра1гулометрического состава полидисперсного продукта (количество интервалов времени, через которые определялся гранулометрический состав продукта -16).

Для определения направления и шага изменения искомых коэффициентов вычислялась соответственно сумма расхождений модельных и экспериментальных вероятностей состояний продукта и сумма квадратов этих расхождений по выражениям (16,17).

НАЧАЛО

/Ввод :в,Р, ,На,...,я, , Ка,К„ ,Р,,..Р7, /

Рисунок 2 - Блок-схема алгоритма параметрической идентификации модели динамики процесса гранулирования полидисперсных продуктов

Pfk = J'Li + Д^й. i=W- •■ .7; *=12,..., 16;;

ik

(16) (17)

Изменение коэффициентов динамики осуществлялось по выражению (18), если расхождение между значениями критерия близости после текущего и предыдущего цикла вычислений оказывалось больше заданной величины.

где ЛГ*- значение коэффициентов динамики Haj-ом цикле вычислений;/^ -коэффициенты коррекции шага изменения k¡j .

Процесс поиска значений коэффициентов динамики по разработанному алгоритму включал в себя 108 итераций. При этом величина критерия (15) после завершения процесса поиска составила - 1,808%. Значения коэффициентов Ку предстамены в таблице 1.

Таблица 1 - Значения коэффициентов динамики модели

К|2 К|3 К(4 К,s к!6 Кгз К34 к,6 К76 ¡

0.385 0,682 20,93 44,89 81,53 29,51 70,91 47,85 2,09 2,71

Кб2 К«э К<>4 К«7 К-25 К52 К53 К47 К57

2,93 3,18 7,55 20,97 28,77 1,70 2,99 15,95 20,97

На втором этапе идентификации выполнялась корректировка параметрических коэффициентов модели (КУ2,.... Д*» Кр2,..., Кр6,..., Кй, К«, Кк, К,,, К5, Ку, К2), алгоритм представлен в диссертации. В соответствии с данным алгоритмом изменение указанных коэффициентов осуществлялось в интерактивном режиме с использованием второго массива экспериментальных данных.

Так как в уравнениях, связывающих интенсивность перехода полидисперсного материала из одного состояния в другое, использован один конструктивный параметр тарели - ее диаметр, перед началом корректировки были выведены уравнения связи данного параметра с углом наклона и скоростью вращения тарели. Вывод данных уравнений выполнялся для режима переката гранул при условии их 01рыва в верхней точке тарели гранулятора. При этом вначале по результатам экспериментального исследования был вычислен коэффициент трения качения (/) исследуемого материала, выражение (19), а затем получены зависимости диаметра тарели от угла наклона и скорости вращения тарели (20) и скорости вращения тарели от ее диаметра и угла наклона (21).

К, = K'j + P¡¡ (P¿, + PjJ, Xfl». +РД);(/ = 12ЛЗ,...367;;

(18)

N = ,/(3581.918/D)(sin a - 0,3453 eos a);

/ = 0,001fg<z-2..79l8*10 7 DN2 / eos « ; D = (3581,918 /'N2 Xsin a -0,3453 eos a);

(19)

(20) (21)

Для определения угла наклона тарели при определенном диаметре и скорости вращения тарели была использована итерационная процедура, в которой

угол наклона менялся с шагом в 1 градус от своего минимального значения (25 град.) до шага, при котором выполнялось условие (22).

(sin а - 0,3453 cos а) > 0,000279ZW2; (22)

где N - скорость вращения тарели гранулятора, об/мин.; а - угол наклона та-рели, град.

В результате идентификации получены значения параметрических коэффициентов модели, которые приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Значения параметрических коэффициентов модели

KV2 Kv3 Kv4 Куб Кр2 Крз К.р4 Kv/ Кк

0,03 0.02 0,006 0,0003 105,0 100.0 95,0 2,5 0,00007 0,00005

Ktl Ка ко Kt4 Kt5 Kt6 Kn Ks Kz ^V 1

0,008 0,006 0,03 0,04 0,03 0,04 0,7 7,5 0,56 0,5

Графики изменения вероятностей состояний и />7(г), полученные после завершения процедуры параметрической идентификации, показаны на рис. 4 и 5 (в виде точек показаны экспериментальные значения вероятностей состояний продукта).

Л С)

•V.

Й1И íltfT. Wh ЗЛ. Sib'* 13с.« Its/д >í~ ■

Рисунок 3 - График изменения вероятности исходного состояния полидисперсного продукта в процессе гранулирования

t, мин.

_ „

Е а ...

.. ; : : . . : ' •3 ..... /'' :.......;......

1 : А

к ; / ; . .

....... *

["Г";"" ........ "( :

/ я ; а_-«_ —«а------------—----

Лм» |»м ?<ххн 3«л<

С, мин.

Рисунок 4 - График изменения вероятности состояния полидисперсного продукта в виде гранул (1-3 мм) при требуемой плотности

В третьей главе рассмотрена методика оценки влияния коэффициента комкуемости и влажности полидисперсной смеси на эффективность процесса гранулирования. Сформулирована задача поиска оптимального значения показателя комкуемости, при котором сумма затрат, связанных с повышением дисперсности основных ингредиентов комкуемой смеси, с приобретением и вводом добавок в смесь, с гранулированием полидисперсной смеси, будет минимальной. ¿сд+з ¡-»тш, где с,- стоимость одного килограмма 1-го ингреди-ента

смеси, руб./кг.; - доля ¡-го ингредиента в одном килограмме гранулируемой смеси; п - количество ингредиентов в составе гранулируемой смеси.

где Зт - затраты на гранулирование полидисперсного материала при минимальном значении показателя комкуемости {Кши), руб.; а — коэффициент пропорциональности, связывающий приращение показателя комкуемости с затратами на гранулирование материала, руб/сотая доля показателя комкуемости.

К = Кшн -¿ГП) + ХС'Д^Г* где к?"- доля 1-ой технологической до-

бавки в одном килограмме гранулируемой смеси при показателе комкуемости смеси Кти, кг.; «, - коэффициент, связывающий приращение 1-ой технологической добавки в гранулируемой смеси с показателем комкуемости, 1/кг.; средний диаметр частицы ¡—го ингредиента ггррг минимальном значении показа-

теля комкуемости (Кшн); dj - искомое среднее значение диаметра частицы, ы.; cj - коэффициент, связывающий приращение среднего диаметра частицы j—го ингредиента с показателем комкуемости полидисперсной смеси, 1/м.

Одним из направлений повышения эффективности процесса гранулирования в данных аппаратах является оптимизация их конструктивно-режимных параметров. При решении данной задачи в качестве критерия оптимальности была использована удельная производительность гранулятора по выходу готового продукта, аналитическое выражение которого имеет следующий вид: q£ =4p7gi7ttijpd2;=> шах; где Q>* - удельная производительность гранулятора по готовому продукту, кг/(мин*м2); т:1р - время гранулирования полидисперсного материала, мин. Ограничения накладываются па: показатели качества получаемого продукта (;г,„ < w^.; if* >р7> я,™ ); диаметр тарели (о> ог„); вес загружаемого материала в тарель (с<а,„), где, ir„- максимальная влажность готового продукта, %; р™° , /;7™ - границы вероятности нахождения материала в виде гранул с диаметром 1—3 мм. Ограничение на диаметр тарели (oT„D) определяется минимальным объемом выпуска гранулята (к™1) и числом циклов гранулирования (■/) в планируемом промежутке времени, коэффициентом заполнения тарели (jc,) насыпной плотностью продукта (р) и находится по следующему выражению: d„¡.-, =^8,49p*vf" ly к,р Максимальное количество материала на тарели ( с„„ ), ограничивается необходимостью соблюдешш режима переката комкуемо-го материала на тарели и свободного расположения зон гранулообразования. Определяющим фактором данного режима является коэффициент заполнения рабочего объема тарели, который находится по выражению: к,=лв/ргю2н. Предельное значение коэффициента заполнения тарели, при котором нарушается режим переката, зависит от свойств и характеристик гранулируемой полидисперсной смеси и определяется экспериментальным путем. Это предельное значение коэффициента (к,) будет определять ограничение (сг„ ) при искомом значении диаметра тарели.

В четвертой главе разработан алгоритм и система оптимального управления процессом гранулирования инстаптированых полидисперсных продуктов в производственных условиях. При этом рассмотрено два режима работы участка гранулирования: ненапряженный - в этом случае критерием оптимальности выступает минимум энергозатрат на гранулирование полидисперсных продуктов; напряженный - с критерием, обеспечивающим максимальную производительность участка. Аналитически данные критерии имеют следующий вид. 3v^(K4DGNiúüa+K,2¿)T^IP1G\^tí¿A\ Qín ^P1G/í-„p-=> max; ГДе Кл,К,г - коэффициенты, связывающие мощность потребляемую электроприводами тарели и активатора с режимными параметрами гранулятора.

Поиск оптимальных режимных параметров гранулятора осуществляется для каждой партии инстантированной полидисперсной смеси, имеющей состав и технологические характеристики отличные от смеси, которая проходила стадию гранулирования в предшествующий период. В приложении диссертации приве-

дена проектная документация и программное обеспечение системы оптимального управления процессом.

Выводы

1. По результатам анализа литературных и экспериментальных данных предложена гипотеза механизма процесса гранулирования, отражающая его стохастическую природу.

2. Разработана математическая модель процесса, которая включает в себя две системы линейных дифференциальных уравнений Колмогорова и совокупность уравнений, связывающих интенсивность преобразования материала с параметрами гранулятора и свойствами гранулируемой смеси дисперсных продуктов.

3. Создана методика и проведены экспериментальные идентификационные исследования процесса гранулирования смеси полидисперсных продуктов.

4. Предложены алгоритмы и программы параметрической идентификации математической модели динамики процесса гранулирования влажных дисперсных материалов в тарельчатых грануляторах с активатором. Сформулирована задача поиска оптимального показателя комкуемости полидисперсных продуктов.

5. Научно обоснован алгоритм поиска оптимальных значений конструктивно-режимных параметров тарельчатого гранулятора с активатором, в котором в качестве критерия оптимальности используется удельная производительность гранулятора по выходу готового продукта.

6. Разработана система управления участком гранулирования порошкообразных смесей для напитков, которая позволяет находить оптимальные режимы работы тарельчатых грануляторов с активатором для потоков полидисперсных смесей, характеризуемых нестационарностью характеристик и повысить эффективность процесса гранулирования полидисперсных смесей, что подтверждается опытными испытаниями системы на НПО «Здоровое питание» г.Кемерово.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

Статьи в журналах, рекомендуемых ВАК РФ:

1. Попов, A.M. Идентификация процесса гранулирования ипстантированных полидисперсных продуктов в тарельчатых грануляторах с активатором /A.M. Попов, М.А. Маккавеев, Е.Б. Асташенко и др. //Техника и технология пищевых производств,- 2010.-№ 2. — С. 60-65.

2. Попов, A.M. Исследование кинетики и механизма капиллярного влагообмена при формировании гранул быстрорастворимых напитков /A.M. Попов, Д.В. Доня, Н.В. Тихонов, И.Ю. Березина, И.А. Михайлова, М.А. Макковеев //Современные проблемы науки и образования. -2013. - К» 6. - URL: \ww.science-education.ru/l 13-10543.

Патенты на изобретения и

свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ

3. Асташенко, Е.Б. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2011612239 «Гранула». Правообладатель: ГОУ ВПО «Кемеровский технологический ин-

статут пищевой промышленности» (RU). Авторы: Лсташенко Е.Б., Чупин A.B., Макковеев М.А. Заявка № 2011610342, Дата поступления «20 января 2011 г. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 17 марта 2011 г.

Материалы конференций

4. Макковеев, М.А. Механизм образования зародышей гранул в тарельчатых грануляторах с активатором. Тезисы доклада в сборнике материалов II Всероссийской конференции студентов и аспирантов //«Пищевые продукты и здоровье человека», часть 2, Кемерово, 2009. - С. 114-115.

5. Макковеев, М.А. Математическое моделирование процесса гранулирования инстатиро-ванных полидисперсных продуктов. /М.А. Макковеев, A.M. Попов, A.B. Чупин //Сборник трудов XXII Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях - ММТГ-22», Псков, 2009. - Т. 6. - С. 38 -39.

6. Макковеев, М.А. Алгоритм идентификации модели динамики процесса гранулирования полидисперсных продуктов. /М.А. Макковеев, Е.Б. Асташенко, A.B. Чупин //'Сборник научных работ «Продукты питания и рациональное использование сырьевых ресурсов», Кемерово, 2009.-В. 19.-С. 63-65.

7. Макковеев, М.А. Математическая постановка задачи определения оптимальной комкуемо-сти дисперсных продуктов. /М.А. Макковеев, A.B. Чупин //Сборник научных трудов «Продукты питания и рациональное использование сырьевых ресурсов», Кемерово, 2009. - В.]9. -С. 68-70.

8. Макковеев, М.А. Математическая модель перехода гарнисажа в зародыши гранул /М.А. Макковеев, А.В, Чупин //Сборник научных работ «Продукты питания и рациональное использование сырьевых ресурсов», Кемерово, 2009. - В. 19. - С. 66 - 67.

9. Макковеев, М.А. Методика оценки комкуемости и влажности инстатированных полидисперсных материалов /М.А. Макковеев, A.M. Попов, A.B. Чупин //Сборник материалов Всероссийской конференции «Инструментальные методы для исследования живых систем в пшцеЕЫХ производствах», Кемерово, 2009. - С.40 - 44.

10. Макковеев, М.А. Оптимизация конструктивно-режимных параметров тарельчатых грану-ляторов с активатором. Сборник материалов III Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. «Пищевые продукты и здоровье человека», Кемерово, 2010. -С. 310-311.

11. Макковеев, М.А. Уравнения связи конструхтивно-режимных параметров тарельчатого гранулятора. Сборник материалов IV Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. «Пищевые продукты и здоровье человека», Кемерово, 2011. С. 512- 513.

12. Коваленко, В.В. Исследование динамики гранулирования пояцдисперсных продуктов /В.В. Коваленко, М.Л. Макковеев //Сборник материалов IV Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, «Пищевые продукты и здоровье человека», Кемерово, 2011.-С. 510-511.

13. Попов, А.М. Совершенствование процесса структурообразования полидисперсных быстрорастворимых напитков в тарельчатых грануляторах с активатором /A.M. Попов, М.А. Макковеев, Е.Б. Асташенко, A.B. Чупин //Сборник трудов международной научно-практической конференции «Дни науки», Прага, 2012. - С.20-25.

14. Макковеев, М.А. Оптимизация гранулирования полидисперсных продуктов в тарельчатых грануляторах с активатором /М.А. Макковеев, A.B. Чупин //Сборник трудов 25 Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-25», Саратов, 2012. - Т.8. - С. 124-127.

Подписано в печать 21.02.2014. Формат 60x86/16. Тираж 90 экз. Объем 1 п.л. Заказ №183 Кемеровский технологический институт пищевой промышленности. 650056, г. Кемерово, б-р Строителей, 47.

Отпечатано в рекламно-полиграфической компании «Радуга» 650004, г. Кемерово, ул. Соборная, 6

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности»

04201 457249 На правах рукописи

МАККОВЕЕВ МАКСИМ АЛЕКСАНДРОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ ПОЛИДИСПЕРСНЫХ БЫСТРОРАСТВОРИМЫХ НАПИТКОВ В ТАРЕЛЬЧАТЫХ

ГРАНУЛЯТОРАХ

Специальность 05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых производств

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Попов Анатолий Михайлович

Кемерово 2014

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................4

Глава 1. Литературный обзор................................................................14

1.1 Способы окатывания дисперсных материалов........................................14

1.2 Характеристика работы тарельчатых грануляторов..................................15

1.3 Кинетика и механизм процесса гранулообразования.................................27

1.4 Комкуемость дисперсных материалов...................................................35

1.5 Постановка задачи исследования.........................................................43

Глава 2. Идентификация процесса гранулирования инстантированных дисперсных материалов в тарельчатых грануляторах с активатором..........45

2.1 Разработка математической модели процесса........................................45

2.2 Результаты идентификационных экспериментальных исследований...........59

2.3 Алгоритмы параметрической идентификации математической модели гранулирования дисперсных материалов...................................................62

2.4 Выводы по второй главе...................................................................81

Глава 3. Оптимизация конструктивно-режимных параметров гранулирования дисперсных материалов в тарельчатых грануляторах активатором.......................................................................................82

3.1 Разработка методики количественной оценки комкуемости и влажности дисперсных метериалов.........................................................................83

3.2 Определение оптимального значения показателя комку емости влажных дисперсных материалов.........................................................................89

3.3 Постановка задачи оптимизации конструктивно-режимных параметров тарельчатых грануляторов с активатором..................................................94

3.4 Разработка алгоритма поиска оптимальных конструктивно-режимных параметров гранулятора.......................................................................104

3.5 Выводы по третьей главе.................................................................107

Глава 4. Повышение эффективности управления процессом гранулирования инстантированных дисперсных продуктов в тарельчатых грануляторах с активатором.....................................................................................109

4.1 Постановка задачи оптимального управления гранулятором....................109

4.2 Разработка алгоритма поиска оптимальных режимов гранулирования дисперсных продуктов.........................................................................113

4.3 Разработка системы управления гранулированием полидисперсных продуктов в производственных условиях.................................................................119

4.4 Выводы по четвертой главе..............................................................120

ВЫВОДЫ.......................................................................................121

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.......................................122

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Методика проведения экспериментального исследования динамики процесса гранулирования полидисперной смеси в тарельчатом гранулято-

ре с активатором.................................................................................134

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Листинг программы идентификации математической модели

динамики процесса гранулирования дисперсных материалов........................138

ПРИЛОЖЕНИЕ В. Методика определения мощности, потребляемой

асинхронными двигателями приводов тарели и активатора...........................147

ПРИЛОЖЕНИЕ Г. Листинг программы поиска оптимальных режимов

работы тарельчатых грануляторов с активатором.......................................149

ПРИЛОЖЕНИЕ Д. Схемы автоматизации тарельчатого гранулятора

с активатором....................................................................................169

ПРИЛОЖЕНИЕ Е. Програма управления тарельчатым гранулятором с активатором контроллером ОВЕН ПЛК150.............................................171

ВВЕДЕНИЕ

Гранулирование дисперсных материалов методом окатывания представляет собой процесс превращения сухой сыпучей или влажной бесформенно агрегированной дисперсной системы в одинаковые по плотности, размеру и прочности шарообразные гранулы. Гранулирование методом окатывания впервые было применено в 1912 году Андерсеном (Швеция) [129], а затем в 1913 году Браксельбер-гом [102]. Систематические исследования и широкое внедрение процесса гранулирования окатыванием в производство начались лишь в середине пятидесятых годов. В настоящее время получили распространение многотоннажные производства, которые включают в себя на промежуточном или конечном этапах процесс гранулирования полидисперсных смесей. Существенное преимущество гранулированного продукта по сравнению с сыпучим материалом объясняет широкое распространение данного процесса в промышленности. Гранулы легко транспортируются, не загрязняют окружающую среду пылью, просто дозируются, не выветриваются и не слеживаются. Использование гранулированных материалов позволяет перейти от периодических к непрерывным процессам производства продуктов быстрого приготовления. Кроме этого, многослойное гранулирование обеспечивает процесс производства многокомпонентных пищевых продуктов.

Теоретическую основу производства быстрорастворимых продуктов (в зарубежной литературе — инстант продукты) составляет физико-химическая механика дисперсных систем. Основоположником этой науки является академик П.А.Ребиндер. Она возникла на стыке физики и химии, механики дисперсных систем, коллоидной химии, молекулярной физики. В настоящее время она широко используется при получении дисперсных систем с заданными структурно-механическими свойствами. Исследования в данной области были выполнены: А.В.Лыковым, Н.В.Михайловым, В.И.Лихтманом, Е.Д.Щукиным, Н.Б.Урьевым, Н.Н.Крутицким, Б.В.Дерягиным, А.Д.Зимоном, А.А.Трапезниковым, И.Н. Вла-довцом, Ю.С.Липатовым, А.В.Думанским, А.Ф.Полаком, Е.Е.Сегаловой, [23, 37, 54, 56, 65, 67, 93, 96, 120], применительно к пищевым материалам -

М.А.Талейсником, А.М.Поповым, Н.Н.Липатовым, А.В.Горбатовым, И.А.Роговым [29, 65, 68, 95, 102, 113]. Особенностью данного направления науки является оптимизация и комплексный анализ механических воздействий на продукт и влияние физико-химических и тепловых факторов на протекающие при этом процессы. Процессы теплового и массового обмена рассматриваются как гетерогенные процессы в сферах с определенными фазовыми границами, величина которых зависит от показателей дисперсности системы. Приближенно физические системы можно разделить на грубодисперсные и микрогетерогенные. Критический размер твердых частиц в двухфазных дисперсных системах с газообразной дисперсионной средой составляет - d~10"4 м, с жидкой дисперсионной средой низкой вязкости - d~10"5 м. При этом, определяющими становятся поверхностные явления на границе раздела фаз. Контактные взаимодействия между частицами и поверхностные силы и будут иметь тот же порядок, что и силы инерции, которые зависят от их массы и ускорения, полученного под воздействием внешних сил.

Используя процессы измельчения и смешивания можно получить требуемую структуру порошков, например, смеси порошков какао, сахара, молока, сливок, сыворотки, мороженного, фруктов и овощей. Свойством таких полидисперсных продуктов является медленное и трудное растворение их в воде при приготовлении жидких растворов. Это обусловлено особенностью их структуры. Частицы порошка вначале увлажняются под действием молекулярных сил, при этом удельный вес их увеличивается, что приводит их к медленному погружению и растворению в воде, то есть они диспергируются в жидкости. Увлажнение в основном зависит от состояния поверхности твердой фазы. Кроме этого, увлажнение и особенно растворение также зависят и от свойств полидисперсного порошка. Результатом интенсивного массообмена между водой и мелкими частичками с большой удельной поверхностью, является появление пленочного слоя концентрированного раствора на фазовой границе «вода-порошок», который препятствует проникновению жидкости в порошковый слой, что в конечном итоге приводит к его комкованию при перемешивании. Проникновение внутрь слоя порошка увлажняющей жидкости происходит за счет капиллярного давления, которое являет-

ся движущей силой данного процесса. Кроме этого, поверхностные свойства порошка влияют и на характер капиллярно-пористых каналов в порошковом слое.

Целью управления дисперсными системами на всех стадиях процесса гранулирования является получение материалов с заданными структурно-механическими свойствами. При этом основную роль в получении требуемой структуры (пористость, размер, форма поровых капилляров, дисперсность компонентов, и т.д.) и заданных свойств материалов ( увлажняемость, набухаемость, во-доудерживающая способность, прочность) играет процесс формирования входных физических и химических характеристик твёрдой и жидкой фаз системы.

Все чаще при производстве быстрорастворимых продуктов начинает использоваться агломерация. Она используется как самостоятельный процесс или в комбинации с внесением комплексных пищевых добавок, изменяющих основные физико-химические свойства продукта. Это обусловлено относительно простой технической реализацией процесса и получением относительно высоких технологических показателей. Существует достаточно много способов агломерации, каждый из которых характеризуется своими специфическими, технологическими и конструктивными особенностями. Для каждого вида продукта необходимо выбирать свой способ агломерации, который обеспечит высокие технико-экономические показатели процесса гранулирования. Проблемами теории и практики процесса гранулирования занимались российские ученые: А.М.Попов [102], В .А. Лотов [67], В.И.Коротич [54], П.В.Классен [51], Г.Г.Ефименко [45], Г.В.Губин [33], Н.Н.Бережной [15], Г.В.Коршиков [55]. За рубежом изучением данного процесса занимались: Тигершельд и Ильмони [138], Ферс [134], Ньюит и Конвей-Джонс [137], Румпф [398], Кейпс [132], Кохен-Мантель [133], Тугучи [136].

Структурирование инстантированного продукта осуществляется гранулированием, под которым понимается процесс формирования твёрдых частиц заданного размера, формы, физических и механических свойств. В отечественной и зарубежной практике для гранулирования дисперсных смесей применяют следующие способы и аппаратуру:

- путем разбрызгивания жидкой фазы с последующей кристаллизацией капель при обезвоживании или охлаждении [67];

- путем прессования брикетов (плиток) из твердой фазы или путем дробления их до гранул требуемого размера [63];

- путем агломерации порошков из смеси жидкой и твердой фаз с последующим окатыванием агломератов и упрочнением связей между частицами с удалением жидкой фазы [54];

- путем конденсации (десублимации) газообразной фазы с образованием твердых гранул [54];

- путем химической реакции смесей жидкой и газообразной фаз [129];

- путем химической реакции смесей жидкой и газообразной фаз с образованием новых веществ [129].

Твердые частицы необходимого размера образуются в процессе гранулирования постепенно, либо единовременно. Исходя из этого, различают следующие процессы гранулирования:

- без изменения размера частиц;

- с изменением размера частиц во времени;

- с образованием новых и ростом уже существующих частиц.

Процессы гранулирования могут выполняться с возвратом мелких частиц или без их возврата на стадию гранулирования. Это зависит от характеристик гранулометрического состава получаемого продукта. Процесс гранулирования с возвратом мелких частиц на стадию гранулирования называют ретурным, а без возврата - безретурным.

Способ гранулирования дисперсных смесей, его аппаратурное оформление, характер процесса во многом зависят от механизма гранулообразования.

Исторически сложилось так, что в разработке теории и внедрении гранулирования в промышленность практика довольно часто опережала теорию. Эмпирический подход, ограниченный спецификой конкретных технологий, затруднил выявление общих зависимостей параметров процессов и аппаратов. До сих пор нет четкого представления кинетики и механизма гранулирования, влияния каче-

ственных показателей сырья на процесс гранулирования и др. Все это затрудняет рациональное аппаратурное оформление процесса и приводит к длительному периоду вывода промышленных аппаратов на оптимальный режим работы. Наиболее важным вопросом при проектировании технологии гранулирования является переход от лабораторных исследований к внедрению новой технологии в промышленное производство.

Существует достаточно большое количество конструкций грануляторов, которые позволяют получить гранулы путем окатывания, однако из широкого спектра этих конструкций выделяются два аппарата, которые можно использовать для многотоннажного производства - это тарельчатый и барабанный грануляторы. Основное количество гранулята в настоящее время выпускается на этих аппаратах. Остальные конструкции, как правило, являются модификациями этих грануляторов, или предназначены для малотоннажных производств.

Экономически целесообразнее использовать тарельчатые грануляторы, так как они обладают большей удельной производительностью, имеют сравнительно небольшие размеры, менее металлоемки и их обслуживает меньшее количество персонала. Кроме этого, в тарельчатом грануляторе по сравнению с барабанным, осуществляется еще и классификация гранул на тарели. Поэтому гранулят, полученный на тарельчатом грануляторе, не требует последующей классификации, так как он однороден по размеру. Однако процесс гранулирования в тарельчатых грануляторах менее стабилен, чем в барабане. К сырьевой смеси предъявляются более жесткие требования. Она должна обладать лучшей комкуемостью, что связано с повышенным расходом пластифицирующих добавок и влажностью, так как процесс гранулирования в тарельчатых грануляторах чрезвычайно чувствителен к ее колебанию в комкуемом материале. Кроме этого, на качество, получаемого гранулята существенно влияет изменение режимных параметров аппарата. Различие в стабильности работы барабанных и тарельчатых грануляторов объясняется большей энергоотдачей с единицы площади тарели на комкуемый материал по сравнению с барабаном, а также геометрическим наложением зон гранулообразо-вания на тарели друг на друга. В барабане эти зоны располагаются последова-

тельно по длине барабана. Этим можно объяснить, почему изменение режимных параметров барабанного гранулятора приводит лишь к изменению производительности, а изменение режимных параметров работы тарели нарушает весь процесс.

Одним из наиболее перспективных путей повышения эффективности процесса гранулирования, особенно при использовании тарельчатых аппаратов, на современном этапе является оптимизация режимов, технологических и конструктивных параметров и направленное регулирование структурно-механических свойств комкуемых дисперсных материалов для достижения заданного качества гранулята при максимально возможной производительности.

В настоящей работе сделана попытка решения этих вопросов применительно к процессам гранулирования полидисперсных быстрорастворимых напитков.

Актуальность темы. Последние годы характеризуются расширением производств, совершенствованием технологий и увеличением ассортимента концентратов в виде быстрорастворимых или быстро восстанавливаемых сухих порошкообразных смесей для напитков. Их производство в России сдерживается низкой производительностью стадии гранулирования этих смесей. Использование тарельчатых грануляторов с активатором позволяет повысить производительность данной стадии. Однако для достижения максимальной производительности таких грануляторов необходим поиск оптимального соотношения между диаметром, углом наклона, скоростью вращения и высотой борта тарели, конструктивными и режимными параметрами активатора для каждой группы сырьевых смесей, обладающих своими технологическими особенностями (составом, комкуемостыо, влажностью, насыпной плотностью и т. д.).

Наименее затратным и эффективным методом решения задачи поиска оптимальных конструктивно-режимных параметров гранулятора является математическое моделирование и исследование процесса с использованием современной компьютерной техники. Поэтому разработка математических моделей процесса гранулирования инстантированных полидисперсных смесей в тарельчатых грану-ляторах с активатором, оптимизация его параметров является важной и актуаль-

ной задачей. Решение этой за�