автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.05, диссертация на тему:Технологические основы импедансметрического метода контроля сахарсодержащих растворов и утфелей



На правах рукописи

ЗАГОРУЛЬКО Елена Александровна

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИМПЕДАНСМЕТРИЧЕСКОГО МЕТОДА КОНТРОЛЯ САХАРСОДЕРЖАЩИХ РАСТВОРОВ И УТФЕЛЕЙ

Специальность 05.18.05 - Технология сахара

и сахаристых веществ

Научный руководитель: д.т.н., профессор С.М. ПЕТРОВ

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1999

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

Введение...............................................................................................................5

1 .РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ СПОСОБОВ КОНТРОЛЯ КРИСТАЛЛИЗУЮЩИХСЯ

ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ.................................................................................7

1.1. Анализ существующих способов контроля кристаллизующихся систем сахаристых веществ....................................7

1.2. Оценка информационной достоверности и надежности

аналоговых способов контроля..............................................................15

1.3. Перспективы развития аналоговых способов контроля

с целью повышения их метрологичеекихтрактеристик.....................19

Цель и задачи исследований.................................... Г..........................................27

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ САХАРНЫХ РАСТВОРОВ И УТФЕЛЕЙ В ВЫСОКОЧАСТОТНОМ

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ ПОЛЕ...................................................................29

2.1. Описание экспериментальных установок..............................................29

2.1.1. Установка для импедансметрических исследований...................29

2.1.2. Лабораторная вакуум-выпарная установка...................................32

2.2. Контактные преобразователи для определения

диэлектрических и кондуктометрических свойств сахарных растворов в квазистационарной области частотного спектра...................................................................................38

2.2.1. Требования к конструкции и конструкционным

материалам измерительной ячейки..............................................38

2.2.2. Геометрические и электрические характеристики

первичных преобразователей.........................................................40

2.2.3. Определение диэлектрической проницаемости

воды с помощью коаксиальной ячейки со

стержневым электродом................................................................44

2.3. Методики проведения эксперимента.....................................................46

2.3.1. Приготовление модельных сахарных

растворов и утфелей.......................................................................46

2.3.2. Методика проведения импедансметрических

исследований...................................................................................47

2.3.3. Методика проведения эксперимента

в вакуум-выпарной установке....................................................49

2.4.Частотная зависимость общего тангенса угла потерь...........................52

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК С ОСНОВНЫМИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПАРАМЕТРАМИ САХАРНЫХ

РАСТВОРОВ И УТФЕЛЕЙ...........................................................................56

3.1. Исследование зависимости общего тангенса угла потерь и комплексного сопротивления от массовой доли сухих

веществ в растворе и коэффициента перенасыщения..........................57

3.2. Импедансметрия насыщенных растворов сахарозы

в присутствии кристаллов.......................................................................68

3.3. Исследование влияния содержания сульфатной золы на электрофизические характеристики

сахарного раствора..................................................................................76

4. РАЗРАБОТКА ИМПЕДАНСМЕТРИЧЕСКИХ СПОСОБОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАССОВОЙ ДОЛИ САХАРОЗЫ В

ПРОДУКТАХ КРИСТАЛЛИЗАЦИОННОГО ОТДЕЛЕНИЯ.......................79

4.1.Способ определения массовой доли сахарозы в растворе по величинам общего тангенса угла потерь и активного электрического сопротивления................................................................80

4.2.Способ определения массовой доли сахарозы в растворе по величинам массовой доли сухих веществ

и общего тангенса угла потерь................................................................85

4.3.Метрологический анализ способов определения

массовой доли сахарозы в растворе........................................................92

4.4.Расширение функциональных возможностей импедансметрического метода определения

массовой доли сахарозы в растворе......................................................100

4.4.1.Смешивание производственного раствора

с эталонным...................................................................................101

4.4.2.Шунтирование первичного преобразователя дополнительным конденсатором.................................................105

5 .ИМПЕДАНСМЕТРИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ КОНТРОЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

КРИСТАЛЛИЗУЮЩЕГОСЯ УТФЕЛЯ.......................................................109

5.1 .Способ контроля коэффициента перенасыщения межкристального раствора утфеля по инвариантным значениям общего тангенса угла потерь...............................................109

5.2. Комбинированные способы контроля технологических параметров кристаллизующегося утфеля............................................121

5.3.Способ регулирования процесса кристаллизации

сахарсодержащих растворов...................................................................131

Выводы и рекомендации промышленности...................................................137

Библиографический список.............................................................................139

Приложения......................................................................................................153

ВВЕДЕНИЕ

Эффективность работы кристаллизационных отделений свеклосахарных и сахарорафинадных заводов по таким важнейшим показателям как качество сахара, потери сахара и производительность в значительной степени зависит от правильного ведения процесса уваривания утфеля в вакуум-аппарате. Одним из важных способов технологической интенсификации процесса кристаллизации сахара является решение проблемы контроля и управления данным процессом. Для этого очень важно иметь надежную и объективную информацию об основных технологических параметрах - коэффициенте перенасыщения, массовой доли сухих веществ и сахарозы в растворе и утфеле, содержании кристаллов. Правильно организованный контроль технологических параметров кристаллизующихся сахаристых систем позволит сократить активный цикл уваривания и расход пара, увеличить выход кристаллического сахара и повысить его качество.

Сложность контроля перечисленных выше основных технологических параметров процесса кристаллизации связана с отсутствием прямых методов контроля этих параметров, что привело к созданию различного рода косвенных методов - кондуктометрических, вискозиметрических, брасмометриче-ских, оптических, реже диэлектрических. Но ни один из перечисленных выше методов, в силу присущих им недостатков, не стал общепринятым и на большинстве отечественных сахарных заводов до сих пор практикуется субъективный органолептический анализ состояния увариваемого утфеля и рутинный и продолжительный лабораторный контроль его параметров.

Вторая проблема связана с применением токсичных свинецсодержащих реагентов при определении массовой доли сахарозы в сахарсодержащих продуктах традиционным поляриметрическим методом. Поиск альтернативных

методов определения массовой доли сахарозы обусловлен необходимостью исключить загрязнение окружающей среды соединениями свинца при традиционной методике. Проблема может быть решена двумя путями: заменой свинецсодержащих осветляющих реагентов на экологически безопасные или разработкой новых инструментальных методов, исключающих необходимость осветления растворов. При этом немаловажное значение имеет продолжительность анализа. Достаточно продолжительный поляриметрический метод делает, например, невозможным полный контроль всех промежуточных продуктов кристаллизационного отделения, в результате чего теряется необходимая информация для управления технологическим процессом.

Создание новых инструментальных методов и средств автоматического контроля технологических процессов сахарного производства - один из научных проектов, выдвигаемых государственной программой «Сахар» на 1995-2000 годы и на период до 2005 года.

Поэтому разработка новых методов контроля технологических параметров процесса кристаллизации сахарного утфеля и массовой доли сахарозы в растворе является актуальной.

1. РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ СПОСОБОВ КОНТРОЛЯ КРИСТАЛЛИЗУЮЩИХСЯ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ

1.1 .Анализ существующих способов контроля

кристаллизующихся систем сахаристых веществ

Под электрофизическими характеристиками сахарсодержащих растворов и кристаллизующихся суспензий следует понимать [29]:

в кондуктометрических измерениях - величину активного сопротивления, измеряемого на низкой частоте (50ч-2000 Гц);

в импедансметрических измерениях - величину комплексного сопротивления емкостной ячейки, включающую активную и реактивную составляющие, общий тангенс угла потерь;

в диэлектрических измерениях - относительную диэлектрическую проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь.

Анализ научно-технической и патентной литературы показал, что до последнего времени наиболее распространенным продолжает оставаться метод контроля состояния увариваемой массы по величине электрической проводимости [1-8, 10-11, 27, 42, 46, 91-94, 96, 123]. Это связано прежде всего с простотой и относительной дешевизной измерительных устройств и возможностью непрерывного измерения. Однако, необходимо отметить, что по мнению португальских исследователей [119], на сегодняшний день одним из самых надежных способов измерения является измерение массового содержания сухих веществ в растворе с помощью современных промышленных рефрактометров. Именно этот принцип измерения лежит в основе предложенного ими способа непрерывного определения коэффициента перенасыщения. Несмотря на все совершенство современных промышленных рефрактометров, предусматривающих температурную и вакуумную компенсацию, они

имеют более низкую скорость отклика по сравнению с электроизмерительными приборами. Кроме того, с помощью рефрактометров затруднен контроль степени перенасыщения в варках низкой чистоты, поскольку помимо массовой доли сухих веществ необходимо дополнительно иметь информацию о чистоте межкристального раствора, что значительно осложняет контроль, особенно на стадии наращивания кристаллов.

Кондуктометрический метод для практического контроля кристаллизации был предложен П. Хонигом [101]. Это произошло примерно в 1932 году, после исследования простейшего прибора для измерения электропроводности на опытной сахарной станции Явы. Но уже тогда было обнаружено влияние состава несахаров на измерение электропроводности, что препятствовало использованию этого метода контроля.

В нашей стране пионером в изучении теоретических основ кондукто-метрического метода контроля и его практического применения является П.М.Силин [85]. Но более глубокие исследования возможности практического применения этого метода для контроля и регулирования процесса уваривания свеклосахарных утфелей стали проводиться примерно с 70-х годов в отраслевой лаборатории физико-химических процессов при МТИППе (В.И.Тужилкин, И.Н.Каганов, А.Р.Сапронов, А.И.Сорокин, А.И.Лапкин и др.) [1, 3-5, 7, 10-11, 41-42, 50, 70, 89-97].

Сразу необходимо отметить общий недостаток способов контроля, основанных на измерении электросопротивления (электропроводности). Это косвенный контроль основного компонента - сахарозы, являющейся в чистом виде диэлектриком, - по информации, связанной с электропроводящими примесями. Реактивная составляющая комплексного сопротивления (импеданса) участка пассивной электрической цепи переменного тока, характеризующая диэлектрические свойства вещества, при измерениях на частотах 1=50-^2000 Гц, характерных для промышленных приборов, практически не

проявляется. Кроме того, процесс кристаллизации рафинадных утфелей и клеровок сахара-сырца нельзя контролировать по электропроводности, так как чувствительность измерения этой величины низкая вследствие незначительного количества диссоциированных свободных ионов в растворе.

Выявлена сложная функциональная зависимость электросопротивления от ряда факторов: коэффициента перенасыщения, чистоты раствора, температуры, количества кристаллов, состава несахаров [89, 94]. Очевидно, что такая многофакторная зависимость не позволяет однозначно определять какой-либо из параметров по величине электросопротивления. Необходимо исключать или компенсировать влияние всех остальных факторов на процесс измерения. Обзор литературных источников показал, что в существующих способах контроля поставленная задача частично решается посредством следующих приемов:

• разделением всего цикла уваривания в вакуум-аппарате на стадии и осуществлением контроля на какой-то одной стадии [1, 89, 92];

• переходом к относительным значениям электропроводности или осуществлением контроля одновременно по двум или нескольким параметрам, например, электросопротивлению и температуре [1,11, 89, 92];

• применением специальных устройств, как например, устройство, позволяющее одновременно измерять электросопротивление и утфеля и межкристального раствора [3, 10, 94];

• другие [2, 4, 6, 96] .

Еще П. Хонигом в 30-е годы было установлено, что зависимость электропроводности производственных растворов сахарозы от концентрации при различном содержании примесей и их различном составе выражается множеством кривых, имеющих выраженный экстремум в области концентрации сухих веществ 28-30 % мае. Положение экстремума относительно концентрации практически неизменно и не зависит от чистоты раствора, состава неса-

харов и температуры. Смещение экстремума происходит лишь по абсолютному значению электропроводности при массовой доле сухих веществ 28±2 % в зависимости от перечисленных показателей. В работе [93] показано, что возможно установление прямолинейной зависимости между чистотой сахарных растворов и величиной максимальной электропроводности, которую можно было бы использовать для контроля чистоты раствора, что и предложено в [5, 11]. Но как отмечают сами авторы [93], устанавливаемая зависимость не является единой для всех сахарных заводов, то есть зависит от состава минеральных примесей, обусловленных различными почвами зон свеклосеяния. Авторы статьи предлагают решить эту проблему установлением градуировочных прямых для каждого завода. Но, как известно, состав солевых примесей колеблется также в течение сезона сахароварения из-за ухудшения качества свеклы после длительного хранения. Это обуславливает необходимость постоянной корректировки градуировочных прямых, что, безусловно, вызывает определенные неудобства.

Показано [92], что описанное выше семейство кривых зависимости электропроводности производственных сахарных растворов от содержания СВ может быть сведено в однозначную зависимость. Для этого разбавляют исследуемый раствор до экстремального значения электропроводности, которое выбирают в качестве реперной точки, а затем находят отношение текущей электропроводности к ее экстремальной величине при одной и той же температуре. Путем кондуктометрических исследований электропроводности производственных сахарных растворов авторами установлено, что между отношением электропроводности исходного раствора произвольной концентрации к экстремальной электропроводности и концентрацией существует однозначная зависимость, на которую не оказывают влияния чистота раствора, состав несахаров, температура (если определение отношения электропроводно-

стей проведено при одинаковой температуре), поскольку отношение электро-проводностей представляет собой отн о сите л ь ную величину.

Разработаны способы контроля массовой доли сухих веществ, доброкачественности и коэффициента перенасыщения, предусматривающие измерение экстремального значения электропроводности [1, 11, 42]. Разработано устройство, позволяющее реализовывать указанные способы [11]. Несмотря на то, что переход к относительным единицам электропроводности и позволяет повысить точность контроля, исключая влияние ряда возмущающих факторов, но постоянный поиск экстремума электропроводности путем разбавления анализируемого раствора создает некоторые неудобства при использовании данных способов контроля. Кроме того, сама процедура определения коэффициента перенасыщения межкристального раствора утфеля по способу [11], начиная от момента отбора пробы утфеля и отделения межкристального оттека и заканчивая появлением конечного результата, относительно продолжительна во времени, что может вызвать запаздывание регулирующего действия при использовании данного способа в системе регулирования процесса кристаллизации.

Интересен способ контроля процесса уваривания сахарных утфелей [2] по разности значений электропроводности, измеренной посредством двух электродов: измерительного, находящегося непосредственно в вакуум-аппарате, и сравнительного, помещенного на выходе дополнительного контура "опережения" по пересыщению кристаллизуемого раствора. "Опережение" процесса достигается охлаждением раствора, протекающего по циркуляционной трубе [2].

Разработке метода непрерывного контроля содержания твердой фазы в период зародышеобразования и наращивания кристаллов посвящены ра�