Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Київ - 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному університеті харчових технологій

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор,

Рева Леонід Павлович,

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, с.н.с.,

Міщук Ромуальд Цезарович,

Український НДІ цукрової промисловості,

Михайлик В'ячеслав Аврамович,

Інститут технічної теплофізики НАН України,

провідний науковий співробітник відділу дискретно-імпульсного введення енергії в дисперсні середовища

Провідна установа: Інститут харчової хімії і технології НАН України, м. Київ

Захист відбудеться “22” жовтня 2003 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.058.04 Національного університету харчових технологій за адресою: 01033, Київ - 33, вул. Володимирська, 68, аудиторія А - 311.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного університету харчових технологій за адресою: 01033, Київ-33, вул. Володимирська, 68.

Автореферат розісланий “19” вересня 2003 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, к.т.н. О.В. Кобилінська

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Дисертаційна робота, присвячена вирішенню наукового та практичного завдання підвищення ефективності очищення дифузійних соків на основі: дослідження, аналізу та моделювання гідродинамічних структур потоків у промислових апаратах сокоочисного відділення для розробки заходів щодо вдосконалення їх конструкцій та методів макрокінетики процесів; моделювання кінетики визначальних хімічних реакцій та розроблення методів оптимізації процесів очищення дифузійного соку; розробки макрокінетичного методу оцінки хімічних втрат цукрози в апаратах дефекосатурації та випарної установки.

Зв'язок роботи з науково-дослідними планами. Дисертаційна робота виконана відповідно до плану науково-дослідних робіт кафедр технології цукристих речовин та інформатики НУХТ по розділу “Оптимізація технологічних процесів очищення дифузійного соку на основі їх фізико-хімічних досліджень та математичного моделювання” (державний реєстраційний номер 0194U0055331) теми “Розробка, удосконалення, інтенсифікація та оптимізація технологічних процесів і апаратурного оформлення у цукровому та крохмалепатоковому виробництві” та розділу “Математичне моделювання робочих процесів очищення дифузійного соку” теми “Комп'ютерізація в галузях харчової промисловості”.

Автор особисто брав участь в проведенні досліджень в лабораторних та промислових умовах, обробці та аналізі одержаних результатів, створенні математичних моделей гідродинамічних структур потоків та кінетичних моделей визначальних хімічних реакцій окремих процесів, оптимізації стадій очищення дифузійного соку, розробив макрокінетичний метод оцінки хімічних втрат цукрози.

Мета й завдання досліджень. Метою роботи є наукове обгрунтування та розробка методів підвищення ефективності основних технологічних процесів очищення дифузійного соку.

Відповідно до поставленої мети було визначено такі завдання:

дослідити гідродинаміку та створити математичні моделі структури потоків в апаратах сокоочисного відділення;

розробити математичні моделі кінетики визначальних хімічних реакцій у технологічних процесах очищення дифузійного соку;

розробити методи оптимізації технологічних процесів очищення дифузійного соку на основі створених кінетичних моделей та узагальнених критеріїв оптимізації;

розробити метод порівняльної оцінки схем очищення дифузійного соку за узагальненим критерієм оптимізації;

розробити макрокінетичний метод оцінки дійсних хімічних втрат цукрози в апаратах сокоочисного відділення та випарної установки на основі мікрокінетики розкладання цукрози та розподілів часу перебування у них потоків.

Об'єктом досліджень є сокоочисне відділення бурякоцукрового заводу.

Предметом досліджень є моделювання кінетики визначальних процесів та гідродинамічних структур потоків в апаратах сокоочисного відділення, оптимізація стадій очищення дифузійного соку, розробка макрокінетичного методу оцінки хімічних втрат цукрози в апаратах дефекосатурації та випарної установки.

Методи досліджень. При дослідженні гідродинамічних структур потоків в апаратах сокоочисного відділення використовували метод імпульсного введення трасера та математичної обробки кривих відгуку, в кінетичних експериментах вміст найважливіших з технологічної точки зору нецукрів в дифузійних соках визначали відомими методами (вміст інвертного цукру - рекомендованим комісією ICUMSA класичним методом Берлінського інституту цукрової промисловості з використанням реактиву Мюллера, вміст амідів - методом визначення -амінного азоту, кількість розкладеної цукрози розраховували за приростом інвертного цукру та органічних кислот), вміст білка - методом біуретової реакції, розробленим Г.О.Сімахіною та Л.П.Ревою, після чого розробляли кінетичні моделі визначальних процесів та застосовували математичні методи оптимізації стадій очищення дифузійного соку.

Наукова новизна одержаних результатів. На основі експериментальних і теоретичних досліджень розроблено кінетичні моделі визначальних хімічних процесів стадій очищення дифузійного соку, гідродинамічні моделі та методи оптимізації відповідних технологічних процесів:

за експериментальними кривими відгуку на введення трасера в промислових апаратах сокоочисного відділення розраховано їх найважливіші статистичні характеристики гідродинаміки потоків;

створено адекватні кінетичні моделі коагуляції білків та розкладання інвертного цукру в слабколужному середовищі, на основі яких розроблено рівняння для визначення оптимальних значень технологічних параметрів (тривалість, температура та кінцева лужність) попередньої дефекації;

розроблено адекватні кінетичні моделі розкладання інвертного цукру, амідів та розчинення білкового коагуляту в сильнолужному середовищі, запропоновано узагальнений критерій оптимізації та програму обчислення оптимальних значень параметрів основної дефекації;

в результаті виявлених недоліків одноступеневого промислового сатуратора запропоновано комбіновану та секціоновану гідродинамічні моделі цьогo апарата;

запропоновано метод порівняльної оцінки схем очищення дифузійного соку за узагальненим критерієм оптимізації;

розроблено макрокінетичний метод оцінки дійсних хімічних втрат цукрози в апаратах дефекосатурації і випарної установки.

Практичне значення одержаних результатів. Результати теоретичних, лабораторних і промислових досліджень були реалізовані за такими напрямами:

при виконанні науково-дослідних робіт з розробки нових і удосконалення існуючих технологічних процесів очищення дифузійного соку та їх апаратурного оформлення Українським науково-дослідним інститутом цукрової промисловості використовуються:

метод та формули для визначення оптимальних параметрів переддефекації за максимальним ефектом видалення нецукрів;

програма для обчислення оптимальних значень технологічних параметрів основної дефекації за узагальненим критерієм оптимізації та кінетичними моделями процесів;

макрокінетичний метод оцінки дійсних хімічних втрат цукрози в промислових апаратах сокоочисного відділення та ін.;

оптимізація попередньої дефекації на Городоцькому цукровому заводі по критерію максимального видалення нецукрів дала можливість збільшити загальний ефект очищення дифузійного соку в середньому на 3,8 % і підвищити вихід цукру на 0,1 % до маси буряків;

створені програмні засоби “Розрахунок потоків відділень добування і очищення соку” впроваджені у виробництво на Миронівському цукрокомбінаті;

методи статистичної обробки експериментальних кривих відгуку в промислових апаратах дефекосатурації, визначення оптимальних умов попередньої дефекації, макрокінетичний метод оцінки дійсних хімічних втрат цукрози в апаратах сокоочисного відділення та випарної установки використовуються в навчальному процесі кафедри технології цукристих речовин та кафедри інформатики.

Особистий внесок здобувача - участь у проведенні лабораторних та виробничих дослідів для одержання кінетичних даних; створення адекватних кінетичних моделей та оптимізація процесів за узагальненими критеріями оптимізації; математична обробка експериментальних кривих відгуку в промислових апаратах сокоочисного відділення; розробка макрокінетичного методу розрахунків дійсних хімічних втрат цукрози; впровадження запропонованого методу оптимізації попередньої дефекації на Городоцькому цукровому заводі.

Апробація результатів роботи. Основні положення дисертаційної роботи доповідались, обговорювались і були схвалені на щорічних конференціях Київського технологічного інституту харчової промисловості (нині НУХТ ) та на міжнародних наукових конференціях: “Comptes rendus de la 15e Assemblee generale de la Commission internationale Technique de Sucrerie (CITS)” (Vienne, 1975); “Розробка та впровадження нових технологій і обладнання у харчову та переробну галузі АПК” (Київ, КТІХП, 1993); IX міжнародній конференції “Удосконалення процесів та апаратів хімічних, харчових та нафтохімічних виробництв” ( Одеса, ОДАХТ, 1996 ).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 10 праць, у тому числі 7 статей у фахових виданнях, 3 - тези доповідей на міжнародних конференціях.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, семи розділів, висновків, списку використаних літературних джерел і чотирьох додатків. Робота викладена на 142 сторінках основного тексту, містить 18 рисунків, 15 таблиць та 4 додатки. Список використаної літератури містить 187 вітчизняних та зарубіжних джерел.

очищення дифузійний сік математичний

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету та основні завдання досліджень, визначено наукову новизну та практичну цінність роботи, наведено відомості про особистий внесок автора, апробацію результатів, структуру та обсяг роботи.

Розділ 1. Процеси очищення дифузійного соку в бурякоцукровому виробництві як об'єкт моделювання та оптимізації. Проаналізовано вплив основних нецукрів дифузійного соку на процеси очищення і можливості їх видалення. Обгрунтовано необхідність розробки математичних моделей визначальних хімічних реакцій та гідродинамічної структури потоків у реальних апаратах безперервної дії. При розв'язуванні задач оптимізації кожного технологічного процесу враховано поведінку найбільш впливових нецукрів, що вимагає створення узагальнених критеріїв оптимізації. Зроблено аналіз математичних методів розв'язання задач оптимізації із застосування комп'ютерних технологій. Обгрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, визначено завдання дослідження.

Розділ 2. Експериментальне дослідження гідродинаміки потоків у сучасних безперервнодіючих апаратах сокоочисного відділення. Ефективність роботи апаратів безперервної дії великою мірою визначається особливостями руху потоку реакційного середовища. Для дослідження структури потоків в апаратах сокоочисного відділення було отримано експериментальні криві відгуку на імпульсне введення трасера, які показані на рис. 1 лише двома найбільш відмінними розподілами.

У дисертації наведені також аналогічні криві для апаратів попередньої і основної дефекацій, першого та другого корпусів випарної установки ( ВУ ).

В результаті математичної обробки щільностей розподілу часу перебування елементів потоку рідини в апаратах розраховано найважливіші статистичні характеристики розподілів (середній час, дисперсія, асиметрія та ін.) (табл. 1).

На основі аналізу форми кривих відгуку і їх статистичних характеристик (рис.1, табл.1) встановлено, що розподіли часу перебування в реальних апаратах суттєво відрізняються від ідеальних (змішування та витіснення), стрімке зростання щільності від початку введення трасера характеризує наявність значного байпасу, зміщення максимуму кривих відносно середніх значень перебування в бік меншої тривалості показують, що значна частина елементів потоку перебуває в апараті в 3…5 разів менше середнього часу, необхідного для оптимального завершення відповідних реакцій.

Таблиця 1.Статистичні параметри розподілу часу перебування елементів потоку в деяких апаратах дефекосатурації і випарної установки

*-параметр екстраполяції кривих відгуку; M, s(), Var(), As - відповідно середнє значення, середнє квадратичне відхилення, коефіцієнт варіації та асиметрія розподілу часу перебування елементів потоку в апаратах; M2 M3 -відповідно другий і третій моменти безрозмірного часу перебування.

Повільне зменшення значень кривих відгуку свідчить про наявність локальних осередків підвищеної концентрації трасера, які не покидають об'єм апаратів досить тривалий час (застійні зони).

Отже, характер розподілу елементів потоку в сучасних промислових апаратах сокоочисного відділення несприятливий для здійснення відповідних технологічних процесів через значне відхилення часу перебування окремих порцій потоку соку від середнього, який повинен бути оптимальним з погляду реалізації кінетики визначальних процесів.

Розділ 3. Моделювання кінетики процесів та оптимізація попередньої дефекації. В результаті попереднього аналізу хімічних та масообмінних процесів, що відбуваються при обробленні дифузійного соку невеликою кількістю вапна в умовах переддефекації, було зроблено висновок, що найважливішими технологічними процесами є коагуляція білка (як модель коагуляції високомолекулярних сполук (ВМС) дифузійного соку) та розкладання інвертного цукру в слабколужному середовищі з екстремальним приростом забарвлення соку.

На основі виконаних експериментальних та аналітичних досліджень кінетики коагуляції та відповідних розрахунків запропоновано кінетичну модель коагуляції білків.

Концентрація білків у рідкій фазі соку характеризується рівнянням .

(1)

де С-концентрація білка в частках до маси соку; -тривалість процесу, хв; - числовий параметр, >0; , де - константа коагуляції, яка залежить від температури t, єС, і лужності u, %СаО, соку;. ; ; . Змінна х відображає сумісну дію температури та лужності. Співмножник показує, що після досягнення деяких значень u та t константа коагуляції починає зменшуватись. При найкращому співвідношенні між t та u дорівнює 1.

Наступним важливим показником для оптимізації попередньої дефекації є кінетика розкладання інвертного цукру в умовах слабколужного середовища. Для визначення константи швидкості лужного розкладання інвертного цукру запропоновано формулу

(2)

де І0 - початковий вміст інвертного цукру в дифузійному соку; k - константа швидкості розкладання інвертного цукру;

Одержані кінетичні моделі коагуляції білка та розкладання інвертного цукру після перевірки адекватності за критерієм Фішера і контрольними експериментами, покладено в основу оптимізації переддефекації.

Цільова функція узагальненого критерію оптимізації попередньої дефекації задається співвідношенням , де d1, d2, d3 - частинні бажаності для вихідних параметрів W/S, I/S і (W, S, I - відповідно вміст білка і цукрози та кількості розкладеного інвертного цукру в переддефекованому соку ) обчислені за методом Харрингтона на основі шкал бажаностей; - числові параметри, додатні і такі, що .

За результатами розрахунків для зручності використання запропоновано формули для обчислення оптимальних значень факторів попередньої дефекації:

( 3 )

де p = W0/S, = I0/S.

Отже, в результаті виконаних досліджень запропоновано зручні у практичному використанні рівняння для визначення оптимальних значень основних технологічних факторів ( тривалість переддефекації, її температура та кінцева лужність переддефекованого соку), за яких відбувається максимальна коагуляція ВМС при мінімальному розкладанні інвертного цукру.

Розділ 4. Моделювання кінетики процесів та оптимізація основної дефекації. Головним завданням основної дефекації є забезпечення термостійкості соку за рахунок якомога повнішого розкладання інвертного цукру та амідів у сильнолужному середовищі без суттєвої пептизації компонентів переддефекаційного осаду.

Для створення кінетичних моделей було отримано експериментальні криві розкладання інвертного цукру, амідів та розчинення білкового коагуляту у сильнолужному середовищі гарячого ступеня комбінованої дефекації.

Залежність залишкової концентрації інвертного цукру, % до початкової, від тривалості гарячого ступеня основної дефекації при різних температурах представлені на рис.2.

На основі аналізу одержаних даних та літературних джерел для розкладання інвертного цукру в умовах сильнолужного середовища основної дефекації запропонована кінетична формула

(4)

де С0 та С(t,?) - концентрації інвертного цукру відповідно переддефекованого та дефекованого соків.

При цьому були розраховані коефіцієнти залежності константи швидкості розкладання інвертного цукру k = 1,0113310-4t2 -0,00688t + 0,2886 і параметра = -2,94610-3t + 0,800 від температури, при яких формула (4) адекватно описує розкладання інвертного цукру.

До останнього часу при визначенні оптимальних умов проведення основної дефекації не враховували ступінь розчинення переддефекаційного осаду в сильнолужному середовищі. Але досліди показали, що це розчинення може досягати навіть більше 20 %, що суттєво знижує одержаний на переддефекації ефект очищення соку. Експериментальні дані щодо переходу білкового коагуляту із осаду в розчин при фіксованій температурі (t) основної дефекації і чистоті (р) дифузійного соку в межах 80,5...88,4 % показані на рис.3, з якого видно, що при зниженні чистоти дифузійного соку ступінь розчинення коагуляту різко зростає.

Для побудови моделі переходу білкового коагуляту із осаду в розчин скористаємося при фіксованих чистоті (р, %) та температурі (t, С) рівнянням псевдопершого порядку :

(5)

де С - вміст білка в осаді, % до маси СР соку; k - константа швидкості розчинення білкового коагуляту, в результаті розв'язання якого отримано співвідношення (6) для визначення приросту вмісту розчинених білків С в дефекованому соку

(6)

де С0 - вміст білка в переддефекаційному коагуляті, % до маси СР соку.

Константа швидкості розчинення k(p,t) розрахована за результатами експериментів.

k = -0,1461 + 0,1206x1 + 7,22410-2x2 -8,49910-2x1x2 -6,29110-3x1x3 +

+ 7,56010-3x2x3 + 2,22110-2x22 , де x1 = p/50; x2 = t/50; x3 = .

Зіставлення експериментальних даних приросту вмісту білкових сполук з розрахунковими (табл.3) підтверджує адекватність запропонованої кінетичної моделі експериментальним даним. Адекватність моделі перевірялась також за критерієм Фішера.

Таблиця 2 Порівняльна таблиця експериментальних та розрахункових значень приросту вмісту білків у рідкій фазі дефекованого соку

Експериментальні результати кінетики лужного розкладання амідів показали, що ступінь лужного гідролізу глютаміну значно більший, ніж аспарагіну (рис.4.). За отриманими експериментальними даними створено кінетичні моделі розкладання амідів в умовах високолужного середовища, які зображені співвідношеннями (7) і (8)

(7)

k1 = -0,0276 + 0,0284x1 + 0,0944x12 ;

= 2,22 -0,42x1, де x1 = t / 50.

; (8)

k2 = -1,96210-3 + 2,48110-3x1 + 7,29210-2x12;

= 2,347 -0,352x1,

де k1, k2 -константи швидкості розкладання, а 1, 2 -числові параметри, які залежать від температури.

Для розрахунку оптимальних значень температури і тривалості гарячого ступеня основної дефекації сформовано шкали бажаностей і узагальнений критерій оптимізації за кінетикою високолужного розкладання інвертного цукру та розчинення білкового коагуляту, а також розроблено програму. Показники лужного розкладання амідів не були включені до критерію оптимізації, бо для їх практично повного розкладання потрібні занадто висока температура або велика тривалість дефекації.

Розділ 5. Моделювання гідродинаміки потоків рідкої фази для різних варіантів апаратурного оформлення першої сатурації. Проведеними дослідженнями встановлено, що в сучасних одноступеневих промислових сатураторах відбувається різке зниження лужності дефекованого соку, що надходить, внаслідок змішування його з великою масою практично відсатурованого соку з утворенням суміші різного ступеня обробки і усередненою, досить низькою лужністю. Крім того, реальний час обробки окремих елементарних порцій соку значно відрізняється від оптимального середнього часу.

В розділі 2 були наведені експериментально отримані щільності розподілу часу перебування елементів потоку в сатураторі, які покладені в основу створення гідродинамічної моделі промислового безбарботерного сатуратора. Для аналітичного дослідження гідродинаміки в промисловому апараті першої сатурації використано підхід комбінованих моделей ( рис.5),

На основі матеріального балансу при імпульсному введенні трасера складено систему рівнянь

(9)

в результаті розв'язання якої, отримано щільності розподілу безрозмірного часу перебування елементів потоку рідкої фази в апараті в явній аналітичній формі.

(10)

Для визначення параметрів б і в моделі складено систему рівнянь