Імітаційне моделювання та оптимізація процесу багатоступеневої кристалізації цукрози

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ХАРЧОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ІМІТАЦІЙНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ТА ОПТИМІЗАЦІЯ ПРОЦЕСУ БАГАТОСТУПЕНЕВОЇ КРИСТАЛІЗАЦІЇ ЦУКРОЗИ

Спеціальність: Харчова промисловість

ЄЩЕНКО ОКСАНА АНАТОЛІЇВНА

Київ, 2008 рік

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Різноманітність існуючих в цукровому виробництві схем багатоступеневої кристалізації потребує знаходження універсального методу для їх порівняльної оцінки та оптимізації з метою зменшення питомих витрат енергії, збільшення виходу товарного цукру та поліпшення його якості. Одним із новітніх напрямків у вирішенні цієї проблеми є використання сучасних аналітичних методів оптимізації з використанням комп'ютерних технологій. У більшості випадків дослідники зосереджували увагу на вирішенні локальних проблем кристалізації цукрози - інтенсифікації процесу у вакуум-апаратах, кристалізаторах, удосконаленні конструкцій кристалізаційного обладнання та на інших проблемах.

В останні роки все більше уваги приділяється комплексним підходам у вирішенні проблеми ефективної роботи продуктових відділень цукрових заводів у цілому. Одним із шляхів найбільш надійного та ефективного аналізу та вивчення процесу промислової багатоступеневої кристалізації цукрози є імітаційне моделювання.

Дисертаційна робота присвячена вирішенню проблеми інтенсифікації та оптимізації роботи систем багатоступеневої кристалізації цукрози на основі сучасних теоретичних уявлень та практичних підходів до процесів, що відбуваються за умов промислової кристалізації. Застосування сучасного математичного апарату і принципів кібернетики для розвитку теорії рециркуляції, зокрема принципів моделювання складних систем, алгоритмізації промислових процесів і комп'ютерних технологій, дозволяють не тільки вдосконалювати, а й розробляти нові способи для промислової кристалізації цукрози.

Зв'язок роботи з науковими програмами, темами, планами. Дисертаційна робота виконана відповідно до пріоритетного напрямку наукових робіт НУХТ на 1996-2000 рр. “Розробка нових та удосконалення існуючих технологічних процесів, високоефективного обладнання, систем раціонального енерговикористання, засобів механізації і автоматизації для галузей харчової промисловості, пакування харчових продуктів” (схвалено Вченою Радою УДУХТ, протокол №2 від 25.06.96), на 2001-2005 рр. “Розробка наукових основ тепломасообмінних та інших робочих процесів харчових виробництв з метою створення нового високоефективного обладнання, засобів механізації та автоматизації для харчових та переробних галузей АПК” (схвалено Вченою Радою УДУХТ протокол №6 від 25.01.2001), на 2006-2010 рр. “Розроблення наукових основ тепломасообмінних та інших процесів харчових, мікробіологічних і фармацевтичних виробництв з метою створення нового високоефективних технологій та обладнання, засобів механізації та автоматизації для харчових та переробних галузей АПК” (схвалено Вченою Радою НУХТ протокол №7 від 25.03.2006).

Автором особисто проаналізовані літературні джерела, визначені перспективні напрямки досліджень, заплановані і проведені експерименти і узагальнені їхні результати.

Мета і завдання досліджень.

Метою роботи є оптимізація процесу багатоступеневої кристалізації цукрози на основі застосування імітаційної моделі промислової кристалізації цукрози для збільшення виходу товарного цукру стандартної якості та зменшення енерговитрат на його виробництво.

Відповідно до поставленої мети досліджень були сформульовані такі завдання досліджень:

- аналіз задач алгоритмізації процесу багатоступеневої кристалізації цукрози як об'єкту досліджень;

- знаходження рівнянь зв'язків між параметрами процесу багатоступеневої кристалізації цукрози;

- імітаційне моделювання процесу багатоступеневої кристалізації цукрози та перевірка адекватності математичного опису процесу реального виробництва;

- формування оптимізаційних алгоритмів на основі результатів попереднього етапу;

- визначення способів зменшення втрат цукрози та енергетичних витрат у продуктових відділеннях цукрових заводів;

- розроблення рекомендацій промисловості з удосконалення промислового процесу багатоступеневої кристалізації цукрози;

- підтвердження економічної ефективності запропонованих способів масової кристалізації цукрози.

Об'єктом досліджень є системи багатоступеневої кристалізації цукрози.

Предметами досліджень є рециркуляційні потоки продуктів (зворотні зв'язки) у схемах багатоступеневої кристалізації цукрози.

Методи досліджень включають у себе моделювання складних систем на основі теорії ґрафів, моделювання промислових процесів на основі теорії змішування компонентів, використання розроблених методик досліджень впливу рециркуляції як зворотних зв'язків на процес промислової кристалізації цукрози, а також аналітичні дослідження з застосуванням комп'ютерних технологій по рециркуляції продуктів варочно-кристалізаційних відділень на цукрових заводах.

Наукова новизна одержаних результатів:

- На основі теорії змішування компонентів та теорії ґрафів розроблено імітаційну модель промислової кристалізації цукрози, доведено її адекватність реальному промисловому процесу;

- На основі теорії управління встановлено позитивні зворотні зв'язки в системі промислової кристалізації цукрози, які виконуються за умов, коли відносна чистота клеровки. Чв > 1;

- Встановлено переваги схем кристалізації цукрози з рециркуляцією, оптимальне використання якої збільшує вихід товарного цукру на 0,234…0,920%, зменшую питомі витрати пари на вакуум-апарати на 7,4…7,9%;

- Визначено вагомість впливу рециркуляційних потоків як зворотних зв'язків на технологічні та енерговитратні характеристики цукрового виробництва;

- Показано, що часткова рециркуляція других відтоків першої та проміжної кристалізації позитивно впливає на ведення технологічного процесу;

- Встановлено, що використання афінаційного утфелю як кристалічної основи для уварювання проміжного продукту доцільно використовувати за умов чистоти сиропу менше 93%. При роботі за таких умов чистота білого цукру збільшується до 0,02% у порівнянні з типовою схемою;

- Сформульована задача та сформовані алгоритми оптимізації роботи продуктового відділення бурякоцукрового заводу з метою визначення його раціональної схеми.

Практичне значення одержаних результатів:

- Розроблено комп'ютерну програму “Crystall” (Свідоцтво про державну реєстрацію прав автора на твір в Департаменті інтелектуальної власності Міністерства освіти і науки ПА №4790 від 02.10.2001), що реалізує запропоновані імітаційну та оптимізаційну моделі. Програма дозволяє інженерно-технічним працівникам цукрового заводу знаходити оптимальні варіанти в роботі технологічних схем продуктових відділень в залежності від характеристик початкових продуктів і вимог до кінцевого продукту. Програма “Crystall” рекомендована до використання семінаром Національної асоціації цукровиків “Укрцукор”;

- Використання програми “Crystall” для умов Городище-Пустоварівського цукрового заводу дозволяє збільшити вихід цукру на 0,24% до маси перероблених буряків. Розрахункова економічна ефективність становить 233 514,73 грн.

- Оптимізація схеми уварювання і кристалізації утфелю останньої ступені кристалізації для умов Півненківського цукрового заводу, дозволяє зменшити вміст цукрози в мелясі на 0,057%, підвищити продуктивність кристалізаційного обладнання до 30% та поліпшити якість кристалів цукру з очікуваним економічним ефектом 78208,8 грн.

Особистий внесок здобувача полягає в проведенні теоретичних і експериментальних досліджень, розробці методик та проведенні експериментів, обробці й узагальненні результатів експериментів та їх публікації. Автором особисто розроблено узагальнену структурно-алгоритмічну схему та поточно-орієнтований граф варочно-кристалізаційного відділення цукрового заводу, створені імітаційна та оптимізаційна моделі промислової багатоступеневої кристалізації цукрози, а також розроблена комп'ютерна програма, що їх реалізує.

Аналіз і узагальнення результатів досліджень виконані разом із науковим керівником д. т. н., проф. Мирончуком В.Г., а також академіком УААН, д. т. н., проф. Гулим І.С.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації доповідались на 21-ій Генеральній асамблеї міжнародної комісій з технології цукру (Антверпен, Бельгія, 1999 р.), науково-технічній конференції цукровиків України “Шляхи підвищення ефективності бурякоцукрового виробництва” (Київ, 2003, 2007 рр.), ІХ Міжнародній науково-технічній конференції “Нові технології та технічні рішення в харчовій і переробній промисловості: сьогодення і перспективи” (Київ, 2005) та на наукових конференціях молодих вчених, аспірантів, студентів (Київ, НУХТ, 1998, 2001-2004, 2007).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 17 наукових праць, у тому числі 6 статей у фахових виданнях, що входять до переліку ВАК, 11 тез доповідей на Міжнародних та Національних науково-технічних конференціях. Одержано Свідоцтво про права автора на твір, зареєстроване в Департаменті інтелектуальної власності Міністерства освіти і науки України ПА №4790 від 02.10.2001.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Загальний обсяг роботи складає 177 сторінок, в тому числі основна частина викладена на 132 сторінках. Робота містить 5 таблиць і 47 рисунків. Список використаних джерел на 14 сторінках містить 141 найменування. До роботи додається 4 додатка на 17 сторінках.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми, визначені зв'язок з науковими програмами, темами, планами, мета та задачі досліджень, наведена наукова новизна та практичне значення отриманих результатів, особистий внесок автора, апробація результатів роботи.

У першому розділі зроблено критичний аналіз існуючих апаратурно-технологічних схем бурякоцукрового виробництва, їх параметрів та встановлених зв'язків.

Проведено аналіз існуючих методів розрахунку продуктів варочно-кристалізаційного відділення.

Найрозповсюдженим з них є розрахунок за обертами, який лише частково відображає динаміку процесу, не враховує послідовне повернення продуктів кристалізації після першого оберту і підсумовує їх у другому оберті, а розрахунок афінації цукру останньої кристалізації потребує попередніх припущень, що вносить в розрахунки суттєві похибки. Це спонукало нас до розроблення такої моделі, яка б надавала можливість простежувати вплив рециркулятів на характеристики продуктів у системі від стану входження їх в усталений режим до зміни напрямів потоків, співвідношень продуктових потоків і збуджуючих факторів в усталеному режимі роботи продуктового відділення.

У другому розділі наведено об'єкти та методи досліджень. Багатоступеневу промислову кристалізацію цукрози досліджено із застосуванням методів та засобів хімічної кібернетики. В умовах бурякоцукрового виробництва кожний ступінь кристалізації розглядали як окремий об'єкт технологічного процесу (рис. 1), в якому частина виходів попереднього об'єкта є входами наступного.

РИС. 1:

Враховуючи, що процес промислової кристалізації цукрози здійснюється з поверненням частини продуктів, його розглядали як рециркуляційний із повторною переробкою непрореагованої сировини, де рециркуляти визначають зворотні зв'язки в об'єкті. Отже, саме зміна зв'язків (напрямів продуктових потоків), а також введення чи вилучення простих об'єктів, дозволяє моделювати всі існуючі схеми роботи продуктових відділень.

Крім зміни зв'язків в об'єкті під час моделювання змінювалися керуючі параметри. До них відносяться температура продуктів, розчинність цукрози, кількість води на пробілювання цукру, коефіцієнти насичення та пересичення розчину тощо.

У третьому розділі побудовано поточно-орієнтований граф узагальненої апаратурно-технологічної схеми продуктового відділення цукрового заводу. Розроблено математичний опис цього графу та доведено його однозначність для кожного конкретного варіанту апаратурно-технологічної схеми. На цій основі, використовуючи теорію змішування компонентів, побудована узагальнена імітаційна модель продуктового відділення бурякоцукрового заводу.

Процес, що протікає в кожному апараті, розглядали з точки зору змішування та розділення продуктових потоків. Кожний простий об'єкт має вхідні X та вихідні Y продуктові потоки, представлені як функціонал. Апаратурно-технологічну схему, представили у вигляді поточно-орієнтованого зваженого ґрафа (рис. 2):

РИС. 2:

Таким чином, при обраній нами послідовній нумерації вершин ненульові елементи, що позначають послідовні зв'язки, розміщуються над головною діагоналлю, а зворотні - під нею. Враховуючи вище сказане щодо матриці суміжності графа, можна зробити висновок, що вона однозначно визначає кожну конкретну схему продуктового відділення.

Для визначення вагових масивів (характеристик продуктів) введено необхідні операції та функції, тобто алгебру продуктів.

Використовуючи визначені залежності, нами складені математичні моделі для кожного об'єкту технології апаратурно-технологічної схеми продуктового відділення.

Матеріальний баланс і-го об'єкта схеми представляли у вигляді:

Для відображення динаміки процесу поняття “оберт розрахунку” та “цикл розрахунку” нами виділено окремо.

Такий підхід дозволив створити таку послідовність розрахунку, що імітує зворотні зв'язки у технологічній схемі багатоступеневої кристалізації цукру із враховуванням повернення продуктів у рецикл на кожному оберті, що чітко відповідає ходу реального промислового процесу.

На основі запропонованої моделі нами була розроблена комп'ютерна програма для проведення імітаційних обчислювальних експериментів. Програма зареєстрована у Департаменті інтелектуальної власності Міністерства освіти і науки України, про що отримано Свідоцтво про права автора на твір ПА №4790 від 02.10.2001 р.

Доведено збіжність розрахунку за розробленою імітаційною моделлю та її адекватність реальному промисловому процесу. Проведені експерименти показали, що розрахунок за розробленою моделлю збіжний і при точності, коли відносна похибка характеристик продуктів не перевищує 0,01%, процес багатоступеневої кристалізації стабілізується на 8-14 оберті.

Четвертий розділ присвячено оптимізації процесу багатоступеневої промислової кристалізації цукрози. Розроблена методика визначення позитивного впливу зворотних зв'язків системи промислової багатоступеневої кристалізації цукрози. Визначено основні критерії оптимізації та показано, що оптимальність значною мірою визначається зворотними зв'язками у системі промислової кристалізації цукру, тобто рециркуляційними процесами. Це наглядно демонструється на прикладі схем з клеруванням цукрів проміжної та останньої кристалізацій. На кожному наступному оберті клеровка цукрів останнього та проміжного продукту збільшує чистоту та кількість сиропу, що поступає на уварювання І-го продукту, що веде до збільшення чистоти і кількості цукру (рис. 3).

РИС. 3:

Основним показником якісного впливу клеровки на роботу продуктового відділення є її чистота.

Але клеровка даної чистоти при різній чистоті початкового сиропу по-різному впливає на чистоту товарного цукру.

Тому для оцінки її впливу необхідно мати відносний показник до чистоти сиропу-нето.

Таким показником нами прийнята відносна чистота сиропу на уварювання утфелю І-го продукту:

Виходячи з вимог виробництва, необхідно одержати якомога більше цукру стандартної якості при найменших втратах цукрози у мелясі та найменших витратах пари на процес уварювання утфелю.

У п'ятому розділі, застосовуючи створену імітаційну модель, зроблено аналіз та показано вплив загальних та місцевих зворотних зв'язків на якісні та кількісні показники роботи продуктового відділення.

Нами встановлено оптимальні залежності між рециркулюючими частинами других відтоків першого та проміжного продуктів.

Результати оптимізації показують, що у схемах із рециркуляцією другого відтоку першої кристалізації значення цільової функції менше від її математичного очікування, а у схемах без рециркуляції - більше.

Очевидну перевагу мають схеми з рециркуляцією першого та другого відтоків проміжної кристалізації та направленням афінаційного утфелю на проміжну кристалізацію або роздільним клеруванням жовтих цукрів.

Дослідження часткової рециркуляції других відтоків за оптимізаційною моделлю встановили, що при афінації цукру останньої кристалізації для досягнення оптимуму потрібна повна рециркуляція другого відтоку першого продукту та рециркуляція не менш як 40% другого відтоку проміжного продукту. У разі використання афінаційного утфелю як кристалічної основи проміжного продукту можлива часткова рециркуляція другого відтоку в першому продукті (не менше ніж 90%), а частка відтоку, що рециркулює в проміжному продукті, визначається математичною залежністю:

Де:

R1, R2 - частка відтоку, що рециркулює відповідно у першому та у проміжному продукті.

ВИСНОВКИ

Виконаний комплекс досліджень дозволяє зазначити наступне:

1. Розроблено узагальнену імітаційну модель продуктового відділення цукрового заводу, яка враховує всі можливі комбінації апаратурно-технологічних схем, потоків продуктів, визначає характеристики продуктів у динаміці процесу багатоступеневої кристалізації, реально відображає хід промислового процесу у продуктовому відділенні цукрового заводу, оцінює вплив окремих вхідних факторів на показники роботи кристалізаційних схем, моделює роботу систем багатоступеневої кристалізації цукрози у залежності від реальних умов промислового виробництва, що дозволяє гнучко та оперативно реагувати на можливі нестандартні виробничі ситуації у продуктових відділеннях цукрових заводів;

2. Показано, що процес багатоступеневої кристалізації цукрози розглядається як об'єкт технології, до якого можна застосувати математичний рівень абстрагування. На основі аналізу існуючих апаратурно-технолічних схем продуктового відділення та теорії графів розроблено узагальнену графічну модель технологічної схеми;

3. Розроблена комп'ютерна програма “Crystall” для реалізації створеної узагальненої імітаційної моделі багатоступеневої промислової кристалізації цукрози (Свідоцтво реєстрації прав автора на твір в Департаменті інтелектуальної власності Міністерства освіти і науки України ПА №4790 від 2.10.01). Встановлено, що розрахунки за даною моделлю збіжні і при точності, коли відносна похибка характеристик продуктів не перевищує 1%, процес стабілізується на 8-14 оберті в залежності від особливостей технологічної схеми;

4. На основі теорії управління встановлено позитивні зворотні зв'язки у системі промислової кристалізації цукру. Доведено, що зворотний зв'язок у системі багатоступеневої промислової кристалізації цукрози має позитивний вплив, коли величина відносної чистоти клеровки була;

5. Сформульована задача та сформовані алгоритми оптимізації роботи продуктового відділення бурякоцукрового заводу;

6. Доведено, що пошук оптимальної схеми зводиться до встановлення найкращого співвідношення рециркулюючих потоків, що направлені на проміжну та першу кристалізацію. Результати проведених досліджень показали перевагу схем кристалізації цукрози з рециркуляцією, оптимальне використання якої збільшує вихід товарного цукру на 0,234…0,920% і зменшує кількість пари на вакуум-апарати на 7,4…7,9%;

7. За умов чистоти продуктів більше 89% з метою зменшення вмісту цукрози у мелясі, на цукрових заводах, оснащених двопродуктовою схемою кристалізації, доцільно ценрифугувати частину утфелю останнього продукту безпосередньо після уварювання у вакуум-апараті. Отримана залежність визначення оптимальної частини утфелю, що направляється на центрифугування від чистоти сиропу з випарної станції;

8. Знайдено, що направлення афінаційного утфелю у рецикл як кристалічної основи для утфелю проміжного продукту необхідно здійснювати за умов чистоти сиропу-нето менше за 93%, при цьому вихід товарного цукру збільшується до 0,02% у порівнянні з типовою схемою;

9. Часткова рециркуляція других відтоків першому і проміжному продуктах у схемах, де використовують афінаційний утфель як кристалічну основу проміжного продукту, збільшують ефективність роботи кристалізаційних відділень, при цьому вихід товарного цукру збільшується до 0,02% в порівнянні з типовою схемою;

10. При уварюванні цукрових утфелів із сиропу-нето низької чистоти для покращання якісних показників товарного цукру доцільно застосовувати роздільне клерування цукрів проміжної і останньої кристалізацій, що підвищує чистоту товарного цукру на 0,026%;

11. Розрахункова економічна ефективність використання розробленої імітаційної моделі процесу багатоступеневої кристалізації цукрози для аналізу і прогнозування показників роботи продуктового відділення для Городище-Пустоварівського заводу складає 233514,73 грн., а для оптимізації процесу центрифугування частини утфелю останнього продукту безпосередньо з вакуум-апарату на Півненківському цукровому заводі - 78208,8 грн. харчовий цукроза продуктовий

ПЕРЕЛІК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ

1. Мирончук В.Г., Єщенко О.А., Гулий І.С. Універсальна модель багатоступеневої кристалізації цукру // Наукові праці УДУХТ. - К., 1998. - №4. - С. 64-65.

2. Єщенко О.А., Маляренко О.А., Мирончук В.Г. Аналіз схем кристалізації цукру та прогнозування показників їхньої роботи // Тези доповідей 64-ї студентської наукової конференції - К.: УДУХТ, 1998 - с. 45.

3. Forecasting of performance parameters of sugar house in the sugar factory / V.G. Mironchuk, I.S. Guliy, N.I. Shtangeeva, O.A. Eschenko // Proceadings of the 21th General Assembly CITS. - Berlin. - “Bartens”. - Zuckerindustrie - 1999. - P. 427-432.

4. Мирончук В.Г., Єщенко О.А. Прогнозування показників роботи продуктового відділення цукрового заводу // Харч. пром-сть - К., 2000. - Вип. 45. - С. 26-30.

Размещено на Allbest.ru