Імітаційне моделювання та оптимізація процесу багатоступеневої кристалізації цукрози

12

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний університет харчових технологій

Спеціальність 05.18.12 - процеси й обладнання харчових, мікробіологічних і фармацевтичних виробництв

УДК 664.1.004.12::532.7

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ІМІТАЦІЙНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ТА ОПТИМІЗАЦІЯ ПРОЦЕСУ БАГАТОСТУПЕНЕВОЇ КРИСТАЛІЗАЦІЇ ЦУКРОЗИ

Єщенко Оксана

Анатоліївна

Київ 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному університеті харчових технологій Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Мирончук Валерій Григорович, Національний університет харчових технологій, завідувач кафедри технологічного обладнання харчових виробництв

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Штангеєв Валерій Остапович, Науково-дослідний інститут цукрової промисловості, директор кандидат технічних наук, доцент Мірошник Володимир Олександрович, Національний університет харчових технологій, доцент кафедри технології цукристих речовин

Захист відбудеться “ 12 ” березня 2008 р. о 14 годині на засідання спеціалізованої вченої ради Д 26.058.02 Національного університету харчових технологій за адресою:

01033 м. Київ, вул. Володимирська, 68, аудиторія А_311.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного університету харчових технологій за адресою: 01033 м. Київ, вул. Володимирська, 68, аудиторія А_311.

Автореферат розісланий “ 8 ” лютого 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, к.т.н. Л.О. Кривопляс-Володіна

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 .

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 78 208,8 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.

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. 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):

,

де - множина вершин (обладнання); - множина орієнтованих ребер-дуг (потоків продуктів); - предикати (трубопроводи).

Предикати визначено для всіх трійок елементів , для яких і та (властивість орієнтованості графа). Таким чином, . Множину дуг U представлено у вигляді матриці суміжності:

,

де для всіх .

Якщо продуктовий потік, що виходить з i-го об'єкту розділяється на два чи більше у відсотковому співвідношенні, то .

Очевидно, що в наслідок того, що граф не має петель, для всіх .

Кожній дузі поставлено у відповідність ваговий масив , який визначає кількісні та якісні характеристики продуктів.

,

де: кількісні характеристики: m - загальна маса продукту, кг; mц - вміст цукрози в продукті, кг; mнц - вміст нецукрів у продукті, кг; mср - вміст сухих речовин у продукті, кг; mв - вміст води у продукті, кг; якісні характеристики: Ц - вміст цукрози у продукті, %; НЦ - вміст нецукрів у продукті, %; СР - вміст сухих речовин у продукті, %; Ч - чистота продукту, %.

Якщо , то і всі інші характеристики продукту дорівнюють нулю, тобто .

Якщо для всіх , то вершина xi стає недосяжною і відповідне їй обладнання виключається з апаратурно-технологічної схеми.

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

,

де , - вагові масиви відповідно вхідних та вихідних потоків і-го об'єкта; q - кількість потоків, що поступають на і-й об'єкт (входи); p - кількість потоків, що виходять з і_го об'єкта.

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 814 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 товарного цукру (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:

,

де Чсу - чистота сиропу на уварювання утфелю І продукту; Чсн - чистота сиропу-нето.

Теоретично при клеровка не впливає на чистоту товарного цукру і , при () має негативний вплив і при () - позитивний вплив, підвищуючи чистоту отриманого цукру. Разом з тим, питома чистота сиропу на уварювання утфелю І продукту має критичне граничне значення Чв.кр, менше за яке вплив рециркуляту не можна вважати позитивним.

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.

Побудовану багатокритеріальну оптимізаційну модель продуктового відділення цукрового заводу звели до одноцільової:

де Мц(u) - маса отриманого цукру; Мм(u) - маса меляси; Мв(u) - кількість випареної води; Чц(u)- чистота отриманого цукру; Чст - стандартна чистота товарного цукру; Чм(u)- чистота меляси; Чнр - чистота нормальної меляси; ц, м, в - відповідні вагові коефіцієнти.

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. Доведено, що пошук оптимальної схеми зводиться до встановлення найкращого співвідношення рециркулюючих потоків, що направлені на проміжну та першу кристалізацію.

На роботу продуктового відділення впливають способи обробки цукру останньої кристалізації. Пов'язані з цим зворотні зв'язки позитивно впливають на чистоту товарного цукру, збільшуючи її на 0,035 % та зменшують питому кількість випареної води.

Афінація цукру останнього продукту другим відтоком першої кристалізації збільшує чистоту товарного цукру на 0,01 % і його вихід - на 0,230 кг на 100 кг буряку, направлення афінаційного відтоку на проміжний продукт збільшує вихід цукру на 0,500 кг на 100 кг буряку (рис. 5).

На основі розробленого нами поточно-орієнтованого графа імітаційної моделі нами досліджено три варіанти двопродуктових схем уварювання і кристалізації з проміжним центрифугуванням: відтік проміжного центрифугування направляється в кристалізатори; у вакуум-апарат на наступному оберті; у вакуум-апарат на тому ж оберті для доварювання. Результати досліджень свідчать, що найбільший ефект досягається при роботі цієї схеми за останнім варіантом, є оптимальним і для умов Півненківського цукрового заводу дозволяє зменшити вміст цукрози в мелясі на 0,057 % до маси перероблених буряків. За даними розрахунків отримана математична модель для визначення частини утфелю, що направляється на центрифугування безпосередньо з вакуум-апаратту:

,

де f(x) - частина готового утфелю, який направляється на проміжне центрифугування; x - чистота сиропу-нето; a, b, c, - розрахункові коефіцієнти (a = 209,720; b = 109,4758; c = 188,261).

При роздільному клеруванні жовтих цукрів, коли клеровка цукру проміжного продукту іде на першу кристалізацію, клеровка цукру останнього продукту - на проміжну, чистота товарного цукру підвищується у середньому на 0,035 %. При роботі за схемою з використанням афінаційного утфелю як кристалічної основи проміжного продукту чистота товарного цукру у порівнянні з афінацією цукру останньої кристалізації збільшується до 0,02 %, але зменшується його кількість. Ці зворотні зв'язки доцільно використовувати при чистоті початкового сиропу , що дозволяє отримати товарний цукор стандартної чистоти.

Рециркуляція других відтоків “на себе” вводить зворотні зв'язки у відповідних продуктах. Дослідження показали, що рециркуляція на першому ступені кристалізації суттєво підвищує вихід товарного цукру. Це пов'язано зі збільшенням загальної кількості продуктів, що рециркулюють. Отже, зі збільшенням кількості рециркулятів збільшується вихід готового продукту та зменшується кількість і чистота меляси. Крім того, при рециркуляції других відтоків є тенденція зменшення питомої кількості випареної води з вакуум-апаратів на 7,4…7,9 %, що позитивно впливає на економічність процесу. Одночасно чистота готового цукру в деяких випадках знижується, залишаючись у межах стандартної.

Для усунення згаданого протиріччя доцільно використовувати часткову рециркуляцію других відтоків. Результати дослідження часткової рециркуляції відтоків підтвердили наші попередні припущення щодо впливу рециркуляції других відтоків на характеристики продуктів і показали, що при афінації цукру останнього продукту зі збільшенням частки рециркуляту R других відтоків вихід товарного цукру збільшується, а кількість та чистота меляси зменшуються лінійно. Для умов Городище-Пустоварівського заводу це дозволяє збільшити вихід цукру на 0,24 % до маси перероблених буряків.

У схемах із використанням афінаційного утфелю як кристалічної основи проміжного продукту характер залежностей маси і чистоти готового цукру нелінійний, чим суттєво відрізняється від попередніх. Рециркуляція других відтоків у цих схемах дає найбільший приріст виходу товарного цукру (на 0,73…0,92 кг на 100 кг переробленого буряку) при зменшенні чистоти не більше ніж на 0,005 % в межах існуючого стандарту. Крім того, наявність точки максимуму в цих залежностях свідчить про доцільність часткової рециркуляції. Частка рециркуляту при цьому змінюється в межах 10…25 %.

Схеми з використанням афінаційного утфелю як кристалічної основи проміжного продукту майже не відрізняються від попередніх за показником випареної води, а рециркуляція других відтоків зменшує його у середньому на 7…8 %.

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. кристалізація цукроза енергетичний затрата

ВИСНОВКИ

Виконаний комплекс досліджень дозволяє зазначити наступне:

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.

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 продуктового відділення цукробурякового заводу.

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.

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 .

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

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 %.

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.

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.

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.

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 %.

Розрахункова економічна ефективність використання розробленої імітаційної моделі процесу багатоступеневої кристалізації цукрози для аналізу і прогнозування показників роботи продуктового відділення для Городище-Пустоварівського заводу складає 233 514,73 грн., а для оптимізації процесу центрифугування частини утфелю останнього продукту безпосередньо з вакуум-апарату на Півненківському цукровому заводі - 78 208,8 грн.

ПЕРЕЛІК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ

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

Особистий внесок здобувача: розробка моделі, програмна реалізація моделі, проведення розрахунків, узагальнення результатів.

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.

Особистий внесок здобувача: проведення аналітичного огляду, виконання експериментів, систематизація результатів.

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.

Особистий внесок здобувача: проведення обчислювального експерименту, аналіз результатів.

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

Особистий внесок здобувача: проведення обчислювального експерименту, узагальнення результатів.

Єщенко О.А., Мирончук В.Г. Вплив рециркуляції других відтоків І та ІІ продуктів на підвищення ефективності роботи продуктових відділень цукрових заводів // Матеріали 67-ї наукової конференції студентів, аспірантів і молодих вчених. К.: УДУХТ - 2001 - с. 21.

Особистий внесок здобувача: розробка методики обчислювального експерименту, проведення обчислювального експерименту, проведення розрахунків, обробка результатів.

Єщенко О.А., Мирончук В.Г. Підвищення ефективності роботи продуктових відділень цукрових заводів // Харчова промисловість. - К.:2001. - № 1 (46). - С.72-74.

Особистий внесок здобувача: виконання експериментів, обробка результатів.

Єщенко О.А., Мирончук В.Г. Побудова структурної схеми та аналіз зворотних зв'язків математичної моделі продуктового відділення цукрового заводу // Наукові праці. - К.: УДУХТ. - 2001. - № 10 - С.118-119.

Особистий внесок здобувача: розробка моделі, програмна реалізація моделі, проведення розрахунків, систематизація результатів.

Єщенко О.А., Мирончук В.Г. Моделювання продуктових відділень цукрових заводів // Матеріали міжнародної наукової конференції молодих вчених, аспірантів і студентів “Сучасні методи створення нових технологій і обладнання в харчовій промисловості”. - К.: НУХТ, 2002. - с. 12.

Особистий внесок здобувача: розробка моделі, програмна реалізація моделі, Проведення обчислювального експерименту, аналіз результатів.

Мирончук В.Г., Єщенко О.А., Силко О.А. Збільшення виходу цукру шляхом удосконалення технології обробки утфелів // Матеріали науково-технічної конференції цукровиків України “Шляхи підвищення ефективності бурякоцукрового виробництва”. - К.: 2003. - С. 220-221.

Особистий внесок здобувача: виконання експериментів, обробка результатів.

Єщенко О.А., Мирончук В.Г. Визначення оптимальної схеми роботи продуктового відділення за допомогою імітаційної моделі // Матеріали науково-технічної конференції цукровиків України “Шляхи підвищення ефективності бурякоцукрового виробництва”. - К.: 2003. - С. 222-225.

Особистий внесок здобувача: розробка моделі, програмна реалізація моделі, розробка методики обчислювального експерименту, проведення очислювального експерименту.

Єщенко О.А., Мирончук В.Г. Оптимізація роботи продуктового відділення за допомогою імітаційного моделювання // Цукор України, № 3, 2003, с.13-15.

Особистий внесок здобувача: визначення параметрів оптимізації, проведення обчислювального експерименту, систематизація результатів.

Єщенко О.А., Мирончук В.Г. Використання другого відтоку першого продукту для афінації цукру останнього продукту // Матеріали 69-ї наукової конференції молодих вчених аспірантів і студентів “Розроблення, дослідження і створення продуктів функціонального харчування, обладнання та нових технологій для харчової і переробної промисловості. - К.: НУХТ, 2003. - С. 43-44.

Особистий внесок здобувача: розробка моделі, програмна реалізація моделі, проведення очислювального експерименту, аналіз результатів.

Єщенко О.А., Мирончук В.Г. Имитационное моделирование: экспертная оценка и оптимизация работы продуктового отделения сахарного завода // Сахар. - 2004, № 1. - С. 44-46.

Особистий внесок здобувача: проведення аналітичного огляду, розробка моделі, програмна реалізація моделі, виконання експериментів

Єщенко О.А., Мирончук В.Г. Моделювання комбінованого способу промивання утфелю у центрифугах // Тези доповідей на 70-й науковій конференції молодих вчених, аспірантів, студентів. Ч. ІІ. - К.: НУХТ, 2004. - С. 54.

Особистий внесок здобувача: розробка моделі, програмна реалізація моделі, проведення розрахунків, підготовка матеріалів до публікації.

Єщенко О.А., Мирончук В.Г. Особливості роботи продуктових відділень цукрових заводів за умов низької якості сировини // ІХ Міжнародна науково-технічна конференція “Нові технології та технічні рішення в харчовій і переробній промисловості: сьогодення і перспективи”. - К.: НУХТ, 2005. - С. 38.

Особистий внесок здобувача: підготовка матеріалів до публікації, виконання експериментів, обробка результатів.

Єщенко О.А., Мирончук В.Г. Оптимізація процесу багатоступеневої кристалізації цукрози // Матеріали 73-ї наукової конференції молодих учених, аспірантів і студентів “Наукові здобутки молоді - вирішенню проблем харчування людства у ХХІ столітті”. - К.: НУХТ, 2007. - с. 47.

Особистий внесок здобувача: визначення параметрів оптимізації, проведення обчислювального експерименту, систематизація результатів.

17. Мирончук В.Г., Єщенко О.А., Коцюбанський А.М. Оптимізація роботи вакуум-апаратів та продуктових відділень цукрових заводів на основі імітаційного моделювання // Науково-технічна конференція цукровиків України. - К.: НУХТ, 2007. - С. 194-195.

Особистий внесок здобувача: розробка моделі, програмна реалізація моделі, проведення розрахунків.

АНОТАЦІЯ

Єщенко О.А. Імітаційне моделювання та оптимізація процесу багатоступеневої кристалізації цукрози. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.08.12 - процеси й обладнання харчових, мікробіологічних і фармацевтичних виробництв. Національний університет харчових технологій Міністерства освіти і науки України, Київ, 2007.

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.

На основі аналізу існуючих апаратурно-технологічних схем продуктового відділення та теорії графів розроблено графічну модель технологічної схеми продуктового відділення цукробурякового заводу. Розроблена узагальнена імітаційна модель процесу багатоступеневої кристалізації цукру та відповідна їй комп'ютерна програма, яка зареєстрована в Департаменті інтелектуальної власності Міністерства освіти і науки України, про що отримано Свідоцтво про права автора на твір ПА № 4790 від 02.10.2001 р.

Побудована багатокритеріальна задача оптимізації схем промислової кристалізації цукрози, доведена неможливість її однозначного вирішення, визначена множина ефективних альтернатив і шляхи пошуку компромісу. На основі багатокритеріальної задачі оптимізації побудована однокритеріальна задача з ваговими коефіцієнтами для визначення оптимального рішення.

Схеми багатоступеневої кристалізації цукрози з рециркуляцією збільшують вихід товарного цукру в середньому на 0,234…0,920 кг на 100 кг буряку і зменшують витрати нагрівальної пари на вакуум-апарати (кількість питомої випареної води зменшується на 7,4…7,9 %).

Ключові слова: кристалізація, рециркуляція, багатоступенева промислова кристалізація, імітаційна модель, оптимізаційна модель, утфель, відтік, цукроза.

Ещенко О.А. Имитационное моделирование и оптимизация процесса многоступенчатой кристаллизации сахарозы. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук за специальностью 05.08.12 - процессы и оборудование пищевых, микробиологических и фармацевтических производств. Национальный университет пищевых технологий Министерства образования и науки Украины, Киев, 2007.

Диссертационная работа посвящена решению проблемы интенсификации и оптимизации работы систем многоступенчатой кристаллизации сахарозы на основе современных теоретических представлений и практических подходов к процессам, которые происходят в условиях промышленной кристаллизации.

На основании анализа предложенных и введенных в производство технологических схем продуктовых отделений сахарозаводов показана многовариантность их применения и отсутствие надежных средств их анализа, прежде всего, тех, что отображают динамику сложного процесса многоступенчатой кристаллизации сахарозы.

На основе анализа существующих аппаратурно-технологических схем продуктового отделения и теории графов разработана графическая модель технологической схемы продуктового отделения свеклосахарного завода. Разработаны имитационные модели для каждого аппарата и установки, которые входят в аппаратурно-технологическую схему продуктового отделения, а также обобщенная имитационная модель процесса многоступенчатой кристаллизации сахара и соответствующая ей компьютерная программа, которая зарегистрированная в Департаменте интеллектуальной собственности Министерства образования и науки Украины, о чем получено Свидетельство о правах автора на произведение ПА № 4790 от 02.10.2001 г. Определено, что если погрешность начальных данных не превышает 1 % общая погрешность имитационной модели с прямым ходом расчета не превышает 2 %.

Определены критерии оптимизации по технологическим показателям и энергозатратам. Построена многокритериальная задача оптимизации схем промышленной кристаллизации сахарозы, доказана невозможность ее однозначного решения, определено множество эффективных альтернатив и пути поиска компромисса. На основе многокритериальной задачи оптимизации построенная однокритериальная задача с весовыми коэффициентами для определения оптимального решения.

Обосновано, что поиск оптимальной схемы сводится к установлению наилучшего соотношения рециркулирующих потоков, которые направлены на промежуточную и первую кристаллизацию.

Показано, что схемы многоступенчатой кристаллизации сахарозы с рециркуляцией увеличивают выход товарного сахара в среднем на 0,234…0,920 кг на 100 кг свеклы и уменьшают затраты нагревательного пара на вакуум-аппараты (количество удельной выпаренной воды уменьшается на 7,4...7,9 %).

При условиях чистоты продуктов больше 89 % с целью уменьшения количества сахарозы в мелассе, на сахарных заводах, оснащенных двухпродуктовой схемой кристаллизации, целесообразно ценрифуговать часть утфеля последнего продукта непосредственно после уваривания в вакуум-аппарате. Получена зависимость для определения оптимальной части утфеля, который направляется на центрифугование, от чистоты сиропа с выпарной станции.

Найдено, что направление аффинационного утфели в рецикл как кристаллической основы для утфеля промежуточного продукта необходимо осуществлять при условиях чистоты сиропа-нетто меньше, чем 93 %, при этом выход товарного сахара увеличивается до 0,02 % по сравнению с типовой схемой. Частичная рециркуляция вторых оттоков первом и промежуточном продуктах в схемах, где используют аффинационный утфель как кристаллическую основу промежуточного продукта, увеличивают эффективность работы криталлизационных отделений, при этом выход товарного сахара увеличивается до 0,02 % в сравнении с типичной схемой.

При уваривании сахарных утфелей из сиропа-нетто низкой чистоты для улучшения качественных показателей товарного сахара также целесообразно применять раздельное клерование сахаров промежуточной и последней кристаллизаций, которая повышает чистоту товарного сахара на 0,026 %.

Ключевые слова: кристаллизация, рециркуляция, многоступенчатая промышленная кристаллизация, имитационная модель, оптимизационная модель, утфель, оттек, сахароза.

Eschenko O. A. Simulative Modelling and Optimisation of the Multistage Crystallization Process of Sugar. - Manuscript.

The thesis is presented to acquire the degree of Cand. Tech. Sciences on the speciality 05.08.12 - processes and equipment of food, microbiological and pharmaceutical manufactures. National University of Food Technologies, Kyiv, 2007.

The thesis is devoted to the problem of intensification and optimisation of the work of the system of multistage crystallization of sugar on the basis of modern theoretical views and practical approaches towards the processes that take place in the course of industrial crystallization.

On the basis of the analysis of existing apparatus-technological schemes of sugar house and the theory of graphs, the graphic model of technological scheme of sugar house at the sugar factory has been worked out. The general simulative model of the multistage crystallization process of sugar and the corresponding computer program have been worked out. The computer program has been registered in the Intellectual property department of the Ministry of Education and Science of Ukraine which is proved by the certificate on the author's rights on the work ПА № 4790 from 02.10.2001.

Multicriterial task of the optimization of industrial crystallization of sugar has been built, the impossibility of its one certain solution has been proved and the set of effective alternatives and the ways of compromise searching have been determined.

On the basis of multicriterial task of the optimization there has been formed the onecriterial task with weight parameters for the definition of the best solution.

The schemes of multistage of sugar with crystallization recirculation increase the outcome of sugar over 0,234…0,920 kg on 100 kg of beetroots on average and decrease the amount of necessary stream in a vacuumpan (the amount of evaporated water decreases on 7,4…7,9 %).

Key words: crystallization, recirculation, multistage industrial crystallization, simulative model, optimization model, massecuite, syrup, sugar.

Размещено на Allbest.ru

...