CC BY
4УДК 664.1.054
doi.org/10.24412/2413-5518-2024-3-16-21
Онлайн-мониторинг кристаллов
С9 О
при уваривании утфелеи^
С.М. ПЕТРОВ, д-р техн. наук, профессор (e-mail: petrovsm@mail.ru)
ФГБОУ ВО «Московский государственный университет технологий и управления имени К.Г. Разумовского (ПКУ)» Н.М. ПОДГОРНОВА, д-р техн. наук, профессор ООО «НТ-Пром»
Введение
Распределение частиц по размерам — параметр, используемый для обозначения качества кристаллов сахара, полученных в процессе кристаллизации при уваривании утфеля. Чем лучше гранулометрический состав кристаллов в утфеле, тем выше качество белого сахара. Однородность кристаллов сахара влияет на процесс их отделения от межкристального раствора, который будет происходить в центрифуге и может снизить потери сахара как при центрифугировании, так и в сортировочной установке при разделении на фракции.
Контроль кристаллической фазы предусматривает распределение кристаллов по размерам, которое напрямую зависит от стадий их зарождения и роста во время кристаллизации. Это имеет большое значение для повышения качества белого сахара. Стадией образования кристаллов относительно легко управлять. Вместе с тем часто формируются кристаллы нежелательных размеров из-за изменения технологического режима, а также роста и вторичного зарождения новых кристаллов («муки»). В попытках решить эту проблему условия уваривания утфелей должны быть изменены так, чтобы растворить
существующие кристаллы, а затем вернуться к исходным параметрам с целью формирования новых. Однако этот метод явно неэффективен, и иногда условия, создаваемые для растворения кристаллов, могут ухудшить качество кристаллической фазы в утфеле. Способность контролировать стадию роста кристаллов, особенно понимание того, когда следует остановить процесс, имеет решающее значение для уваривания утфелей, чтобы производить сахар стабильного качества.
Автономные лабораторные методы определения гранулометрического состава белого сахара, осуществляемые после сушки, требуют длительного времени обработки ситовой пробы, а их результаты не могут быть применены для корректировки управления увариванием утфеля в конкретном цикле, так как соответствуют уже завершившемуся циклу уваривания.
Анализ существующего уровня технических решений
Ситовая проба является приемлемым методом ICUMSA, широко используемым на сахарных заводах для определения гранулометрического состава кристаллов сахара. Необходимость отбора относительно больших образцов,
трудоёмкость, ограниченные измеряемые параметры, отсутствие автоматического и автономного тестирования являются основными недостатками ситового анали-
го
за. °
В целях аналогового контро- |
ля кристаллизации могут быть |
эффективно применимы встро- i
енные оптические датчики для |
оценки распределения кристал- f
лов по размерам (CSD, Crystal |
Size Distribution). При этом метод, |
основанный на прямом рассея- |
нии луча проходящего света дис- |
персной фазой, нецелесообразен, §
поскольку его нельзя применять »
в концентрированных суспензиях |
утфеля. Обратное рассеяние лазер- | ного луча — наиболее
тикуемый метод в промышленных |
процессах кристаллизации. На- |
пример, в последнее время метод |
измерения коэффициента отра- о
жения сфокусированного луча |
(FBRM, Focused Beam Reflectance £ Measurement) от Lasentec
a ь
широко использоваться для опре- g ?
деления в реальном времени ха- |§
рактеристик суспензий с высокой | а
и п ^
концентрацией твёрдых частиц [1, =|
4]. FBRM — это измерительный | °
прибор на основе зонда, который 11
устанавливается непосредствен- Ц
но в дисперсную систему утфеля § |
в вакуум-аппарате. Датчик FBRM ff
л о.
от Lasentec позволяет отслеживать ?==
изменения характеристик кристаллов (размер и структуру) непосредственно в процессе уваривания утфеля в вакуум-аппарате.
К другому эффективному оптическому методу дисперсного анализа кристаллов относится обработка изображений средствами визуализации и микроскопии in situ (на месте) нового поколения в целях наблюдения за образованием кристаллов в вакуум-аппарате. Так, система ParticleView V19 с технологией видеомикроскопии частиц (PVM, Particle Vision and Measurement) — это зондовый видеомикроскоп, который в режиме реального времени отображает частицы и их поведение в процессе кристаллизации. Регистрация изображений высокого разрешения происходит непрерывно в различных технологических условиях, при этом не требуется выполнять пробоотбор и анализ на автономном оборудовании. Непосредственная съёмка системы кристаллов в утфеле и применение программного обеспечения iC PVM для анализа фотографий позволяют быстро получить морфологическую информацию о кристаллах размером более 2 мкм.
Контроль роста кристаллов сахара в процессе кристаллизации
Данная задача относится к характеристикам множества кристаллов, в частности к распределению их по размерам, которое напрямую коррелирует со стадиями зародышеобразования и роста во время кристаллизации сахарозы при уваривании утфелей. Контроль распределения кристаллов по размерам необходим для улучшения качества белого сахара. Как правило, чем больше кристалл, тем выше его чистота. С другой стороны, меньший кристалл имеет лучшие механические свойства, чем больший. Это подчёркивает
сложность того, что «оптимальный» кристалл может иметь разные характеристики в зависимости от целей операции.
Ступенчатое осуществление кристаллизации часто является идеальной технологией для получения однородных кристаллов, это требует возможности контролировать процесс в определённых точках и достижимо, если он смоделирован и существуют переменные, которые можно изменить в определённое время. Поэтому система измерения и контроля размера кристаллов непосредственно в ходе процесса становится обычным элементом работы промышленных кристаллизаторов.
Принцип метода FBRM
Зонд FBRM использует технологию обратного рассеяния лазерного луча для получения в реальном времени функции распределения длины хорды (CLD, Chord Length Distribution), когда лазерный луч случайным образом пересекает частицы, проходящие через зону измерения. Продиагностирован-ная функция CLD коррелируется с количеством, размером и формой исследованного ансамбля частиц [6].
Когда луч пересекает поверхность частицы или структуры частиц, его свет рассеивается обратно в зонд. Длительность каждого отражения умножается на скорость сканирующего луча, в результате чего получается длина хорды. Диапазон измерения составляет от 1 до 1000 мкм, выборка частиц сортируется по длине хорды на различные линейные или логарифмические распределения. На рис. 1 показано схематическое изображение зонда FBRM.
Обычно в секунду измеряются многие тысячи длин хорд, причём количество отсчётов зависит от концентрации твёрдых веществ,
присутствующих в суспензии. Следовательно, количество зарегистрированных хорд и их измеренная длина будут тесно связаны как с диаметром, так и с формой частиц. Сферические частицы дают длину хорды, более близкую к среднему размеру частицы, чем стержнеобразные кристаллы, для которых длина доминирующей хорды может быть ближе к длине малой оси. Зонд FBRM вводится в текучую среду любой концентрации и вязкости. Лазерный луч проецируется через сапфировое окно зонда FBRM и фокусиру-
Рис. 1. Схема зонда ГБЯМ для онлайн-мониторинга дисперсных характеристик кристаллов сахара в процессе кристаллизации:
1 — лазерный источник;
2 — отражённый луч; 3 — оптический модулятор; 4 — сапфировое окно [6]
Рис. 2. Схема измерения кристаллов утфеля зондом ГБЯМв фокальной плоскости: 1 — лазерный луч; 2 — вращающаяся линза; 3 — сапфировое окно; 4 — фокальная плоскость [4]
№ 3 • 2024 САХАР 17
ется сразу за поверхностью окна (рис. 2). Далее сфокусированный луч перемещается по окружности окна зонда. Он движется с высокой скоростью (от 2 до 6 м/с в зависимости от применения), поэтому движение частиц не имеет значения для измерения. Когда частицы проходят мимо поверхности окна, сфокусированный луч пересекает край частицы. Затем частица начнёт рассеивать лазерный свет в обратном направлении и будет продолжать до тех пор, пока сфокусированный луч не достигнет противоположного края частицы. Обратное рассеяние улавливается оптикой FBRM и преобразуется в электронный сигнал.
Данные, генерируемые FBRM, представляют собой распределение длины хорд (CLD), которое является высокоточным и чувствительным методом отслеживания изменений размера и количества частиц. Кроме того, используя распределение количества частиц по длине в секунду, можно идентифицировать конкретные области распределения для выявления изменений (например, количество мелких или крупных частиц в пределах заданного диапазона размеров). Поскольку конкретная форма частиц не предполагается, метод распределения длин хорд (CLD), по существу, уникален для каждого заданного размера частиц и их распределения, а это означает, что CLD из разных систем нельзя сравнивать напрямую. Предполагая, что средняя форма остаётся неизменной для миллионов частиц, любые вариации функции CLD могут быть связаны только с изменением размеров и количества частиц. Там, где форма также меняется, эта информация, как правило, может быть скорректирована и дополнена в зависимости от цели приложения.
В приборе Lasentec FBRM РагИскТгаск G600/G600 Ех применяется лазер с длиной волны 780 нм, луч которого направляется через линзу, вращающуюся со скоростью 4500 оборотов в минуту. Это создаёт высокосфокусиро-ванный луч света, направленный в точку рядом с окном прибора (см. рис. 1, 2).
FBRM использует уникальную схему дискриминации, чтобы изолировать период обратного рассеяния от одного края отдельной частицы до её противоположного края. Это время умножается на скорость сканирования, и в результате получается расстояние, которое представляет собой длину хорды частицы. Длина хорды (рис. 3) — это прямая линия между любыми двумя точками на краю частицы или структуры частицы (агломерата). FBRM обычно измеряет десятки тысяч хорд в секунду, что приводит к надёжному распределению по длине хорд (количество отсчётов в секунду, отсортированное по длине хорды в 90 логарифмических интервалах её размера).
Положение фокусной точки регулируется в зависимости от свойств частицы. Диаметр кру-
3
Рис. 3. Высокоскоростное сканирование частиц лазерным лучом:
1 — сфокусированный лазерный луч;
2 — длины хорд; 3 — влияние формы и положения частицы (2а, 2Ь) на длину хорды [6]
говой траектории лазерного луча составляет 8,5 мм. При этом луч фокусируется с высокой точностью в эллиптичное «фокусное пятно» размером 0,7x2 мкм и на глубину резкости приблизительно 10 мкм от сапфирового окна (фокальная плоскость 4 на рис. 2). Однако точная ширина луча, по-видимому, зависит как от положения фокуса, так и от размера и расстояния частицы до него. Когда движущийся лазерный луч пересекает траекторию частицы, часть света отражается обратно к детектору прибора. Поскольку известна тангенциальная скорость луча (~1,9 м/с), длительность импульса отражённого света прямо пропорциональна ширине частицы, которую он пересекает. Диапазон измерения размеров частиц составляет 0,5-2000 мкм. Предполагается, что тангенциальная скорость луча намного больше скорости частицы относительно прибора. Но поскольку маловероятно, что лазерный луч пройдёт непосредственно через центр частицы (т. е. через её диаметр), фактически измеряется длина хорды.
Выходные данные FBRM могут быть связаны с изменениями формы частиц, концентрации твёрдых веществ и реологического поведения жидких суспензий. В целом датчик FBRM идеально подходит для промышленного применения в качестве устройства контроля качества реализации процесса, обеспечивая быстрое и точное накопление данных, при этом собранная информация требует минимального внимания со стороны операторов. На основании этого FBRM стал широко распространённым методом определения характеристик кристаллизационных систем в реальном времени.
Распределение длин хорд (CLD), полученное с помощью FBRM,
обычно используется для качественного анализа, и его трудно сравнивать с распределением частиц по размерам (PSD, Particle Size Distribution), измеренным другими методами. Результат CLD сложен и зависит не только от PSD, но также от оптических свойств и формы частиц.
Несмотря на очевидные трудности, некоторые исследователи посвятили усилия преобразованию результатов из CLD в PSD посредством сложного математического моделирования [3, 5, 7]. Хотя этим авторам удалось проверить свои модели экспериментальными данными, их алгоритмы применимы только к чётко определённым системам с известной формой и оптическими свойствами и не могут быть распространены на системы в целом.
FBRM можно рекомендовать для динамического количественного определения и контроля влияния переменных процесса уваривания утфеля (концентрации стандарт-сиропа, величины и периодичности подкачки, температуры уваривания, времени уваривания, интенсивности перемешивания цир-кулятором и др.) на рост кристаллов, а также для количественной оценки влияния системы твёрдых частиц на последующие операции. Кроме того, данные FBRM можно напрямую коррелировать с любыми параметрами процесса уваривания утфеля I на входе или выходе либо спецификациями белого сахара (средним размером кристаллов MA, коэффициентом неоднородности (вариации) CV и т. д.). Все эти переменные являются функцией формы частиц, размера и количества частиц в системе.
Типичными параметрами, оцениваемыми с помощью FBRM, являются поведение частиц, включая первичный рост, агломерацию, диспергирование, рас-
творение, разрушение, истирание и изменение морфологии. Кроме того, FBRM может определять количество частиц в изолированных областях распределения, что важно для оптимизации процесса и контроля. Помимо оптимизации и контроля процесса, технология FBRM уникальна своей способностью выявлять отличительные признаки каждой варки утфеля в соответствии с технологическим процессом на основе размера, формы и количества частиц. Системные данные собираются через регулярные промежутки времени, поэтому процессы можно отслеживать на протяжении всего цикла. Это делает FBRM отличным инструментом контроля согласованности от цикла к циклу. С помощью FBRM можно оптимизировать и контролировать процессы кристаллизации, отслеживания и устранения неисправностей кристаллизаторов.
Как известно, целью любого мониторинга процесса является, в конечном итоге, обеспечение контроля над ним. Таким образом, приборы Lasentec FBRM позволяют непосредственно в технологическом процессе определять размер частиц и подсчитывать их количество в суспензиях с высокой концентрацией твёрдых частиц.
Преимущества, которые даёт метод FBRM, заключаются в следующем:
— он не предполагает обязательным наличие сферических частиц;
— обеспечивает распределение по размерам и подсчёт в каждом диапазоне размеров через регулярные промежутки времени;
— позволяет контролировать количество частиц в областях определённого размера (мелкие, крупные и т. д.) для повышения точности, чувствительности и раннего предупреждения о динамике процесса кристаллизации;
— может использоваться для определения конечных результатов процесса на основе размера, формы и количества частиц.
При этом зонд FBRM не требует разбавления пробы, что имеет большое промышленное значение. Быстрый сбор данных обеспечивает возможность управлять процессом в режиме реального времени и немедленно реагировать на любое изменение технологии, предоставляя потенциал для минимизации потерь сахара параллельно с максимизацией производительности продуктового отделения.
Система CrystObserver
Поставляемая компанией
1ТЕСА (Франция) микроскопическая система Оу8ЮЬ8егуег позволяет непосредственно наблюдать за ростом и поведением кристаллов [2, 8]. Она обеспечивает высококачественные изображения и измеряет на них такие важные параметры, как средний размер и количество кристаллов. Операторы могут удалённо отслеживать образование кристаллов сразу после добавления затравочной суспензии и почти до конца цикла уваривания утфеля, когда скученность кристаллов на экране высокая. Полезность применения данной системы заключается в том, что она позволяет при необходимости принимать корректирующие меры, например регулировать количество добавляемой суспензии.
Принцип работы. Действие системы Сгу8ЮЬ8егуег заключается в следующем. Свет от источника проходит через оптическое волокно, размещённое в трубке из нержавеющей стали, и освещает область образца, расположенную между оптическим отражателем на конце световой трубки и смотровым стеклом. Микроскоп и цифровая камера высокого разрешения направлены на смотровое
№ 3 . 2024 САХАР 19
стекло. Оптическое оборудование фиксирует очень чёткие изображения кристаллов, движущихся в этой освещённой области. На рис. 4 показана схема системы захвата изображения.
Изображения кристаллов обрабатываются на специальном компьютере в диспетчерской, где один компьютер управляет шестью датчиками.
Ширина зазора между кристаллами и смотровым стеклом контролируется таким образом, чтобы избежать контакта отражателя световой трубки со стеклом и повреждения кристаллов. Световую трубку можно установить с переменным зазором в соответствии с заранее заданным профилем для размещения кристаллов по мере их увеличения в размерах. Цель состоит в том, чтобы сделать зазор между торцевой поверхностью световой трубки и смотровым стеклом как можно меньшим, чтобы кристаллы оставались в основном в одной плоскости и при этом не допускалось их дробление. Также имеется механический ограничитель, предотвращающий контакт световой трубки со стеклом.
Промывочная вода направляется в два места: на смотровое стекло
ц
-1-I
Рис. 4. Схема системы захвата изображений CrystObserver: 1 — очиститель; 2 — фланец крепления к вакуум-аппарату; 3 — оптическое волокно; 4 — источник света; 5 — камера; 6 — видеосигнал; 7 — подача воды; 8 — смотровое стекло [2]
в зазоре и на отражатель световой трубки. Текущая настройка предполагает активацию промывки каждые 5 минут длительностью 3 секунды. На этапе очистки измерения не производятся, а по её завершении необходимо подождать 60 секунд, прежде чем будут выполнены измерения. Ручная очистка также может быть инициирована оператором через пользовательский интерфейс в любое время.
На рис. 5 представлен снимок экрана CrystObserver. Изображение кристаллов расположено слева, а рабочая и статистическая информация, такая как распределение по размеру, количество кристаллов, средний размер, коэффициент вариации или процент мелкой фракции, отображена справа.
Полный набор данных доступен только тогда, когда наблюдение за измерениями на экране осуществляется в режиме реального времени. При этом для каждого цикла уваривания сохраняются обширные предшествующие данные для определённых моментов времени, а также в точке выгрузки и получение сводной информации о МЛ, СУи количестве отсчётов.
Недостатки системы Cryst-ОЬзегуег. Наблюдаемая неопределённость в измерениях размера частиц на начальных этапах за-
Рис. 5. Скриншот программного обеспечения CrystObserver, установленного на выделенном компьютере в диспетчерской [8]
водки кристаллов затравочной суспензией, когда МА < 30 мкм, является ограничением системы. Вероятно, это связано с трудностью обнаружения кристаллов программным обеспечением из-за цвета фона. Кроме того, как подтверждено 1ТЕСА, система имеет ограничения в точном измерении МЛ в конце цикла уваривания (время > 120 минут), когда на экране наблюдается высокая скученность кристаллов.
Для дальнейшего применения этой системы, если потребуется надёжное определение МА в образцах с высокой числовой плотностью кристаллов, необходимо устранить потенциальную ошибку в расчёте МА путём корректировки результатов измерений методом скользящего среднего.
При уваривании утфеля массовое содержание кристаллов монотонно возрастает с некоторыми колебаниями, возникающими вследствие периодичности подкачек стандарт-сиропа. Кинетические кривые роста кристаллов имеют ¿-образный характер и асимптотически стремятся к пределу теоретически возможного максимального содержания кристаллов в утфеле при данной температуре, пересыщении и чистоте раствора.
Как известно, массовое содержание кристаллов в утфеле Кр.(т) (%) в текущий момент времени может быть выражено формулой
Кр;(т) =
СВ'У-СВ'М 100 - свм
-•100,
где — СВгу, СВ'М массовая доля сухих веществ в утфеле и межкристальном растворе в текущий момент, %.
В настоящее время с развитием инструментальных средств измерения можно осуществлять высокоточный аналоговый контроль
СВу (погрешность ±0,1-0,2 %) с использованием микроволновых концентратомеров proMtec (Microwave Company), HK-6 (Harrer & Kassen), Concentration Meters MicroPolar Brix LB 565 (Berthold Technologies) и аналоговый контроль СВм (погрешность измерения ±0,1 %) с применением промышленного рефрактометра PR-23-GP (K-Patents process instruments) путём определения показателя преломления межкристального раствора. Соответственно благодаря указанным приборам становится возможным онлайн-мониторинг массового содержания кристаллов в утфеле (Кр).
Выводы
Современные инструментальные методы и средства измерения, согласно концепции процессно-аналитической технологии, позволяют оценить кинетические параметры роста кристаллов в каждый момент процесса кристаллизации, что открывает возможность корректировки технологических параметров уваривания утфеля в режиме реального времени и стабилизации требуемого качества белого сахара.
Список литературы
1. Agimelen, O.S. Integration of in situ imaging and chord length distribution measurements for estimation of particle size and shape / O.S. Agimelen [et al.] // Chemical Engineering Science. — 2016. — V. 144. - Р. 87-100.
2. Bouche, C. Further progress on crystal growth online monitoring / С. Bouche, В. Gaillac // International sugar journal. — 2015. — V. 117. — № 1397. — Р. 354—361.
3. Crestani, C.E. An artificial neural network model applied to convert
sucrose chord length distributions into particle size distributions / C.E. Crestani [et al.] // Powder Technology. - 2021. - V. 384. -P. 186-194.
4. Heath, A.R. Estimating average particle size by focused beam reflectance measurement (FBRM) / A.R. Heath [et al.] // Particle & Particle Systems Characterization: Measurement and Description of Particle Properties and Behavior in Powders and Other Disperse Systems. - 2002. - V. 19. - № 2. -P. 84-95.
5. Honavar, V.G. Models for converting CLD to PSD for bimodal distributions of particles /
V.G. Honavar [et al.] // Chemical Engineering Research and Design. -2023. - V. 200. - P. 576-591.
6. Jiang, L. On line monitoring of crystallization process using FBRM and artificial neural network / L. Jiang. - 2006.
7. Leite, L.C. A new alternative for monitoring the crystallization process through artificial neural networks and FBRM signal / L.C. Leite, A. Bernardo. - 2023.
8. Selby, K.. On-line monitoring of C seed magma using the ITECA CrystObserver to improve performance / K. Selby [et al.] // Zuckerindustrie. - 2024. - V. 149. -№ 1. - P. 46-54.
Аннотация. Метод определения гранулометрического состава белого сахара путем рассева пробы является стандартным, широко применяемым на сахарных заводах для определения дисперсности и однородности кристаллов сахара. Нерепрезентативность пробы белого сахара сваренному утфелю, отсутствие прямой связи результатов анализа с кристаллами утфеля, трудоёмкость рассева анализируемой пробы и невозможность использования результатов дисперсного анализа для корректировки режима уваривания утфеля являются основными недостатками ситового испытания. Для аналогового контроля дисперсной фазы утфеля в процессе кристаллизации могут эффективно применяться оптические методы оценки распределения кристаллов по размерам. Проанализированы метод обработки изображений и метод измерения коэффициента отражения сфокусированного луча, которые позволяют осуществлять онлайн-мониторинг кристаллической фазы при уваривании утфелей, автоматически и мгновенно определять параметры, связанные с размером и формой частиц сахара.
Ключевые слова: утфель, кристаллы, онлайн-мониторинг, дисперсный анализ, метод обработки изображений, FBRM - метод измерения. Summary. The method of determining the particle size distribution of white sugar by sieving a sample is a standard method widely used in sugar factories to determine the dispersion and uniformity of sugar crystals. The non-representativeness of the white sugar sample to the boiled massecuite, the lack of a direct connection between the analysis results and the crystals of the massecuite, the laboriousness of sieving the analyzed sample, and the impossibility of using the results of dispersion analysis to adjust the boiling mode of the massecuite are the main disadvantages of the sieve test. For analog control of the dispersed phase of massecuite during the crystallization process, optical methods for assessing the size distribution of crystals can be effectively used. An image processing method and a focused beam reflectance measurement method are analyzed, which allow online monitoring of the crystalline phase during the boiling of massecuite, automatically and instantly determining parameters related to the size and shape of sugar particles.
Keywords: massecuite, crystals, online monitoring, analysis of variance, image processing method, FBRM measurement method.
№ 3 . 2024 САХАР 21
