CC BY
17
УДК 664.1:681.3:664.126.1.038
Структура и принципы создания гибкой технологии кристаллизации сахара
B.И. Тужилкин, д-р техн. наук, профессор, В.А. Ковалёнок, д-р техн. наук, профессор,
C.П. Гольденберг, канд. техн. наук, доцент Московский государственный университет пищевых производств
Процесс функционирования сахарного завода следует рассматривать как сложную кибернетическую систему, складывающуюся из двух частей: собственно технологического процесса и организационного управления предприятием [1]. Одновременно современный сахарный завод можно подразделить на взаимосвязанные подсистемы (диффузия, очистка, выпаривание, кристаллизация и т. п.), соподчинение между которыми увязывается иерархической структурой, состоящей из некоторого числа ступеней или уровней иерархии.
Гибкая технологическая схема продуктового отделения строится с учетом различных вариантов распределения материальных потоков.
Если абстрагироваться от структуры всего сахарного завода и рассмотреть только его одну подсистему -продуктовое отделение, то в рамках этого выделения его можно рассматривать как целостную химико-технологическую систему, имеющую сложную структуру технологических связей между составляющими ее элементами, которая может изменяться в зависимости от производственной ситуации и к изучению которой применим логико-математический уровень абстрагирования [2].
Нестабильность материальных потоков сырья и продуктов, а также его качества, прежде всего, качественного и количественного состава несахаров, являются главными возмущениями, влияющими на производительность продуктового отделения, выход готовой продукции. Поэтому выбор структуры технологических связей продуктового отделения (принципиальной схемы кристаллизации сахара) - задача синте-
Ключевые слова: кристаллизация; гибкая технология; материальные потоки сырья и продуктов.
Key words: cristallisation; flexible technology; material flows of products.
за. При этом выбранная структура технологических связей должна обеспечивать выпуск сахара-песка, отвечающего требованиям стандарта, получение мелассы с минимальным содержанием в ней сахара, минимальные потери сахара от термохимического разложения в процессе уваривания утфелей и при кристаллизации сахара охлаждением, низкий расход пара.
Но поскольку производство сахара, как указывалось выше, характеризуется нестабильностью материальных потоков и изменяющимся качеством сырья, то это требует изменения структуры технологических связей кристаллизационной системы. По этой причине данная структура должна обладать гибкостью. Определение математических связей между характеристиками состояния системы (выходными параметрами) и параметрами состояния элементов при заданной структуре технологических связей между элементами (входными параметрами) - это задача анализа кристаллизационной системы. Он должен быть осуществлен таким образом, чтобы из множества вариантов технологических связей выбрать тот, который при данном количестве сырья, поступающего в переработку, и с учетом его качества отвечает условиям оптимального функционирования продуктового отделения в целом. Следовательно, создание гибкой технологии кристаллизации сахара и определение оптимальных условий ее функционирования - актуальная задача сахарного производства.
При выборе практически необходимого варианта кристаллизационной схемы необходимо обращать внимание не только на то, чтобы показатели, характеризующие ее свойства, имели оптимальные значения, но также и на их стабильность при изменении в определенных пределах самих параметров кристаллизующейся системы. Учет этого фактора часто оказывается решающим при окончательной оценке рассматриваемого варианта кристаллизационной схемы [3].
Основу современного проектирования новых, реконструкции и анализа функционирования действующих сахарных заводов составляет расчет материальных и теплоэнергетических балансов системы в условиях установившегося (стационарного) технологического режима. Определяемые при этом материальные и тепловые нагрузки элементов системы в виде массовых расходов и составов сырья, конечных и промежуточных продуктов, расходов греющего пара и охлаждающей воды и другие служат исходной информацией для расчета технологических моделей объектов, выбора оптимальных режимов ведения процессов, в том числе и процессов кристаллизации сахара.
Поэтому задача определения структуры технологических связей продуктового отделения, отвечающих требованиям оптимальности, должна решаться на основе представлений о гибкости структуры этого отделения.
Гибкая технологическая схема продуктового отделения, предлагаемая нами [4], строится с учетом различных вариантов распределения материальных потоков (рис. 1). Эта схема включает множество вариантов известных способов уваривания утфелей и кристаллизации сахара, предложенных в разное время различными авторами, а также предлагаемые нами способы, составляющие основу так называемой технологии полунепрерывной кристаллизации сахара. Определяющим звеном гибкой технологии кристаллизации сахара остаются двух- и трех-кристаллизационные схемы.
Для оценки и выбора того или иного варианта схемы кристаллизации создана статическая модель расчета продуктового отделения. При создании статической модели распределения материальных потоков использован метод П.М. Силина, в котором предполагается установившийся режим работы отделения. При этом в отделение поступает постоянное количество сахара и сухих
ENGINEERING AND TECHNOLOGY
веществ с сиропом и уходят равные им количества сахара и несахаров с сахаром-песком и мелассой. В основу расчета материальных потоков продуктового отделения положены балансовые уравнения по сухим веществам и сахару и в общем виде система балансовых уравнений имеет вид:
b = X ab
' j=i i i
c = X a b Ч = ЬЧ,
i j = 1 ij ij ij i i
(1)
где Ь - содержание сухих веществ в /-м аппарате, кг/100 кг свеклы; с -содержание сахара в продукте в /-м аппарате, кг; Ч/- чистота продукта в /-м аппарате, %; Ьу- содержание сухих веществ в у'-м продукте, поступающем в /-й аппарат, кг; Чу- чистота у'-го продукта, поступающего в 1-й аппарат, %; ау- доля у'-го продукта, поступающего в /-й аппарат.
Чтобы рассчитать параметры выбранного варианта схемы необходимо задать ее конфигурацию и соотношения материальных потоков, т.е. надо указать значения коэффициента ау. Коэффициент ау показывает, какая часть у'-го продукта поступает на вход /-го аппарата. Значение ау лежит в диапазоне от 0 до 1. Нуль означает, что у'-й продукт не поступает в /-й аппарат, единица - все количество у'-го продукта подается на вход /-го аппарата.
Так как в начале расчета известны только значения коэффициента а/у, содержание сухих веществ и чистота сиропа, сока II сатурации, поступающие в продуктовое отделение, то при расчете системы алгебраических уравнений используется итерационный метод. Сначала предполагается, что параметры Ь, Ч/, характеризующие продукты на выходе из аппарата, равны нулю. При выполнении первого цикла расчета по балансовым уравнениям определяют значения выходных параметров, отличных от нуля. Затем расчет повторяют, полученные результаты сравнивают с предыдущими, и так продолжается до тех пор, пока рассмотренная статическая модель расчета продуктового отделения позволяет выбрать соответствующую схему кристаллизации и на ее основе проанализировать рациональное распределение материальных потоков. Для ее определения, а также согласования работы оборудования при дискретно-непрерывном режиме результаты двух последовательно выполненных расчетов не будут отличаться друг от друга на величину, меньшую е, где е- заданная точность вычисления.
Метод расчета гибкой технологической схемы продуктового отделения позволяет проанализировать с помощью ЭВМ распределение продуктов по любому варианту схемы кристаллизации, представленной на рис. 1, и выбрать такой вариант, который в конкретных условиях производства обеспечит наиболее эффективную работу отделения.
Однако модель не отвечает на вопрос о продолжительности процессов уваривания утфелей и кристаллизации сахара при охлаждении. В этой связи нами предложена двухуровневая модель расчета продуктового отделения [4], включающая статическую и динамическую модели
расчета изобарической испарительной и политермической кристаллизации сахара с одновременным расчетом теплопотребления. Алгоритм расчета по предлагаемой модели изображен на рис. 2.
Согласно алгоритму, по первому циклу осуществляется статический расчет распределения материальных потоков. Полученные данные служат исходными величинами для осуществления расчета параметров изобарической испарительной кристаллизации сахара I ступени. Выходные данные этого расчета вновь поступают в статическую модель для вычисления входных данных II ступени изобарической испарительной крис-
Рис. 1. Гибкая технологическая схема продуктового отделения с учетом различных вариантов распределения материальных потоков
таллизации и т. д. После завершения первого цикла расчета распределения материального потока осуществляются второй, третий и т. д. циклы вычислений, пока не будет выбран вариант распределения материального потока, при котором выход сахара будет максимальным, а содержание сахара в мелассе - минимальным.
Таким образом, исключается субъективный выбор некоторых технологических параметров, в частности, процентного содержания кристаллов. В данных условиях в статическую модель расчета поступает то значение процентного содержания кристаллов, которое получилось при динамическом моделировании реального процесса.
Применение для расчета гибких технологических схем кристаллизации сахара методов статического и динамического моделирования и
решения оптимизационных задач открывает новые перспективы повышения эффективности производства сахара.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кафаров, В.В. Принципы математического моделирования химико-технологических систем/В.В. Кафаров, В.А. Перов, В.П. Мешал-кин. - М.: Химия, 1974. - 344 с.
2. Кафаров, В.В. Методы кибернетики в химии и химической технологии/В.В. Кафаров. - М.: Химия, 1976. - 463 с.
3. Балакирев, B.C. Оптимальное управление процессами химической технологии/В.С. Балакирев, Б.М. Володин, А.М. Цирлин. - М.: Химия, 1978. - 382 с.
4. Тужилкин, В.И. Кристаллизация сахара/В.И. Тужилкин. - М.: ИК МГУПП, 2007. - 334 с.
Новые решения от BOSCH
Компания Bosch Packaging Technology на выставке Anuga FoodTec 2012 в Кёльне объявила о выходе на международный рынок двух новых упаковочных решений для жидких продуктов: гибкой упаковки SurePOUCH нового дизайна и нового термоформовочного аппарата TFC для асептической (clean-fill) упаковки.
Новый дизайн гибкой вертикальной упаковки БигеРОиСН предоставит возможность использовать разные варианты упаковки, что обеспечит гибкость бизнеса и дифференциацию товаров на полках магазинов. Соответствие высоким санитарным стандартам достигается за счет непосредственного наполнения пакетов продуктом вместо фасовки через носик. Последний припаивается к внешней части пакета с помощью ультразвука, поэтому продукт не касается носика до тех пор, пока пакет не будет открыт потребителем. Кроме того, новая легкая упаковка обладает дополнительными преимуществами, поскольку ее очень просто
смять в пустом виде и утилизировать.
Новый термоформовочный аппарат TFC для асептической (clean-fill) упаковки дополняет линейку решений Bosch для формовки и фасовки. Этот аппарат позволяет соблюдать высокие санитарные стандарты, например, при производстве молочных продуктов, десертов и детского питания. Новая термоформовочная технология TFC расширяет диапазон применения этого аппарата, обеспечивая решение для фасовки свежих продуктов, а также продуктов, требующих увеличенного срока хранения, таких как йогурты, десерты, порционное масло и маргарин, приправы и кофе. Он также подходит для холодной фасовки, горячей фасовки и стерилизуемых продуктов, таких как готовая к употреблению еда и корм для животных.
Кроме того, Bosch представит новую концепцию обслуживания -«Профилактическое техобслуживание». Такая концепция га-
рантирует, что соответствующее техобслуживание будет проведено по расписанию. Выполняемое специалистами Bosch на месте такое обслуживание поможет клиентам оптимизировать производительность оборудования и упаковочных линий. Профилактическое техобслуживание предполагает целый спектр вариантов: от базовых модулей, включающих проверку линий, до полного профилактического техобслуживания. Комплексный модуль включает непрерывную техническую поддержку на месте, выполняемую прикомандированным инженером. Клиенты могут выбрать модуль, соответствующий их конкретным потребностям, принимая во внимание объем выполняемых процедур техобслуживания, режим и сезонные колебания производства. Благодаря концепции модулей компания Bosch предлагает клиентам наилучший договор техобслуживания, обеспечивающий снижение потерь, безотказность работы и прибыльность.
Дополнительную информацию см. на сайтах www.bosch.com, www.bosch-press.com
