Управление увариванием утфелей на основе кенетических закономерностей кристаллизации сахарозы в вакуум-аппаратах


02.10.2009

Управление увариванием утфелей на основе кенетических закономерностей кристаллизации сахарозы в вакуум-аппаратах

Опубликовано:
02.10.09


Управление увариванием утфелей на основе кенетических закономерностей кристаллизации сахарозы в вакуум-аппаратах

С.М. ПЕТРОВ, д-р техн. наук, Е.Е. МИЛЕНКО, С.Л. ФИЛАТОВ
ИК «НТ-Пром», (495) 363-29-66
В.И. ТУЖИЛКИН, д-р техн. наук
Московский государственный университет пищевых
производств, (499) 158-72-15

Попытки управления кристаллизацией сахара в
ВАПД предпринимаются постоянно и соответствуют
уровню развития измерительной техники определения
параметров производственных сахарных растворов.
Наиболее часто реализуются способы косвенного кон-
троля пересыщения при уваривании утфелей по дина-
мической вязкости, электропроводности и диэлектри-
ческим характеристикам [7].
Поэтому вопрос управления увариванием утфелей в
ВАПД следует рассматривать в двух аспектах:
– адекватное моделирование тепломассообменных
процессов, протекающих в определенных конструкци-
ях ВАПД;
– возможность надежного инструментального контро-
ля параметров утфеля для использования в управлении.
По первому аспекту можно сделать вывод о много-
численных попытках моделирования, начиная от де-
терминированных моделей [4–6, 13] и включая стоха-
стические модели [8].
По второму аспекту прослеживаются схемотехничес-
кие решения управления кристаллизацией сахара в
ВАПД [2, 3, 12] на основе различных кондуктометров,
контролирующих этап сгущения сиропа до заводки
кристаллов и вискозиметров, контролирующих нара-
щивание кристаллов и измеряющих сопротивление на
валу электродвигателя датчика вязкости, обладающие
дрейфом результатов измерений и недостаточной на-
дежностью.
Как известно, общую концентрацию сухих веществ
в утфеле, СВу, можно определить по уравнению мате-
риального баланса:

где СВм – содержание сухих веществ в межкристаль-
ном растворе, %;
Чм – чистота межкристального раствора, %;
КР – содержание кристаллической сахарозы в утфеле, %;
Чу – чистота утфеля, %.
Из уравнения (1) следует, что при определенном со-

Разрабатывать эффективный алгоритм управления
работой вакуум-аппаратов периодического действия
(ВАПД) для уваривания утфелей целесообразно на
основе использования общих кинетических законо-
мерностей кристаллизации сахарозы, присущих как
кристаллизации, так и конструктивным особенностям
ВАПД [10]. Кинетические закономерности следует
реализовывать в известном режиме поддержания оп-
тимального значения коэффициента пересыщения на
различных стадиях: заводка кристаллов сахара, нара-
щивание их и окончательное сгущение утфеля. Тех-
нологами выработаны рекомендации по величине ко-
эффициента пересыщения Kпер на указанных стадиях,
многократно проверенные в производственных усло-
виях [1, 11].
Кинетика массовой кристаллизации сахарозы пре-
дусматривает определение основных закономерностей
протекания этого процесса в рабочем объёме вакуум-
аппарата и изменение основных технологических,
физико-химических и других параметров процесса во
времени.
Выделение кристаллического сахара не всегда про-
текает в оптимальных условиях и с желаемым техно-
логическим эффектом. Поэтому принципом управ-
ления процессом является обеспечение соответствия
потоков теплоты, передаваемых от поверхности на-
грева кипящему утфелю, и диффундирующей сахаро-
зы, проникающей через крайний слой к граням кри-
сталлов.
Согласно такому принципу, в кристаллизующейся
системе должно установиться динамическое равнове-
сие между скоростью отложения вещества на поверх-
ности твердой фазы, испарения влаги и режимом по-
ступления подкачиваемого раствора в аппарат. Нару-
шение его приводит к рассогласованию скоростей и
нежелательным последствиям [4, 9, 13].


держании кристаллов, общая концентрация сухих ве-
ществ в утфеле зависит от концентрации межкристаль-
ного раствора (а именно, от его пересыщения и тем-
пературы) и содержания несахаров в растворе и утфе-
ле. Следовательно, зависимость однозначна для дан-
ного режима уваривания определенного продукта. С
учётом удовлетворительной корреляции между зако-
номерностями роста кристаллов и сухих веществ для
типового режима при фиксировании качества исход-
ного продукта, это обстоятельство следует использо-
вать в алгоритме управления увариванием.
Для практического использования в алгоритме уп-
равления увариванием утфелей в ВАПД предлагается
применить известное кинетическое уравнение обра-
зования и роста кристаллов:
КР = КРт{1–exp[–(t/q)n]}, (2)
где КР – текущее содержание кристаллической саха-
розы в утфеле, %;
КРт – теоретически возможный равновесный выход
кристаллов, %;
t – текущее время уваривания, ч;
q – постоянная времени, зависящая от условий про-
цесса, ч;

n – форм-фактор кинетической кривой.
При этом возможен следующий способ определе-
ния q и n. Используя зависимость времени кристал-
лизации сахара первого продукта от геометрических
характеристик ВАПД и параметров греющего и ут-

фельного паров, можно определить время выделения
кристаллической фазы t [14], которое позволит на-
прямую рассчитать постоянную времени q. Расчёт q
возможен двумя способами: во-первых, с учётом ха-
рактера показательной функции (2), где exp – осно-
вание натуральных логарифмов, или экспонента. Это
позволяет задавать конечное содержание кристаллов,
эквивалентное завершению длительности переходно-
го процесса как величину КРф1= 0,95КРт. Постоян-
ная времени определяется как интервал времени, за
который приращение кристаллической фазы изменя-
ется на 0,632 от КРт. Второй прием может основывать-
ся на оценке фактического выхода кристаллической
фазы КРф2 в наилучших варках.
Форм-фактор для кинетических зависимостей утфеля
I кристаллизации рассчитывают по рекомендациям [10]:

где Kпер.н – коэффициент пересыщения в момент за-
водки кристаллов;
tн – температура в момент заводки кристаллов.
Из материального баланса уваривания утфеля при
tу= const и Чу= const максимально возможное в дан-
ных условиях содержание кристаллов может быть рас-
считано по уравнению:
КРт= СВу(Чу/100 + H) – 100H, (4)
где СВу – содержание сухих веществ в утфеле, %;
Чу – чистота утфеля, %;
H – фактическое массовое содержание сахарозы в
межкристальном растворе при температуре насыще-
ния, кг/кг.
По найденным значениям q и n далее рассчитывают
текущие значения КР при различных коэффициентах
пересыщения (табл. 1).
Далее используют статистический шаблон кинети-
ческой зависимости СВу.изм= f(t/tц) для утфеля I крис-
таллизации, полученный по линиям тренда большого
числа циклов уваривания.
На следующем этапе рассчитывают содержание саха-
розы в утфеле СХу при известной чистоте набираемых
на уваривание продуктов и проверяют соответствие зна-
чений коэффициента пересыщения метастабильному
состоянию производственных сахарных растворов.
Действительную величину СВу.рас=f(t/tц) при необхо-
димом пересыщении Кпер рассчитывают по выражению:
(5)


На этапе технологической отладки предлагаемого
режима управления увариванием утфелей, эффектив-
ным является инструмент «Поиск решения» прило-
жения Microsoft Office Excel, которое использует про-
грамму нелинейной оптимизации и алгоритмы сим-
плексного метода с ограничениями на переменные и
метода ветвей и границ для решения линейных и це-
лочисленных задач оптимизации.
Результаты расчета по такому алгоритму скорректи-
рованной кинетической зависимости СВу.рас приведе-
ны в табл. 2.
Кинетическую зависимость изменения содержания
сухих веществ в утфеле СВу.рас при уваривании в ВАПД
следует использовать в качестве задания системе АСУ
ТП. В этом случае управление вакуум-аппаратом будет
сведено к поддержанию соотношения между СВу.рас и
уровнем в аппарате, которые непрерывно изменяются
при уваривании утфеля.
Для более эффективного применения данного алго-
ритма следует придерживаться разграничения на ста-
дии уваривания утфеля и известных для них рекомен-
даций по поддержанию коэффициента пересыщения.
Предлагаемый алгоритм управления увариванием
утфелей отличается компактным математическим
описанием и основан на поддержании технологичес-
ких параметров утфеля, соответствующих кинетике
кристаллизации сахарозы с учетом конструктивных
особенностей ВАПД, что повышает точность управ-
ления и позволяет получать стабильный выход крис-

таллов более однородного гранулометрического состава.

ЛИ ТЕ РА ТУ РА
1. Алгоритм уваривания утфелей в вакуум-аппаратах периодического действия / А.И. Громковский, Н.Н. Бражников, А.А. Громковский,
Ю.И. Последова // Сахар. – 2009. – № 1. – С.34–39.
2. Волошин З.С. Автоматизация сахарного
производства / З.С. Волошин, Л.П. Макаренко, П.В. Яцковский. – М. : Агропромиздат, 1990. – 271 с.
3. Волошин З.С. Справочник специалиста
КИПиА сахарной промышленности / З.С. Волошин, Л.П. Макаренко, В.М. Эрлих. – М. : Агропромиздат, 1985. – 287с.
4. Громковский А.И. Оптимальный режим
уваривания утфеля I продукта / А.И. Громковский, Ю.И. Последова, Н.Н. Бражников
// Сахар. – 2008. – № 8. – С.54–56.
5. Интенсификация процесса уваривания утфелей / В.Т. Гаряжа, В.Р. Кулинченко, Ю.Г. Артюхов и др. – М. : Легкая и пищевая промышленность, 1981. – 152 с.
6. Кот Ю.Д. Интенсификация процессов уваривания и кристаллизации утфелей / Ю.Д. Кот,
А.К. Сущенко, Е.М. Глыгало. – М. : ЦНИИТЭИпищепром, 1970. – 64 с.
7. Кравчук А.Ф. Вакуум-аппараты периодического действия: новые способы контроля и управления кристаллизацией сахара // Сахар. –
2003. – № 6. – С.40–42.
8. Кравчук А.Ф. Алгоритм ситуационного управления процессом кристаллизации сахара в вакуум-аппарате периодического действия с механическим циркулятором / А.Ф. Кравчук, А.П. Ладанюк, Ю.В. Прокопенко // Автоматика. Автоматизация. Электри-
ческие комплексы и системы. – 2008. – № 1. – С.105–110.
9. Люсый Н.А. Кристаллизация сахарозы / Н.А. Люсый, И.Н. Лю-
сый, Ю.И. Молотилин. – Краснодар : СКНИИССиС, 2004. – 304 с.
10. Попов В.Д. Основы теории тепло- и массообмена при кристал-
лизации сахарозы – М. : Пищевая промышленность, 1973. – 320 с.
11. Сапронов А.Р. Технология сахарного производства. – 2-е изд.,
исправл. и доп. – М. : Колос, 1999. – 495 с.
12. Системы автоматизации технологических процессов сахарного производства / О.Яковлев, С.Танцюра, А.Войтюк, Ю.Рудаков и др. //
Современные технологии автоматизации. – 2000. – № 1. – С.44–53.
13. Тужилкин В.И. Кристаллизация сахара. – М. : МГУПП, 2007. – 336 с.
14. Шуцкий И.В. Практические аспекты работы вакуум-аппаратов:
теплотехнические факторы и время уваривания утфеля // Сахар. – 2007. – № 10. – С.49–50.
Таблица 2. Итоговые результаты моделирования кинетических закономерностей кристаллизации сахарозы при уваривании утфеля: t= 75 ОC, Кпер=1,15



Article file:  Загрузить

Возврат к списку

Contacts:
18b, A.Dikogo, Moscow, 111396, Russia
+7 495 363 2966