Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор научно-технической литературы 8
1.1 Технологический поток как система процессов 8
1.2 Промышленное производство напитка на основе модифицированного картофельного крахмала 15
1.3 Структурные характеристики и количественное соотношение отдельных фаз дисперсных систем 21
1.4 Основы процесса смешивания сыпучих сред 27
1.5 Контроль качества дисперсных сред 34
1.6 Задачи исследования 43
Глава 2. Исследование технологических свойств дисперсных смесей для производства киселей функционального назначения 44
2.1 Методическое и приборное обеспечение исследования 44
2.2 Микро и макро исследование частиц порошкообразных компонентов смеси 46
2.3 Определение структурно-механических характеристик смеси и её компонентов 58
2.4 Краткие выводы 61
Глава 3. Диагностика существующей технологической системы производства 62
3.1 Методическое обеспечение 62
3.2 Построение операторной модели 65
3.3 Экспериментальные исследования и результаты диагностики 66
3.4. Моделирование режимов работы непрерывных и дискретных дозаторов объемного типа 73
3.5 Методы оценки качества процесса дозирования исходных компо 78
нентов з
3.4 Краткие выводы 79
Глава 4. Исследование и оптимизация ведущего процесса технологии: смешивания исходных компонентов 80
4.1 Теоретические основы процесса центробежно-лопастного смешивания исходных компонентов напитка 80
4.2 Методы оценки качества процесса смешивания исходных компонентов 85
4.3 Методика исследования и оптимизации процесса центробежно-лопастного смешивания исходных компонентов 88
4.4 Краткие выводы 97
Глава 5. Технология напитка на основе кукурузной муки как система процессов 98
5.1 Обоснование выбора использования кукурузной муки 98
5.2 Операторная модель производства напитка на основе кукурузной муки 100
5.3 Оценки уровня организации технологического потока 102
5.4 Краткие выводы 103
Глава 6. Практические результаты исследования 105
6.1 Рецептуры быстрорастворимых напитков 105
6.2 Машинно-аппаратурное оформление технологического потока для малых предприятий 107
6.3 Краткие выводы ПО
Общие выводы и предложения 111
Список использованной литературы
- Структурные характеристики и количественное соотношение отдельных фаз дисперсных систем
- Микро и макро исследование частиц порошкообразных компонентов смеси
- Экспериментальные исследования и результаты диагностики
- Методика исследования и оптимизации процесса центробежно-лопастного смешивания исходных компонентов
Структурные характеристики и количественное соотношение отдельных фаз дисперсных систем
Процессы в аппаратах и машинах поточных линий представляют собой единый непрерывный технологический поток преобразования исходного сырья в продукцию.
При большом разнообразии технологий, машинно-аппаратурных схем, в различных линиях организованный комплекс технологических процессов функционирует как единая система. Основой исследования закономерностей, по которым строится, функционирует и развивается любая технология в целой поточной линии, являются системный анализ и системный синтез общей теории систем [56, 57].
При функционально-структурном подходе при системном анализе технологической системы, рассматривают функциональную и структурную организацию системы.
Строение технологического потока. Большой процесс в поточной линии представляет собой технологическую систему и имеет все атрибуты сложной системы: элементы, связи, структуру и целостность [56, 57, 59]. В технологическом потоке функционирует система автономных образований - подсистем, с операциями в качестве элементов. При раскрытии закономерностей строения технологического потока, не ограничиваются знаниями отдельными операциями в машинах и аппаратах линии.
Технологический поток представляет собой совокупность технологических операций. Состоя из множества элементов, с различными свойствами, он обладает своим уникальным системным качеством. Благодаря этому качеству функционирование объединенных в линию орудий труда становится более эффективным, нежели чем по отдельности. Эффективность технологии достигается в результате исполнения в высокой степени совершенства отдельных операций, что ведет к неизвестной до этого стабильности производства [57, 58, 59].
Если рассматривать технологическую систему как часть большей системы, то в ней выделяются два вида связей: внутренние и внешние. Первые возникают между ее подсистемами. Вторые устанавливаются с другими системами той большой системы, в которую входит искомая технологическая система. Только в том случае, при котором внутренние связи «сильнее» связей внешних, технологическая система может существовать и являться подсистемой большей системы. Если же внутренние связи ослабевают и увеличивается сила и число внешних связей с отдельными элементами, подсистемами данной системы, то целостность нарушается, и система в рамках большей перестает существовать как целое. Организация определённым образом элементов внутри системы обеспечивает целостность системы, её выделение из среды, сохранение свойств устойчивых к внешним воздействиям [56, 58, 59].
Если организация технологической системы на низком уровне, то её можно представить, по своим свойствам, как сумму составляющих её элементов. В обратном случае её свойства отличаются от обычной суммы частей. Целостность технологической системы это комплекс свойств, характеризующих единую систему как индивидуальный объект, отличающегося от остальных систем и выделяемого из окружающей среды, отображает способность элементов, входящих в его состав, взаимодействовать, благодаря интегративным качествам системы. При взаимодействии частей целостной системы возникают, присущие данной системе, новые качества. Поэтому элементом технологической системы является технологическая операция, а не физико-химический процесс.
Технологическая система работает в определенной взаимосвязи с окружающей средой производственного цеха, а не отдельно от неё. В окружающую среду входят - внешние по отношению к системе процессы, с которыми она, взаимодействуя, изменяет их или изменяется при этом сама. Качество функционирования технологической системы зависит от различного влияния объектов, образующих её внешнюю среду. Одни играют малую роль, другие значительно воздействуют на систему, а третьи являются основой её функционирования. Системное исследование предполагает нахождение, прежде всего, объектов окружающей среды, которые необходимы для системы в первую очередь.
Системный анализ - это логический способ воспроизведения в мышлении разделённой объективно существующей целостной системы. Во время системного синтеза мышление воссоздаёт действительное взаимодействие разделённых в процессе анализа элементов [36].
Суть системного анализа заключается в разбиении целого на его компоненты, с целью изучения и выделения функций каждой из частей. Системный объект разделяют не произвольно, а в соответствии по определённым законам, присущим только ему, его функциями и структурой, не забывая про компоненты, входящих в его состав, и внутрисистемных связей.
При системной точке зрения изучение происходит от системы к элементам. Следовательно, исследование любого объекта (сложного или простого) прочно связано с исследованием системы, в которую он входит.
Проводя системный анализ технологического потока, необходимо иметь в виду то, что его элементы имеют разную ценность для обеспечения определенного уровня целостности, т.е. обеспечения стабильной качественной работы. Всегда есть центр системы - один или несколько компонентов, в которых протекают самые сложные процессы, необходимые для обеспечения стабильности конечного результата. Изучать системы можно вести от входа к выходу или, наоборот, от выхода к входу, исходя из преследуемой цели проведения анализа. Если анализируется продукция, то процессы в технологической линии рассматривают от выхода к входу, а когда изучается материально-техническое обеспечение, наоборот.
Обозначают подсистемы А, В, С и т.д., начиная с конца линии. В таком случае любая поточная линия представляется как совокупность нескольких подсистем, содержащие в качестве элементов минимум две технологические операции, так как один элемент не является подсистемой.
Микро и макро исследование частиц порошкообразных компонентов смеси
Объектом исследований является кукурузный крахмал, кукурузная мука и быстрорастворимый напиток на их основе.
Реологические испытания растворов кукурузного крахмала, кукурузная мука и быстрорастворимый напиток на их основе проводились на Ротационный вискозиметр «Rheotest - 2» в Кемеровском технологическом институте пищевой промышленности.
Перед началом опыта порцию исследуемого раствора помещали в наружный цилиндр V показанный на рисунке 2.1 (при этом внутренний цилиндр IV уже должен быть закреплен на ведущем валу III) и устанавливают его в рабочее положение коаксиально цилиндру IV. В это время происходит заполнение исследуемой средой кольцевого зазора. После снимаются показания, для этого устанавливается рукоятка переключения скоростей VIII на первую скорость, переведя переключатель из положения 1 или 2, возможно выбирать жесткость измерительной пружины. При начале работы прибора внутренний цилиндр начинает вращаться. Вращение внутреннего цилиндра на первой скорости проводятся до тех пор, пока не произойдет стабилизации положения показаний вторичного прибора. Он измеряет угол а относительного поворота цилиндров IV и V. Показания прибора записываются и включаются последовательно следующие скорости сдвига [17].
После измерений выключают привод прибора. Снимают с него термостати-рующий сосуд и цилиндры. Рабочие цилиндры моются и сушатся, а их поверхности обезжириваются. Эксперимент проводят в трех повторах для получения достоверных данных.
Анализируя кривые течения можно увидеть незначительное увеличение значения предельного напряжения сдвига при температаре от 20С до 60С, а при температуре более 70С значение предельного напряжения сдвига резко увеличивается. А при температуре от 85С до 100С наблюдается снижение значений предельного напряжения сдвига. Исходя из этого, на следующем этапе исследования была определена эффективная вязкость в зависимости от скорости сдвига при разной температуре восстановления киселя на основе чёрной смородины (рисунок
Удельная поверхность является самой важной характеристикой дисперсности сыпучих материалов и определяют её через отношение поверхности всех частиц к их объему или массе[58, 73]. Предположим, что все частицы имеют одинаковый диаметр dcp и число их равно п. Тогда поверхность единицы объема материала Sv составит:
Для определения удельной поверхности находим зависимость воздухопроницаемости слоя материала от его дисперсности. Такой метод основан на измерении сопротивления, оказываемого воздуху, просасываемому через слой уплотненного материала определенной толщины и площади поперечного сечения[45, 56]. Величину навески порошка определяют по формуле:
Проанализировав полученные данные, мы определили, что в смеси для гранулирования киселя на основе чёрной смородины присутствуют две основные части - грубо дисперсный структурный каркас с размером частиц от 100 до 400 мкм и образованная тонкодисперсными фракциями кукурузной муки и сахарной пудры часть.
Твердая фаза дисперсных систем представляет собой высокоразвитую поверхность, из-за этого у системы избыточная свободная энергия. Система всегда стремится к уменьшению свободной энергии, так как дисперсные материалы склонны к смачиванию и последующей агрегации. Самая развитая поверхность и наибольшая поверхностная активность в комкуемых материалах у тонких полуколлоидных и коллоидных фракции, несмотря на относительно малое их содержание. Во время формирования гранул эта часть твердой фазы - ультрадисперсная составляющая твердой фазы - концентрируется в жидкой фазе, из-за чего образует поровую суспензию. Каркасная часть гранул формируется благодаря гру-бодисперсной фракции, которая не образует взвесей. В итоге, полидисперсная система исходной дисперсии дифференцируется в процессе формирования гранулы на поверхностно активную поровую суспензию и на относительно пассивный каркас гранулы.
Определение пористости гранул быстрорастворимого киселя на основе чёрной смородины. Во время поглощения паров воды гранулы существенно изменяют свою структуру. Это происходит из-за того, что повышая содержания влаги в грануляте, возникают ряд процессов в гранулах, обусловленных частичным растворением сахарной пудры, поглощением влаги крахмалом, а также переходом лактозы из аморфного состояния в кристаллическое, а части белка - в коллоидное. Это приводит к значительным изменениям пористости гранул киселя. Крахмал и белок, поглощая влагу, набухают, а значит частично закрывают часть пор, капилляров и трещин. Этот процесс преобладает, в результате чего пористость гранул гранулированных плодово-ягодных киселей вследствие их увлажнения существенно уменьшается. Пористость гранул быстрорастворимых киселей также уменьшается в процессе растворения сахарной пудры [27, 67].
При определении пористости быстрорастворимого гранулированного киселя из чёрной смородины был использован метод, который основан на нахождении скорости проникновения воды непосредственно в гранулы напитка. Использован показатель пористости, представляющий собой отношение объема воды проникающей в гранулу быстрорастворимого киселя к объему гранулы (формула 3.9): где Ппор - показатель пористости; Vi - объем гранулы, мм ; у2 _ у3 _ разница уровней воды до и после полного распада гранулы, мм3.
Значения коэффициентов пористости, которые были получены в ходе исследования образцов быстрорастворимого гранулированного киселя на основе чёрной смородины, представлены на рисунок 2.3.
После исследования зависимости пористости гранулированного киселя от гранулометрического состава было показано, что при увеличении диаметра гранул уменьшается их пористость.
Во время анализа полученных результатов стало возможным сделать оптимальный выбор размер гранул, находящийся ся в интервале от 0,48 до 2,51 мм, при производстве быстрорастворимого гранулированного киселя. n г 50 1U 8 - 1 - 40 -W 4-2 - - зо _- 20 Н- 0 - 2 - 0 12 3 4 5 Диаметр гранул, мм Рисунок 2.3 - Зависимость прочности на раздавливание и пористости от гранулометрического состава киселя из чёрной смородины: 1 - прочность гранул на раздавливание; 2 - пористость Определение гранулометрического состава быстрорастворимого киселя. Прошлые исследования показали, что наибольший востребованный размер гранул находится в пределах от 0,48 мм до 2,51 мм. При размере гранул менее 0,48 мм происходит слеживание гранул. Стремление к нижнему пределу размера гранул необходимо, потому что быстрорастворимый гранулированный кисель подразумевает дальнейшее растворение. [67, 69]
Для определения гранулометрического (фракционного) состава быстрорастворимого киселя на основе чёрной смородины использовали метод ситового анализа. Число фракций при ситовом анализе соответствует числу сит.
Наглядно фракционный гранулята киселя на основе чёрной смородины отображен в графической форме на рис 2.4.
При ситовом анализе пробы материала просеиваются через набор стандартных сит с последовательно уменьшающимися квадратными или прямоугольными отверстиями. В итоге материал разделяется на классы, или фракции, в каждой из которых размер частиц незначительно различается. Число фракций, которые получаются во время просеивания через набор сит должно быть не менее 5 и не более 20.
Экспериментальные исследования и результаты диагностики
В производственных условиях во время проведения измерений установили, что стабильность подсистемы В5 равна 1, так как все взятые пробы сока и выжимки обладают показателями качества, находящимися в нормативном диапазоне. В подсистемах В4, ВЗ наблюдаются отклонения по крупности сахарной пудры, содержанию сухих веществ в концентрированном соке, содержание влаги, соответственно. Невысокая стабильность функционирования всей линии значительно снижается из-за нестабильного функционирования подсистемы В2 (рисунок 3.5), что обусловливается нестабильностью процессов смешивания компонентов и гранулирования смеси и, поэтому, качество получаемых гранул невысоко. Во время сушки и упаковки в подсистеме В1, отклонения от нормативов не наблюдались.
Проведенное исследование определения целостности существующей технологической системы производства быстрорастворимого гранулированного напитка на основе кукурузной муки помогло определить подсистему вносящую высокую нестабильность в функционирование в целом всей технологической системы. Подсистемой вносящей наибольшую нестабильность является подсистема В2 образования гранул. Значения ее стабильности составили 0,55 за одну смену.
На рисунке 3.6 представлена мо-F1 л о дель процесса развития технологической системы. Не заштрихованная область -это область плохо организованных, суммативных систем. Заштрихованная область - область целостных, высокоорганизованных систем. На диаграмме показано: т. А - уровень целостности существующей технологической системы производства быстрорастворимого гранулированного напитка на основе куку Рисунок 3.6 - Диаграмма процесса развития руЗНОИ муки. технологической системы производства в связи с этим? перспектива разви быстрорастворимого гранулированного напитка на основе кукурузной муки (т. А) Я ТЄХНОЛОГИИ прОИЗВОДСТВа быстрорас творимого гранулированного напитков на основе крахмалов, в том числе и на ос 73 нове кукурузного крахмала, связана прежде всего с модернизацией и повышением качества процессов в подсистеме В2, и прежде всего, процесса смешивания исходных компонентов быстрорастворимого гранулированного напитка.
Аппаратурное оформление процессов смесеприготовления, как правило, представлено блоком дозирующих устройств, перед аточно-формирующим узлом и смесительной системой. В современном производстве упомянутых отраслей широко используется оборудование, позволяющее наладить автоматизированное производство, в том числе в процессах смесеприготовления[39,40].
В настоящее время блок дозирующих устройств смесеприготовительного агрегата чаще всего комплектуется объемными дозаторами непрерывного и порционного действия. У объемных дозаторов я невысокая стоимость, они надежны и с простой конструкцией. При этом у них наблюдается невысокая точность дозирования сухих дисперсных материалов, это происходит из-за влияния физико-механических характеристик дозируемых компонентов, в основном их гранулометрическим составом и влажностью.
Моделирование режимов дозирования, предшествующее этапу внедрения в производство процесса смесеприготовления, позволяет оценить влияние каждого из компонентов на качество готового продукта. Таким образом, использование современных методов и программных комплексов по моделированию процессов дозирования позволяет выявлять и оценивать рациональные режимы работы блока дозирующих устройств[54, 102].
Объектом исследования является блок дозирующих устройств, который включает в себя барабанные и шнековые дозирующие устройства. Рисунок 3.7 - Структурно-функциональная схема шнекового дозатора
Шнековый дозатор (рисунок 3.7) работает следующим образом: при включении двигателя 1, дозируемый материал захватывается витками полого шнека 2 в нижней части корпуса и транспортируется вдоль неподвижного кожуха 3, ссыпается через разгрузочное окно 4, дозируемый материал засыпается в бункер 5, запирающийся крышкой 6. Привод шнекового дозатора состоит из двигателя постоянного тока 1 и червячного редуктора 7; усилие от привода к рабочему органу передается при помощи ременной передачи 8. В про цессе дозирования сжатый воздух из пневмолинии 9 подводится через сальниковый узел 10 в полый шнек. Сжатый воздух поступает во внутренний объем дозатора через сквозные отверстия 11, придавая сыпучему материалу свойство «псевдотекучести».
В качестве основного математического подхода к описанию материалопото-ков, формируемых дозаторами, выбрано представление анализируемых материа-лопотоковых сигналов в виде гармонического Фурье-разложения[96, 97,105]. Для построения модели дозирующих сигналов с последующим исследованием режимов смесеприготовления в агрегате непрерывного действия применялся эмпирический подход. В случае порционного дозирования данный подход заключается в представлении сигнала в виде цепочки трапецеидальных импульсов, передний и задний фронты которых могут иметь различные значения крутизны, а верхняя часть должна быть максимально уплощена, поскольку ею определяется номинальный режим расхода при формировании дозы (порции) материала. Сигнал порционного дозирования, сформированный с учетом такого подхода, представлен на рисунок 3.8.
Методика исследования и оптимизации процесса центробежно-лопастного смешивания исходных компонентов
Решение задачи о выборе оптимального сочетания факторов иногда проводится при неполном познании физической сущности процесса. При выполнении многофакторной эксперимента получается приближенная математическая модель процесса, которая помогает связать воедино все учтенные факторы.
Всегда существуют неуправляемые и неконтролируемые переменные в реальном процессе изменение величины которой носит случайный характер. В связи с этим при обработке экспериментальных данных получают выборочные коэффициенты регрессии bo, Ы, bu, bij. Полученное на основании опыта уравнение регрессии, запишется в виде (4.2):
Коэффициент b0 называется свободным членом уравнения регрессии; коэффициенты bi - линейными эффектами; коэффициенты Ьії - эффектами взаимодействия; коэффициенты by - квадратичными эффектами. Поэтому целью эксперимента при исследовании является определение численного значения всех коэффициентов уравнения регрессии (4.2). Для поисков оптимальных условий протекания процессов находят значения факторов х\, х2, х3 ..., хи соответствующих экстремуму функции.
В первую очередь перед планированием и проведением эксперимента, необходимо выбрать критерий оптимизации. Критерий оптимизации - это параметр, по которому оценивают интересующий объект и связывают факторы в математическую модель. Критерий оптимизации должен быть один с ясным физическим смыслом и количественной оценкой[1,5,15].
После того как выбор критерия оптимизации произведен необходимо выбрать все факторы, которые влияют на его величину. Для каждого фактора указываются пределы варьирования значений, постоянство режима, точность измере 89 ния. Факторы должны быть некоррелироваными и совместимыми. Так же они должны быть управляемы, то есть, чтобы их было возможно одновременно установить на нужных уровнях и поддерживать выбранные значения в течение опыта. В начале полного факторного эксперимента кодируются необходимые факторы. При кодировании необходимо линейно преобразовать факторное пространство, перенести начало координат в центр эксперимента и отмасштабировать оси в единицах изменения факторов[25,62]. По формуле (4.3) производится кодирование факторов. ЄІ - натуральное значение интервала варьирования; х, - натуральное значение фактора при нулевом уровне; ЄІ - натуральное значение интервала варьирования. Натуральное значение интервала варьирования рассчитывается по формуле где; xt - натуральное значение фактора на нижнем уровне; Xj - натуральное значение фактора на верхнем уровне. В матрице планирования эксперимента изменение факторов на двух уровнях записывается: верхний уровень знаком ( + ) , нижний уровень знаком ( - ). Запись уровней и интервалов варьирования, для трех факторов, приведена в таблице 4.1. Построен план полного факторного эксперимента типа 2 таблица 4.2.
В первом столбце матрицы планирования эксперимента вносятся номера опытов, количество которых определяется из условия N = 2 , в нашем случае N = 2 = 8. Во втором столбце вносят кодированное значение фиктивной переменной х0. Фиктивная переменная дает оценку величины свободного члена Ь0 в уравнении регрессии. Уровни всех факторов указываются в следующих столбцах в закодированном виде. Значение критерия оптимизации , который определяется экспериментально по результатам опытов вносят в последний столбец. Чтобы исключить влияние систематических ошибок, которые вызваны внешними условиями, полный факторный эксперимент предусматривает наличие случайности в последовательности опытов во времени[63, 79].
В результате проведения полного факторного эксперимента типа 2 находят значения коэффициентов уравнения регрессии. Также находят значение свободного члена и коэффициентов, которые характеризуют эффекты взаимодействия факторов всех порядков и линейные эффекты.
По полученному значению линейных коэффициентов можно сделать вывод о степени влияния отдельных факторов на величину критерия оптимизации. Чем выше значение линейного коэффициента соответствующего фактора, тем сильнее его влияние на критерий оптимизации[7, 51]. Важное значение имеет знак линейных коэффициентов: если коэффициент Ы имеет отрицательный знак, то уменьшение соответствующего фактора должно способствовать уменьшению значения критерия оптимизации, и наоборот.
Ошибка эксперимента определяется по следующей формуле (4.6): где а у- ошибка эксперимента или среднеквадратичное отклонение; yjk - выход -го дублирования j-го опыта; у - число дублирований каждого опыта. С помощью критерия Кохрена проводится проверка воспроизводимости опытов: если Орасч Отабл, то опыты равноточны. Отабл - табличное значение критерия Кохрена находили по таблицам математической статистики [75] для 10 % уровня значимости, в соответствии количеством дублирований выполненных опытов у и с количеством опытов N.
Проверку значимости каждого из коэффициентов регрессии проводили с помощью критерия Стьюдента согласно неравенству Ь, а { bt} t. Если значение коэффициента регрессии йг больше произведения а { Ь,} t, то он является значимым. Коэффициент Стьюдента t находили также по таблицам математической статистики [12] при уровне значимости 10 % и/ = N(y - 1).
Проверку адекватности полученного уравнения проводили с помощью критерия Фишера согласно неравенству Fma6n FpaC4. В случае если расчетное значение коэффициента Фишера меньше табличного, то уравнение адекватно. Табличное значение критерия Фишера Fmafa находили из таблиц математической статистики [8,9] для 10% уровня значимости при/} = (N- п - 1) и/?= (у - 1). где п - число переменных факторов.
Адекватность и значимость коэффициентов регрессии является основой для анализа полученной математической модели. Если модель получается неадекватной, то нужно уточнять факторное пространство эксперимента: интервалы варьирования, место нулевой точки и провести опыты при новых условиях. В качестве факторов при выполнении полного факторного эксперимента ти-па 2 выбраны: частота вращения вала смесителя; время смешивания; угол образующей конуса отбойника. Для каждого из факторов нами выбраны нулевой уровень и интервал варьирования, остальные конструктивные параметры центробеж-но-лопастного смесителя стабилизированы (таблица 4.1). Технологические параметры быстрорастворимого гранулированного напитка соответствуют установленным значениям для поточной линии. Результаты обработки полного факторного эксперимента представлены в форме регрессионных уравнений. Таблица 4.1- Уровни факторов и интервалы варьирования
