Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор 14
1.1 Способы окатывания дисперсных материалов 14
1.2 Характеристика работы тарельчатых грануляторов 15
1.3 Кинетика и механизм процесса гранулообразования .27
1.4 Комкуемость дисперсных материалов 35
1.5 Постановка задачи исследования .43
Глава 2. Идентификация процесса гранулирования инстантированных дисперсных материалов в тарельчатых грануляторах с активатором 45
2.1 Разработка математической модели процесса .45
2.2 Результаты идентификационных экспериментальных исследований 59
2.3 Алгоритмы параметрической идентификации математической модели гранулирования дисперсных материалов 62
2.4 Выводы по второй главе .81
Глава 3. Оптимизация конструктивно-режимных параметров гранулирования дисперсных материалов в тарельчатых грануляторах активатором 82
3.1 Разработка методики количественной оценки комкуемости и влажности дисперсных метериалов 83
3.2 Определение оптимального значения показателя комкуемости влажных дисперсных материалов 89
3.3 Постановка задачи оптимизации конструктивно-режимных параметров тарельчатых грануляторов с активатором 94
3.4 Разработка алгоритма поиска оптимальных конструктивно-режимных параметров гранулятора 104
3.5 Выводы по третьей главе 107
Глава 4. Повышение эффективности управления процессом гранулирования инстантированных дисперсных продуктов в тарельчатых грануляторах с активатором 109
4.1 Постановка задачи оптимального управления гранулятором 109
4.2 Разработка алгоритма поиска оптимальных режимов гранулирования дисперсных продуктов 113
4.3 Разработка системы управления гранулированием полидисперсных продуктов в производственных условиях 119
4.4 Выводы по четвертой главе 120
Выводы 121
Список использованной литературы 122
- Характеристика работы тарельчатых грануляторов
- Результаты идентификационных экспериментальных исследований
- Определение оптимального значения показателя комкуемости влажных дисперсных материалов
- Разработка алгоритма поиска оптимальных режимов гранулирования дисперсных продуктов
Введение к работе
Актуальность темы.
Последние годы характеризуются расширением производств, совершенствованием технологий и увеличением ассортимента концентратов в виде быстрорастворимых или быстро восстанавливаемых сухих порошкообразных смесей для напитков. Их производство в России сдерживается низкой производительностью стадии гранулирования этих смесей. Использование тарельчатых грану-ляторов с активатором позволяет повысить производительность данной стадии. Однако для достижения максимальной производительности таких грануляторов необходим поиск оптимального соотношения между диаметром, углом наклона, скоростью вращения и высотой борта тарели, конструктивными и режимными параметрами активатора для каждой группы сырьевых смесей, обладающих своими технологическими особенностями (составом, комкуемостью, влажностью, насыпной плотностью и т. д.).
Наименее затратным и эффективным методом решения задачи поиска оптимальных конструктивно-режимных параметров гранулятора является математическое моделирование и исследование процесса с использованием современной компьютерной техники. Поэтому разработка математических моделей процесса гранулирования инстантированных полидисперсных смесей в тарельчатых грануляторах с активатором, оптимизация его параметров является важной и актуальной задачей. Решение этой задачи позволит существенно сократить затраты труда и времени на определение оптимальных конструктивных и режимных параметров данных грануляторов для разных составов сырьевых смесей.
Степень разработанности темы. Вопросами теории и практики процесса гранулирования окатыванием занимались такие ученые как Витюгин В.М, Классен П.В., Гришаев И.Г.,. Коротич В.И., Лотов В.А., Попов А.М., Ефименко Г.Г., Губин Г.В., Бережной Н.Н., Севостьянов В.С., Коршиков Г.В. Тарьян З., H.Rumpf, Kortman,M.Wada и др. На основании их исследований были созданы методики расчета грануляторов, подбор технологических режимов, однако, как правило, всё это относится к формованию гранул для химической и железорудной промышленности и, практически нет исследований по гранулированию пищевых продуктов.
Анализ опубликованных научных работ по использованию тарельчатых грануляторов для окомкования инстантированных полидисперсных смесей показывает, что для повышения эффективности данного процесса необходимо проведение его дальнейших исследований и решение задачи оптимизации конструктивно-режимных параметров тарельчатого гранулятора с активатором для определенной группы дисперсных смесей, характеризуемых близкими структурно-механическими свойствами и технологическими характеристиками.
Цель работы. Целью настоящей работы является изучение процессов структурообразования гранул, разработка математических моделей, оптимизация процессов структурообразования и классификации гранулированных напитков быстрого приготовления.
Задачи исследований:
Экспериментальное исследование динамики процесса гранулирования полидисперсных смесей в тарельчатом грануляторе с активатором.
Разработка математической модели процесса гранулирования полидисперсных смесей в тарельчатом грануляторе с активатором.
Параметрическая идентификация математической модели.
Оптимизация конструктивно-режимных параметров тарельчатого гранулятора с активатором.
Разработка системы оптимального управления участком гранулирования полидисперсных смесей, оснащенного тарельчатыми грануляторами с активатором.
Научная новизна заключается в следующем: - Предложена рабочая гипотеза процесса гранулирования полидисперсных материалов в тарельчатом грануляторе с активатором, отражающая его стохастическую природу.
Разработана математическая модель кинетики процесса структурообра-зования, включающая в себя две системы дифференциальных уравнений Колмогорова А.Н. и совокупность уравнений, связывающих интенсивность гранулирования полидисперсной смеси с конструктивно-режимными параметрами гранулятора и технологическими характеристиками смеси.
Разработана процедура и алгоритмы параметрической идентификации математической модели динамики процесса гранулирования инстантированных дисперсных смесей в тарельчатых грануляторах с активатором.
Выполнена постановка и решение задачи оптимизации конструктивно-режимных параметров тарельчатого гранулятора с активатором.
Разработана система оптимального управления процессом гранулирования инстантированных дисперсных смесей в производственных условиях.
Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость работы заключается в следующем:
- Экспериментально исследована динамика процесса гранулирования по
лидисперсной смеси определенного состава, в результате этого получены гра
фики изменения гранулометрических составляющих смеси во времени.
- Разработана математическая модель гранулирования полидисперсных
смесей в тарельчатом грануляторе с активатором, отражающая стохастическую
природу процесса и позволяющая отслеживать динамику изменения грануло
метрического состава смеси.
Разработаны алгоритм и программа параметрической идентификации математической модели гранулирования полидисперсных смесей в тарельчатом грануляторе с активатором.
Выполнена математическая постановка задачи оптимизации конструктивно-режимных параметров тарельчатого гранулятора с активатором и разработан алгоритм поиска этих параметров.
Практическая значимость состоит в том, что:
- Разработанная математическая модель процесса гранулирования поли
дисперсных смесей в тарельчатом грануляторе с активатором, алгоритмическое
и программное обеспечение позволяют достаточно оперативно решать задачи поиска оптимальных конструктивно-режимных параметров грануляторов для каждой группы сырьевых смесей, обладающих своими технологическими особенностями и составом.
- Разработана система оптимального управления участком гранулирова
ния инстантированных дисперсных смесей для ООО НПО «Здоровое питание»
(акт внедрения), где в ходе испытаний доказана эффективность и адекватность
теоретических положений работы, выносимых на защиту.
Личный вклад автора. Автору принадлежит основная роль в постановке задачи, планировании и проведении исследований, интерпретации и обобщении полученных результатов. Основные исследования проведены автором лично. В работах, выполненных в соавторстве, личных вклад автора заключается в непосредственном участии на всех этапах исследования.
Апробация работы. XXII и XXV международная научная конференция «Математические методы в технике и технологиях – ММТТ (Псков – 2009, Саратов – 2012), международная научно-практическая конференция «Дни науки» (Прага - 2012), 3 Всероссийских конференции (Кемерово – 2009, 2010, 2011).
Научные положения, выносимые на защиту:
- Обобщенные экспериментальные результаты по исследованию динамики
процесса гранулирования в тарельчатом грануляторе с активатором полидис
персной смеси, включающей в себя: шрот клюквы, деминерализованную под-
сырную сыворотку, сахарную пудру, картофельный крахмал, премиксы.
- Математическую модель кинетики процесса структурообразования,
включающую в себя две системы дифференциальных уравнений Колмогорова
А.Н. и совокупность уравнений, связывающих интенсивность гранулирования
дисперсной смеси с конструктивно-режимными параметрами гранулятора и
технологическими характеристиками смеси.
- Алгоритмы параметрической идентификации математической модели
динамики процесса гранулирования инстантированных дисперсных смесей в
тарельчатых грануляторах с активатором.
- Постановку и решение задачи оптимизации конструктивно-режимных па
раметров тарельчатого гранулятора с активатором.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, из них 2 в журналах рекомендованных ВАК и 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, выводов, перечня использованной литературы из 138 наименований. Основной текст изложен на 133 страницах. Диссертация содержит 11 таблиц и 24 рисунка.
Характеристика работы тарельчатых грануляторов
Известно большое количество конструктивных модификаций тарельчатых грануляторов, отличающихся формой тарели, организацией движения гранулиру 16 емого материала, относительными размерами конструкционных элементов гра-нуляторов [10, 11, 15, 26, 113]. Как правило, тарель имеет плоское днище, которое наклонено под некоторым углом к горизонту и борт, которые при работе гранулятора покрыты слоем гарниссажа, состоящего из гранулируемого продукта. Высота гарниссажа и состояние его поверхности поддерживается на одном уровне специальными ножами. Поле центробежных и гравитационных сил, обеспечивающих окатывание влажного дисперсного материала, создается регулируемой скоростью вращения таре-ли . Эффективность гранулирования дисперсных продуктов в тарельчатых грануляторах определяется режимными, технологическими и конструкционными параметрами. К режимным (регулируемым) параметрам относятся: скорость вращения та-рели, угол ее наклона, место поступления гранулируемого материала, место подачи жидкой связки в рабочую зону тарели. Основными конструкционными параметрами являются диаметр днища и высота борта тарели.
Качественные показатели исходного материала и готовых гранул относятся к технологическим параметрам. Качество гранулируемой дисперсной смеси включает в себя физические, механические, химические свойства гранулята: крупность и форма частиц, гранулометрический состав, насыпной вес, гидро-фильность, качество и количество жидкой фазы в гранулируемом материале. Обычно качество, полученного гранулята оценивают по размеру и прочности гранул.
Основным параметром, характеризующим эффективность гранулирования является производительность гранулятора при заданном качестве гранул. Исследованию влияния различных факторов на эффективность работы тарельчатых грануляторов посвящено достаточно много работ [10, 15, 17, 22, 23, 26, 42, 93, 101,102, 108, 116]. Но, как справедливо указано в [54], очень трудно и практически невозможно, сравнивать результаты, полученные разными исследователями, поскольку в каждом случае использовались различные материалы, а грануляторы имели существенные конструкционные отличия. Уравнение предельных размеров (диаметра) частиц дисперсного материала (1.1), через которые перекатываются гранулы, было выведено Тарьяном [135]. Это одно из первых фундаментальных исследований процесса гранулирования дисперсных материалов, при котором рассмотрены условия роста и уплотнения гранул в процессе окатывания. J i-iu i/ujz-mwigi і /1 1 2r(l-cos2arctgf) l + cos2arctgf где dкр - критический диаметр частицы дисперсного материала; г - радиус гранулы; f - коэффициент трения.
Отношение b=r/dкр (по Тарьяну) изменяется до 12,5 и зависит от величины коэффициента трения f. Исходя из этого условия (1.1), при режиме переката частицы, меньшие, чем r/b, будут проникать в скопление зерен поверхности гранул. В результате этого гранулы будут уплотняться за счет энергии ускоряющего толчка, который также будет влиять и на форму гранулы. Зародыши гранул [135] образуются из маленьких неравномерных комочков порошка, склеивающихся благодаря большому количеству влаги. Они будут накатываться до тех пор, пока не получат форму шара под воздействием ударов других частиц и гранул. При уплотнении из гранул удаляется воздух, а избыток влаги выжимается на поверхность гранулы. Давление, возникающее при уплотнении гранул (F) в режиме переката через частицу рассчитывается по уравнению (1.2). F = — yV 2-(l + -) (1.2) 3q d d где F - давление при уплотнении гранул; - удельный вес шарика; V - скорость движения шарика. Данное давление меняется от 1000 до 10000 атмосфер и зависит от скорости перемещения гранул и от соотношения размеров первоначальных частиц и гранул. Необходимо заметить, что рассчитанная величина давления не согласуются с малой энергоемкостью процесса окатывания и не соответствует действительному механизму гранулообразования. Результаты определения давления при формировании гранул приведены в источнике [102], в котором сравниваются величины давления, полученные при окатывании и прессовании дисперсных продуктов. Установлено, что реальные величины давления при формировании гранул лежат в пределах от 3 до 20 атмосфер. При этом плотность гранул, достигнутая в процессе окатывания, равнялась плотности спрессованного брикета, полученного при давлении 950 - 1000 атмосфер. При этом было установлено, что при прессовании частицы разрушаются, а при гранулировании окатыванием дисперсность материала остается неизменной. Из этого можно сделать вывод, что высокая плотность гранул получается в результате упорядоченной укладки зерен в процессе скатывания влажного материала, и это происходит при сравнительно малых давлениях и длительности процесса в 6 - 11 минут. Первые отечественные тарельчатые грануляторы с диаметром тарели в 500 мм и 1000 мм были спроектированы Гипроцементом в 1952 г. Е.И.Ходоров и В.А.Нелидов [116] испытывая эти грануляторы, установили, что размер и прочность гранул изменяются при варьирования высоты борта тарели и ее наклона. При этом производительность гранулятора может оставаться неизменной. Они [116] установили, что чем меньше высота борта тарели и больше ее угол наклона, тем больше должна быть е скорость вращения. Также они сделали вывод, что нижний предельный угол наклона тарели равен углу естественного откоса увлажненного не гранулированного материала. Ими [116] были предложены эмпирические зависимости (1.3, 1.4), устанавливающие связь высоты борта тарели и производительности гранулятора с диаметром тарели. H = 0,1D2, (1.3) Q = 0,35D4p, (1.4) где Н - высота борта тарели, м; D - диаметр тарели, м; Q - производительность гранулятора, кг/час; - насыпная плотность гранул, кг/м3. Приведенные уравнения были получены для сравнительно узкого диапазона изменения диаметра тарели. Дальнейшие исследования [20, 55] показали, что полученные выражения нельзя применять даже при приближенных расчетах. В.Питч [113] приводит подробный анализ априорной информации о работе тарельчатых грануляторов. Он предложил взять за основной показатель эффективности работы тарели - свойства получаемого гранулята, при этом все факторы, определяющие эффективность, он разбил на две группы. В первую группу он предложил отнести факторы, которые нельзя менять в процессе гранулирования. Эти факторы формируются при подготовке комкуемого материала к гранулированию. В эту группу вошли: свойства твердой фазы (минералогический и гранулометрический состав частиц), свойства жидкой фазы (поверхностное натяжение), краевой угол смачивания. Во вторую группу были отнесены факторы, которые можно изменять в процессе гранулирования: пористость, прочность, размер, влажность получаемых гранул. Что, касается первой группы факторов, то их можно отнести к проблеме склонности комкуемой дисперсной смеси к окатыванию.
Результаты идентификационных экспериментальных исследований
Для параметрической идентификации математической модели, представленной в разделе 2.1, были проведены специальные экспериментальные исследования динамики процесса гранулирования поли дисперсных материалов в тарельчатых грануляторах с активатором. При проведении экспериментального исследования использовалась дисперсная смесь, включающая в себя: шрот клюквы (20%); деминерализованную подсырную сыворотку (40%); сахарную пудру (20%); картофельный крахмал (5%); УСТФ (10%); премиксы (5%). Конструктивно-режимные параметры гранулирования имели следующие значения: - диаметр тарели (D) - 800 мм; - высота борта тарели (Н) - 100 мм; - угол наклона тарели (а) - 45 град.; - скорость вращения тарели (N) - 45 об/мин.; - диаметр вращения лопастей активатора (d) - 60 мм; - высота лопасти (h) - 50 мм; - ширина лопасти (а) - 10 мм; - скорость вращения активатора (п) - 2200 об/мин; - коэффициент комкуемости полидисперсного материала (К) - 0,7; - влагосодержание полидисперсного материала, поступившего на гранулирование (Wm) - 8%; - расход влаги, поступающей в форсунку (F) - 0,12 кг/мин; - вес исследуемой партии полидисперсного материала, перед гранулированием (G) - 30 кг; - интервал определения гранулометрического состава смеси при проведении экспериментального исследования (At) - 1 мин; - интервал времени, через который происходило распыление влаги через форсунку в процессе гранулирования материала (Atw) - 1 мин.
Гранулометрический состав продукта оценивался методом ситового анализа с учетом международных стандартов ИСО/Р -565 -ТС-24 «Сетки металлические, тканые и пластины перфорированные для лабораторных сит, номинальные отверстия» и СЭВ РС -1174/17 «Испытания материалов. Ситовой анализ состава зернистых материалов». Для анализа использовали набор из четырех стандартных сит (отверстия диаметром 0,25; 0.5; 1,0; 3,0 мм). В результате исследования был сформирован массив данных, характеризующих динамику процесса (таблица 2.1). Методика проведения экспериментального исследования приведена в приложении А.
На основании данных нормальной эксплуатации тарельчатого гранулятора с активатором, а также специально проведенных экспериментальных исследований, был сформирован массив данных по влиянию конструктивно-режимных параметров аппарата и характеристик исходного продукта на гранулометрический состав смеси, получаемой после окончания процесса гранулирования (таблица 2.2). Для ситового анализа использовали набор из двух стандартных сит (отверстия диаметром 1,0 и 3,0 мм). При этом определялось количество готового продукта с гранулометрическим составом (1 – 3 мм), относительное количество гранул диаметром больше 3 мм и меньше 1 мм. Для режимов с влажностью полидисперсной смеси больше 11% на днище и стенках тарели оставался гарнисаж. В таблице 2.2 вероятность состояния полидисперсного продукта в виде гранул меньше 1мм и гарни-сажа объединена в одну группу (Рос).
Как известно, процедура параметрической идентификации математической модели технологического объекта представляет собой поиск таких значений параметров (коэффициентов) модели, которые обеспечивают наилучшую близость переменных объекта и модели при одних и тех же исходных данных [2, 49].
Процедура параметрической идентификации процесса гранулирования полидисперсных продуктов была разбита на ряд этапов. Необходимость данного подхода обусловлена большим количеством параметров (более 40 коэффициентов) и тем, что для параметрической идентификации были использованы два массива экспериментальных данных: - первый массив характеризует динамику процесса гранулирования, при этом все конструктивно-режимные параметры тарели, активатора, комкуемость и исходная влажность продукта остаются неизменными для всех экспериментальных результатов, входящих в массив; - второй массив включает в себя экспериментальные данные, характеризующие гранулометрический состав готового продукта, полученный после завершения процесса гранулирования, при этом каждый опытный результат отличается от других, хотя бы одним конструктивно-режимным параметром или характеристикой исходной полидисперсной смеси. На первом этапе в уравнениях, связывающих интенсивности переходов гранулируемого продукта с факторами, влияющими на процесс, были выделены коэффициенты (K12 –K67), условно названные коэффициентами динамики. Их значения находились с использованием первого массива экспериментальных данных (таблица 2.1). Также были определены и заданы остальные константы и коэффициенты (условно названные параметрическими коэффициентами и константами), входящие в уравнения (2.7 – 2.20): - минимальный диаметр тарели (Dm) – 0,6 м.; - минимальная линейная скорость частицы, сходящей с лопасти активатора (Vm) – 290 м/мин.; - минимальное значение коэффициента комкуемости (Km) – 0,6; - коэффициенты, связывающие интенсивность перехода полидисперсного материала в зародыши и в гранулы с линейной скоростью схода частиц с лопастей активатора: Kv2= 0,01; Kv3=0,01; Kv4=0,005; Kv6=0,002 (1/сек); - коэффициенты, связывающие интенсивность перехода полидисперсного материала в зародыши и в гранулы с активной площадью активатора: Kp2 – 100,0; Kp3=100,0; Kp4=100,0; Kp6=10,0 (об/м2 сек2); - коэффициент, связывающий интенсивность перехода полидисперсного материала из одного в другое состояние с влагосодержанием полидисперсного материала (Kw) – 0,00005 (1/% сек); - коэффициент, связывающий интенсивность перехода полидисперсного материала из одного состояние в другое с коэффициентом комкуемости (Kk) – 0,00003; - коэффициенты, связывающие интенсивность перехода полидисперсного материала из одного состояния в другое с параметрами тарели: Ки=0,008(м/сек); Kt2=0,007(1/м сек); К13=0,03(1/м сек); Kt4=0,04; Kt5=0,02; К16=0,03(1/м сек); - коэффициент, связывающий интенсивность перехода крупных гранул полидисперсного материала в зародыши и мелкие гранулы со скоростью вращения лопастей активатора (Кп) - 2,0 (1/сек); - коэффициент, связывающий интенсивность перехода крупных гранул полидисперсного материала в зародыши и мелкие гранулы с активной площадью лопастей активатора, разрушающего крупные гранулы (Ks) - 4,0 (м2 сек); - коэффициент, зависящий от расстояния между донными и бортовыми но жами и поверхностью тарели (KG) - 0,6 (кг); - коэффициент, связывающий относительную скорость вращения активатора с интенсивностью перехода гранул из состояния «4» в состояние «7» (Ку) - 0,5 (1/сек). - коэффициент заполнения тарели (Kz) - 0,56; - весовой коэффициент, определяющий значимость j-ого экспериментального значения вероятности продукта (а}) в выражении (2.21) на первом этапе исследования - 1.
Остальные постоянные величины (G, Wm, F, D, n, N, d, h, а, К) взяты из раздела 2.2. Определение минимальной линейной скорости частицы, при которой начинается процесс образования зародышей, проводилось на основании результатов экспериментального исследования процесса гранулирования полидисперсного материала, указанного состава и конструктивных размеров активатора (диаметра вращения, ширины и высоты лопастей). При этом экспериментально была определена минимальная скорость вращения активатора, при которой наблюдалось заметное появление зародышей гранул, а затем с использованием выражения (2.2) вычислялась минимальная линейная скорость частицы. Полученное значение скорости подтвердилось и теоретическими расчетами, которые проводились в соответствии со следующими условиями и допущениями: - при столкновении двух частиц в точке их соприкосновения возникает давление не менее 5 МПа; - из многокомпонентной смеси полидисперсного продукта выбирается материал с минимальным удельным весом (шрот клюквы); - 90 % кинетической энергии столкнувшихся частиц переходит в потенциальную энергию, которая расходуется на работу, совершаемую при пластической деформации (слипании) этих частиц, а 10% - в кинетическую энергию зародыша; - ввиду сложной формы частиц полидисперсного материала принимается, что диаметр площади соприкосновения двух частиц в момент их столкновения равен 0,1 части диаметра этих частиц; - так как нижняя часть лопастей активатора расположена в достаточно плотном слое исходного мелкодисперсного материала предполагается, что линейная скорость всех частиц, сходящих с лопасти активатора, одинакова и зависит от скорости вращения рабочего органа активатора и его радиуса.
Определение оптимального значения показателя комкуемости влажных дисперсных материалов
В результате экспериментальных исследований процесса гранулирования ин-стантированных полидисперсных продуктов установлено, что комкуемость дисперсного материала существенно влияет на удельную производительность тарельчатого гранулятора. Так в работах [100, 111] показано, что изменение показателя комкуемости на 0,07 (с 0,56 до 0,63) позволило увеличить производительность гранулятора с 50 до 75 кг/час. Таким образом, повышая комкуемость материала можно существенно повысить производительность тарельчатого гранулятора и, как следствие, снизить себестоимость готового гранулята.
Анализ априорной информации по гранулированию инстантированных полидисперсных продуктов [1, 6, 11, 16, 55, 100, 101, 102, 113] показывает, что основ 90 ными направлениями повышения показателя комкуемости данных продуктов являются: - введение в смесь технологических добавок; - увеличение дисперсности основного компонента смеси (тонины измельчения) на стадиях его подготовки к окомкованию. Экспериментальное исследование по влиянию технологических добавок на показатель комкуемости полидисперсной смеси [99] показывает, что введение в смесь ультрадисперсной составляющей твердой фазы (в дальнейшем – УСТФ), концентрированной молочной сыворотки приводит к увеличению данного показателя, а введение крупнодисперсного порошка шрота – к его уменьшению.
УСТФ обладает наиболее развитой поверхностью и, следовательно, наибольшей поверхностной активностью. Она представляет собой тонкие полуколлоидные и коллоидные фракции, которые концентрируется в жидкой фазе, образуя поровую суспензию. Контактные прослойки суспензии представляют собой пластичную массу, которая обеспечивает пластический сдвиг жестких каркасных зерен. Именно поэтому при гранулировании тонкозернистых концентратов в сырьевые смеси обязательно вводят небольшие количества поверхностно-активных суспензий, которые обеспечивают образование коагуляционных структур в поро-вой структуре гранул [85, 86].
Если по какой-либо причине нет возможности увеличивать количество добавок в смесь, то можно увеличить комкуемость основного компонента смеси, увеличив его дисперсность. Однако такой путь повышения комкуемости является очень энергоемким[102].
Исходя из этого, можно сформулировать задачу поиска оптимального значения показателя комкуемости, при котором сумма затрат, связанных с повышением дисперсности основных ингредиентов комкуемой смеси, с приобретением и вводом добавок в смесь, с гранулированием полидисперсной смеси, будет минимальной. Данный критерий оптимальности (3.7) может иметь экстремум (минимум), так как увеличение дисперсности исходного материала и увеличение техно 91 логических добавок будет приводить к росту комкуемости смеси (и росту затрат), а это, в свою очередь, снижает затраты на процесс гранулирования смеси. сгдг+Згр; тт (3.7) г=1 где сГ стоимость одного килограмма і–го ингредиента смеси, руб./кг.; st - доля і–го ингредиента в одном килограмме гранулируемой смеси; п - количество ингредиентов в составе гранулируемой смеси. Стоимость ингредиентов, измельчаемых на стадии подготовки смеси к гранулированию (шрота и т.д.) будет зависеть от затрат, связанных с данной операцией. Поэтому повышение дисперсности данных ингредиентов будет приводить не только к увеличению коэффициента комкуемости, но и к росту их стоимости.
Первое слагаемое выражения (3.7) характеризует затраты, связанные с изменением состава гранулируемой смеси ( увеличение доли УСТФ или концентрированной молочной сыворотки приводит к уменьшению доли остальных ингредиентов в одном килограмме смеси и, как следствие, к увеличению комкуемости смеси и изменению ее стоимости).
Затраты на гранулирование полидисперсной смеси складываются из затрат на электроэнергию, на загрузку - выгрузку материала, на влагу и ее распыление, заработную плату обслуживающего персонала и другие статьи. Комкуемость материала влияет только на затраты электроэнергии. Исходя из этого, в выражении (3.1) затраты на гранулирование необходимо рассматривать как затраты на электроэнергию.
Задача поиска оптимального значения показателя комкуемости полидисперсной смеси формулируется следующим образом: необходимо определить такое количество и величину технологических добавок, вводимых в смесь и такую дисперсность (средний диаметр) ингредиентов смеси, которые позволят получить значение показателя комкуемости смеси, при котором затраты на измельчение ряда ингредиентов и гранулирование полидисперсной смеси в тарельчатых грануляторах с активатором будут иметь минимальное значение.
Разработка алгоритма поиска оптимальных режимов гранулирования дисперсных продуктов
Для определения оптимальных значений режимных параметров гранулятора в алгоритме поиска использовались следующие исходные данные. 1) Технологические характеристики поступившего на гранулирование по лидисперсного продукта: - коэффициент комкуемости полидисперсного продукта (К); - влажность продукта(\Ут); - насыпная плотность полидисперсного продукта (). 2) Величина ограничений на режимные и технологические параметры гра нулирования: - минимальный и максимальный выход готового продукта (РГ,РГ У 114 - максимальная влажность готового продукта (Wmax); - максимальное время гранулирования полидисперсного продукта (тгтх); - минимальная и максимальная скорость вращения тарели (JV JV ); - минимальный и максимальный угол наклона тарели («„,„,«_); - минимальная и максимальная скорость вращения активатора («„,«,„); - максимальный вес полидисперсного продукта, загружаемого в тарель (Gmax), определяемый по выражению (4.10). 3) Начальные значения искомых параметров: - угол наклона тарели (а„); - время гранулирования полидисперсного продукта (т"р); - вес полидисперсного продукта, загружаемого в тарель (GGmax).
В программе реализации алгоритма в виде постоянных величин заданы оптимальные значения конструктивных параметров гранулятора, найденные в подразделе 3.4. На рисунке 4.1 представлена блок-схема алгоритма. Листинг программы приведен в приложении Г. Перед началом гранулирования полидисперсных продуктов оператором участка, исходя из производственной ситуации, выбирается режим работы гранулятора (участка) - с минимальными энергетическими затратами или с максимальной производительностью. При режиме с минимальными энергетическими затратами поиск оптимальных значений режимных параметров гранулятора с активатором осуществляется в следующей последовательности. 1) При заданном начальном значении угла наклона тарели по выражению (2.28) находится ее скорость вращения. 2) По выражению (3.28) вычисляется расход влаги, поступающей в форсунку. 3) При минимальной скорости вращения активатора, минимальном времени гранулирования и указанных выше значениях технологических характеристик исходного полидисперсного продукта, по математической модели процесса (раздел 2) находится вероятность состояния продукта - Р7 . 4) Проверяется условие выполнения ограничения (3.21). 5) Если это условие выполняется, вычисляется значение критерия оптимальности (4.7). 6) Если условие ограничения (3.21) не выполняется, время гранулирования увеличивается на 1 минуту и при этом времени процедура поиска повторяется с пункта 2. 7) Рост времени гранулирования продолжается до тех пор, пока оно не достигнет своего верхнего ограничения (гmax). При этом запоминается то значение времени гранулирования, при котором выполнялось ограничение (3.21) и критерий (4.7) имел минимальное значение. 8) При полученном оптимальном времени гранулирования с шагом 10 об/мин. начинается последовательный рост скорости вращения активатора, с расчетом на каждом шаге вероятности P7 по математической модели процесса (раздел 2) и критерия (4.7). При этом запоминается то значение скорости, при котором данный критерий достигает минимального значения. Рост скорости вращения продолжается до его верхнего ограничения (nmax). 9) При полученном оптимальном времени гранулирования и скорости вращения активатора с шагом в один градус начинается рост угла наклона тарели. При этом из условия сохранения режима переката по выражению (2.28) находится скорость вращения тарели, по математической модели процесса вероятность P7 и значение критерия оптимальности (4.7). Значения скорости и угла наклона тарели запоминаются при минимальном значении критерия. 10) При полученном оптимальном времени гранулирования, скорости вращения активатора, скорости и угла наклона тарели оценивается влияние на величину критерия оптимальности (4.7) параметров прерывистого режима подачи влаги в тарель гранулятора. При неизменном общем расходе влаги, определяемом по выражению (3.28), с шагом в 0,5 минуты меняется длительность интервалов времени, при которых влага поступает в форсунку. При этом на каждом шаге находится вероятность P7 и критерий оптимальности (4.7). Тот режим подачи влаги, при котором было получено минимальное значение критерия, будет оптимальным.
При режиме с максимальной производительностью поиск оптимальных значений режимных параметров гранулятора с активатором осуществляется в той же последовательности, но в расчетах вместо выражения (4.7) используется критерий (4.9).
Участок гранулирования многокомпонентных, быстрорастворимых, сухих порошкообразных смесей для напитков включает в себя несколько тарельчатых грануляторов с активатором. Автоматизированная система управления участком имеет двухуровневую структуру. На верхнем уровне находится автоматизированное рабочее место (АРМ) технолога - оператора, созданное на базе персонального компьютера. Нижний (контроллерный - сенсорный) уровень включает в себя датчики угла наклона и скорости вращения тарели, скорости вращения активатора, блоки частотно-регулируемого привода тарели, активатора, дискретного управления насосом подачи влаги в форсунку, отсечной клапан на трубопроводе подачи влаги. Данные технические средства показаны в схемах управления тарельчатым гранулятором с активатором (приложение 5). Сбор информации о значениях режимных параметров гранулятора и управление пуско-регулирующей аппаратурой осуществляется микропроцессорными контроллерами, соединенными промышленной сетью между собой и автоматизированном рабочем месте технолога - оператора. Программа управления тарельчатым гранулятором с активатором, реализованная на контроллере ОВЕН ПЛК150, приведена в приложении Д.
Алгоритм управления процессом гранулирования включает в себя следующую последовательность операций: - технолог - оператор получает из аналитической лаборатории результаты анализа технологических параметров, поступившей на гранулирование партии полидисперсной смеси; - в зависимости от графика поставок готового продукта (или указаний руководства предприятием) технолог - оператор выбирает режим работы гранулятора (грануляторов) – по критерию (4.7) или (4.9); - технолог - оператор вводит исходные данные и выбранный режим работы гранулятора в ПК и запускает программу поиска оптимальных режимных параметров; - технолог - оператор анализирует, выведенные на экран монитора, значения режимных параметров, подает команду на передачу их по промышленной сети в соответствующий микропроцессорный контроллер (контроллеры) и дает команду производственному персоналу на загрузку гранулируемой дисперсной смеси заданного веса в тарель гранулятора; - получив информацию о готовности гранулятора к работе, подает команду на запуск процесса гранулирования полидисперсного продукта; - в процессе гранулирования технолог - оператор, по выводимой на экран монитора ПК информации, контролирует ход процесса; - после окончания заданного времени, процесс гранулирования полидисперсного продукта завершается, и на экран монитора ПК выводится соответствующая информация; - технолог - оператор дает производственному персоналу команду на выгрузку материала и подготовку гранулятора к следующему циклу работы.
