Введение к работе
Актуальность работы. Сахарный комплекс занимает важное место в структуре АПК России, является высокоиндустриальным и энергоемким производством.
Анализ экономического состояния развития сырьевой базы и наличия производственных мощностей свеклосахарного производства показывает нарушение принципа сбалансированного развития: дефицит производственных мощностей составляет более 50 тыс. тонн переработки свеклы в сутки. Потребности населения и перерабатывающей промышленности в белом сахаре за счет собственного производства удовлетворяются только на 53–59 %.
Отраслевая целевая программа "Развитие свеклосахарного подкомплекса России на 2010-2012 годы" направлена на укрепление российского рынка сахара и предусматривает решение следующих задач:
– строительство новых, реконструкция и техническое перевооружение существующих сахарных заводов на основе инновационных и ресурсосберегающих технологий и аппаратуры;
– вовлечение в хозяйственный оборот вторичных ресурсов, получаемых при переработке сырья;
– формирование организационно-экономических механизмов в сфере производства, заготовки и переработки сахарной свеклы.
Актуальным направлением в работе сахарных заводов является снижение расхода материальных ресурсов, которые в значительной степени отражаются на себестоимости готовой продукции.
Решение этих задач требует адаптации сахарного производства к условиям мировой конкуренции на основе развития и внедрения новых высокоэффективных технологий, повышения уровня продовольственной безопасности страны путем наращивания объемов производства отечественной продукции, а также рационального использования основных и вторичных ресурсов.
Эффективность функционирования свеклосахарного комплекса требует оптимизации всего технологического цикла производства продукции – от приемки свеклы на сахарные заводы до завершающего этапа ее переработки с получением конечного продукта - белого сахара. Это возможно путем реализации принципов системного подхода на всех стадиях технологического процесса с целью его оптимизации, повышения выхода и качества выпускаемой продукции, уменьшения потерь сахарозы в производстве, снижения материальных и энергетических затрат.
В связи с этим разработка научных основ и способов реализации высокоэффективных технологий переработки сахарной свеклы, предусматривающих рациональное использование сырьевых и материальных ресурсов, является актуальной.
Значительный вклад в развитие теории и практики свеклосахарного производства внесли выдающиеся ученые: Силин П.М., Сапронов А.Р., Бобровник Л.Д., Рева Л.П., Бугаенко И.Ф., Даишев М.И. Проблемами совершенствования технологического обеспечения и аппаратурного оформления процессов отрасли активно занимаются Тужилкин В.И., Спичак В.В., Славянский А.А., Молотилин Ю.И., Лосева В.А., Голыбин В.А., Сидоренко Ю.И., Решетова Р.С., Чернявская Л.И., Олянская С.П., Хомичак Л.М. и др.
Научная работа выполнена в рамках Федеральной целевой программы Министерства образования и науки РФ "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007 - 2012 годы" (Постановление Правительства Российской Федерации от 17 октября 2006 г. N 613), Отраслевой целевой научно-технической программы Министерства сельского хозяйства РФ «Развитие свеклосахарного подкомплекса России на 2010-2012 годы» (приказ Минсельхоза России от 23 октября 2009 г. № 501), в соответствии с планом госбюджетной научно-исследовательской работы кафедры технологии сахаристых веществ Воронежской государственной технологической академии.
Цель и задачи диссертационной работы. Цель работы – научное обоснование условий и параметров технологических процессов получения и очистки сахарсодержащих растворов, обеспечивающих снижение затрат материальных ресурсов, повышающих качество и выход готовой продукции.
Для достижения поставленной цели решены следующие основные задачи, вытекающие из современного состояния отрасли:
– проведение диагностики традиционной технологии свеклосахарного производства и определение основных направлений совершенствования технологических процессов, обеспечивающих рациональное использование материальных ресурсов, увеличение выхода и повышение качества белого сахара;
– изучение кинетических закономерностей совместной растворимости гидроксида и карбоната кальция и обоснование области изменения технологических параметров, обеспечивающих максимальное содержание осаждающего агента для различных групп несахаров диффузионного сока и снижение затрат реагентов на процессы известково-углекислотной очистки (ИУО) сахарсодержащих растворов;
– обоснование влияния технологических параметров на формирование структуры дефекосатурационных осадков, их адсорбционные и фильтрационно-седиментационные показатели с целью установления оптимальных технологических режимов, обеспечивающих повышение качества продуктов и снижение расхода известняка и топлива по заводу;
– научное обоснование новых технологических решений при получении и очистке сахарсодержащих растворов и аппаратуры для их реализации;
– разработка системы управления технологическим процессом свеклосахарного производства для обеспечения его стационарности и диагностики причин нарушения этого состояния;
– оптимизация основных технологических операций получения сахара из свеклы по технико-экономическим показателям;
– апробация предлагаемых способов получения и очистки диффузионного сока, подтверждающая их реальную эффективность по сокращению материальных ресурсов.
Научная концепция: разработка научных основ управления сложными технологическими процессами сахарного производства, высокоэффективных технологических приемов получения и очистки сахарсодержащих растворов с соответствующим аппаратурным оформлением на основе анализа основных кинетических закономерностей и математического моделирования, обеспечивающих увеличение выхода белого сахара и рациональное использование материальных ресурсов.
Научные положения, выносимые на защиту:
– разработка проблемно-ориентированных методов анализа и принятия решений по управлению сложными технологическими системами для обеспечения стабильного качества продукции;
– обоснование принципов ресурсосбережения за счет рационального использования материальных ресурсов предприятия;
– научное обоснование рациональных режимов технологических процессов, способствующих снижению удельных материальных затрат, увеличению выхода и повышению качества продукции;
– методологический подход к оптимизации производства сахара из свеклы по комплексным технико-экономическим показателям.
Научная новизна. Сформулирован концептуальный подход к определению равновесного состояния в известково-карбонатно-сахарозной системе, позволяющий получать оптимальную концентрацию осаждающих ионов кальция для протекания основных реакций известково-углекислотной очистки нечистых сахарсодержащих растворов, обеспечивающий повышение качества продуктов при снижении расхода реагентов на процессы очистки и затрат топлива на их получение.
Путем комплексного изучения структуры дефекосатурационных суспензий определены их свойства, которые использованы при разработке новых технологических приемов обработки сахарсодержащих растворов.
На основе кинетических закономерностей разработаны математические модели процессов:
– электрохимической активации экстрагента для извлечения сахарозы из свекловичной стружки;
– подготовки экстрагента комбинированным способом с применением электрохимического и химического воздействия;
– предварительной обработки диффузионного сока перед ИУО с использованием безреагентных способов;
– использования дефекосатурационных суспензий свеклосахарного производства для интенсификации технологических операций;
– получения и очистки клеровки тростникового сахара-сырца.
Решена задача оптимизации по повышению эффекта очистки и увеличению выхода готовой продукции при минимизации материальных затрат на производство, что позволило адаптировать технологический процесс к переработке сырья различного технологического достоинства.
Сформулирована и решена задача оценки стационарности технологического процесса свеклосахарного производства и причин выхода из этого состояния для принятия оперативных управленческих решений.
Практическая значимость и реализация результатов работы. Разработаны и научно обоснованы способы получения производственных сахарсодержащих растворов при переработке сахарной свеклы и тростникового сахара-сырца (пат. РФ № 2260622, 2260623, 2264470, 2314350) и устройства для их электрохимической обработки (авт. свид. № 1717637, пат. № 2183676, 2235132), позволяющие за счет комбинированного электрохимического воздействия снизить содержание несахаров в растворах перед ИУО, расход известняка и топлива на обработку.
Предложены способы очистки сахарсодержащих растворов (авт. свид. № 1602871, пат № 2244011), направленные на повышение качества и увеличение выхода готовой продукции.
Определены рациональные условия использования щелочных возвратов при очистке диффузионного сока. Усовершенствована конструкция отстойника (пат. № 2293119), позволяющего эффективно отделять суспензию с осадком несахаров перед основной дефекацией.
Установлены технологические параметры получения известково-карбонатных суспензий (рН, температура), обеспечивающие их высокие адсорбционные и фильтрационно-седиментационные свойства. Предложена и испытана авторская методика определения дисперсности частиц известково-карбонатных суспензий.
Разработан алгоритм диагностики текущего состояния сложной технологической системы с использованием структурно-параметрического моделирования, предложена методика выявления параметров, являющихся причиной выхода системы из стационарного состояния. Проведена опытная апробация полученных результатов Садовском сахарном заводе Воронежской области.
Проведены производственные испытания разработанных способов получения и очистки сахарсодержащих растворов на Эртильском, Рамонском и Золотухинском сахарных заводах.
Материалы диссертационной работы использовали при проведении теоретических и практических занятий по дисциплинам «Технология сахарного производства», «Управление технологическими процессами на основе математического моделирования», «Методы исследования свойств сырья и готовой продукции», «Физико-химические основы технологии», «Основы инженерного творчества и учебно-исследовательская работа студентов», «Водное хозяйство сахарных заводов», «Основы инженерного управления сахарного производства».
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Диссертационное исследование соответствует п. 1, 2, 5 паспорта специальности 05.18.05 – «Технология сахара и сахаристых продуктов, чая, табака и субтропических культур».
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на международных и региональных научно-практических конференциях и семинарах (Москва, 2001, 2005-2006), (Курск, 2002-2003, 2007-2009), (Орел, 2004), (Псков, 2009), (Брянск, 2009), (Новосибирск, 2002), (Тамбов, 1996), (Яготин, 1989), (Воронеж, 1990, 1996-1997, 1999, 2004, 2009-2010), отчетных научных конференциях ВГТА (1993-2011).
Публикации. По материалам работы опубликованы 113 научных работ, в том числе 23 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ для опубликования материалов докторских диссертаций, 2 монографии, 3 учебных пособия с грифом УМО ТПП и ПИ, 11 авторских свидетельств и патентов РФ на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 398 страницах, состоит из введения, семи глав, основных выводов и результатов, списка литературы, включающего 482 наименования, содержит 158 рисунков и 123 таблицы.
