Математическое моделирование и управление процессом сушки барды

ВВЕДЕНИЕ

В процессе производства спирта из зернового сырья образуется зна-чительное количество отходов производства.
После стадии спиртового брожения и отгонки бражки при помощи ректификационных колонн, спирт переходит в парообразное состояние, а оставшаяся жидкая фракция, являясь отходной частью, в дальнейшем про-изводстве спирта не применяется.
Данная жидкая фракция получила название «послеспиртовая барда». Она является сложной полидисперсной коллоидной системой, сухие веще-ства которой находятся в виде взвесей или в растворенном состоянии. В состав взвесей входит дробина, состоящая из оболочек зерна, остатков растительных тканей, остаточных спиртовых дрожжей и т.д. Растворенные вещества включают в себя сахара, кислоты, декстрины, белковые и пекти-новые вещества, зольные элементы.
Утилизация послеспиртовой жидкой барды простейшими способами, такими как, слив отходов в вырытые ямы или сброс в промышленные сто-ки вызывает загрязнение окружающей среды, т.к. в результате брожения происходит закисление почвы и подземных вод.
Несмотря на то, что исследования, проведенные учёными Тамбов-ского государственного технического университета показали, что слив барды до определенного предела не наносит невосполнимого ущерба поч-ве полей фильтрации, так как в течение двух месяцев после слива наблюда-ется восстановление количественного и качественного составов микрофло-ры грунта, следует учесть, что при крупномасштабном производстве спирта под слив барды уходят большие территории [17].
Другим серьёзным недостатком сливного способа утилизации барды является то, что при этом уничтожается сырьё, которое при наличии соот-ветствующей технологии, может быть переработано в довольно ценный кормовой продукт для сельскохозяйственных животных.
Как уже неоднократно отмечалось специалистами, необходимость разработки технологического процесса переработки барды вызвана, прежде всего, соображениями охраны окружающей среды за счёт созда-ния малоотходного энерго- и ресурсосберегающего производства [18, 19].
Таким образом, проблема переработки послеспиртовой барды при-обретает большую экологическую значимость с ростом объемов произ-водства этилового спирта, в том числе из-за расширения его применения в качестве биотоплива.
Кроме того, барда обладает известной питательной и кормовой цен-ностью, поскольку именно в барде после переработки крахмалистых ком-понент на этанол остается весь белок зерна. Продукты на основе барды, содержащие протеин, легкоперевариваемые углеводы, витамины, микро- и макроэлементы широко применяются в сельском хозяйстве. В качестве кормовой добавки к рационам кормления сельскохозяйственных живот-ных, в частности КРС и свиней идеально подходит сухая барда (DDGS – Dried Distillers Grains with Solubles), богатая белком и аминокислотами.
Следует также учесть, что с 1 марта 2010 г. вступило в силу положе-ние пункта 5 статьи 8 Федерального закона от 22 ноября 1995 г. № 171-ФЗ «О государственном регулировании производства и оборота этилово-го спирта, алкогольной и спиртосодержащей продукции», в соответствии с которым производство этилового спирта, технологией производства кото-рого предусматривается получение барды (основного отхода спиртового производства), допускается только при условии ее полной переработки и (или) утилизации на очистных сооружениях.
В случае отсутствия технологического оборудования, позволяющего полностью перерабатывать барду и (или) утилизировать ее на очистных сооружениях, производство этилового спирта данным законом не допус-кается.
На сегодняшний день существуют различные технологии переработ-ки барды, в результате которых получаются различные продукты, такие как: корма и кормовые добавки, высококачественные удобрения и биогаз.
Одной из важнейших с точки зрения практической реализации той или иной технологии задач является построение надёжных систем автома-тизации управления процессом переработки барды, которая бы позволяла обеспечить получение высококачественной продукции в нужном объёме за необходимое время.
При управлении процессом сушки барды имеется ряд трудностей. Из-за реализации неоптимальных режимов возникает перерасход энерго-ресурсов, что ведёт к росту себестоимости и снижению качества продук-ции.
В современных экономических условиях остро стоит вопрос сниже-ния себестоимости переработки послеспиртовой барды при обеспечении заданных качественных показателей и объема выпуска конечной продук-ции [1].
Объем и качество выпускаемой продукции в значительной степени определяются технологией выполнения наиболее сложных, длительных и трудоемких процессов. При производстве сухой барды таким процессом является её сушка в кожухотрубчатой сушилке. Технологическая оптими-зация сушки существенно влияет на качество и величину себестоимости го-товой продукции.
Процесс сушки барды является весьма энергоемким, поскольку зна-чительная доля энергозатрат, связанных с подачей сушильного агента и расходом электроэнергии, приходится именно на эту стадию общего тех-нологического цикла производства.
Значительную проблему представляет собой отсутствие оперативно-го контроля качества готового продукта на выходе из сушилки. Это влечёт за собой отсутствие обратной связи, вследствие чего при управлении реа-лизуются заведомо не оптимальные режимы сушки. Что является причи-ной перерасхода энергоресурсов, ведёт к росту себестоимости и снижению качества продукции.
Несмотря на широкое распространение представленного способа сушки барды в кожухотрубчатой сушилке отсутствуют работы посвящен-ные вопросам нахождения эффективных алгоритмов управления и постро-ения систем управления данным технологическим процессом.
Процесс сушки послеспиртовой барды имеет следующие характер-ные особенности:
1. Совмещенность протекающих в процессе сушки процессов.
2. Недостаточная наблюдаемость процесса (отсутствие оперативного контроля качества готового продукта).
3. Большое число взаимосвязанных выходных переменных (пара-метров).
4. Слабая изученность протекающих процессов и отсутствие матема-тических моделей, пригодных для глубокого исследования и решения за-дач оптимального управления.
Основная цель работы – разработка математической модели, при-годной для исследования процесса, и алгоритма управления процессом сушки барды, обеспечивающего поддержание оптимального режима.
Задачи:
• провести анализ процесса сушки барды как объекта управления.
• разработать математическую модель технологического процесса сушки барды;
• провести параметрическую идентификацию разработанной мате-матической модели на основе экспериментальных данных;
• определить систему показателей процесса, оценивающих эффек-тивность управления, и формализовать систему технологических ограни-чений, определяющих допустимость технологических режимов;
• исследовать особенности режимов функционирования кожухо-трубчатой сушилки с целью выявления управляющих и возмущающих воздействий;
• поставить задачу оптимизации процесса сушки барды в кожухо-трубчатой сушилке.
Предлагаемая работа имеет теоретическую и практическую направ-ленность. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений.
В первой главе рассмотрены существующие современные технологии переработки барды. В качестве объекта исследования выбрана техноло-гия производства сухой барды, определены факторы, влияющие на каче-ственные показатели процесса сушки барды, установлена значимость ста-дии сушки барды в технологическом процессе.
Предметом исследования является математическая модель процесса сушки барды в кожухотрубчатой сушилке.
Рассмотрены особенности процесса сушки как объекта моделирова-ния и оптимального управления.
Во второй главе приводится математическое описание процесса суш-ки барды в кожухотрубчатой сушилке.
В третьей главе представлена методика идентификации и проверки точности математической модели процесса.
На основе разработанной математической модели процесса проведе-ны имитационные исследования в заданных диапазонах изменения вход-ных параметров. На основе проведенных имитационных исследований, определены векторы функций управлений, варьируемых параметров, а также выявлены возмущения, наиболее сильно влияющие на качественные показатели процесса.
В четвертой главе проводится формализация качественных показате-лей процесса, технологических условий и ограничений.
В главе также проводится формализация критерия оптимального управления, представляющего варьируемую по вектор-функции управле-ний и вектору параметров процесса часть себестоимости продукции.
В Заключении сформулированы основные выводы диссертации.


Глава 1. Современное состояние технологии и исследований в области моделирования и управления процессом сушки барды

1.1. Краткое описание технологического процесса сушки барды

Итак, как уже упомянуто выше, жидкая зерновая барда (ТУ 9296-001-150101001-03), пройдя стадии разделения, упаривания и сушки пре-вращается в сухую барду (ТУ 9296-249-00008064-98). Она представляет собой сыпучий продукт, используется при производстве комбикорма и в качестве добавки в кормовые рационы сельскохозяйственных животных, птиц, пушных зверей.
Сухая барда (DDGS) – необычный источник белка в рационах жи-вотных и птицы, она повышает биологическую ценность и способствует усвоению белков других кормов, так как содержит аминокислоты, в том числе незаменимые: лизин, метионин, цистин, треонин и др.
Соотношение фосфора и кальция в барде сухой обеспечивает нор-мальное развитие костного скелета молодняка. По содержанию витаминов, тесно связанных с белковым обменом в организме животных и птиц, барда сухая превосходит многие кормовые продукты. Она содержит также токо-ферол, эргостерин и холин, которые являются регуляторами метаболизма животных. Имея сложный состав, сухая барда превращается в организме животных и птиц в обменную энергию, а следовательно увеличивает при-вес и приводит к экономии затрат на корма. Сухая барда получается либо в виде гранул, либо в виде порошка с хлебно-дрожжевым запахом. Цвет гранул либо порошка варьируется от светло-жёлтого до коричневого. Срок хранения продукта в виде порошка при влажности не более 10%, а в виде гранул при влажности не более 11% – 6 месяцев.
При использовании барды в качестве кормовой добавки для скота необходимо учитывать её пропорции в соотношении к основному корму, ибо переизбыток белка и фосфора может привести к некоторым заболева-ниям у животных. Также им необходимо давать дополнительные источни-ки кальция, такие как мел и известняк. Химический, витаминный и микро-элементный состав сухой барды представлен в таблице 1.
Таблица 1
Химический, витаминный и микроэлементный состав сухой барды
Показатель Содержание в сухих кормопродуктах (% на а. с. в.) Витамины Содержание ви-тамина (мг/кг а. с. в.)
Влага Менее 10 B1 (тиамин) 8,2
Сырой протеин Более 28 В2 (рибофлавин) 120,4
Белок по Барштейну Более 25 В3 (пантотеновая кислота) 110,5
Сырая клетчатка 11,25 В4 (холин) 4250
Лизин 1,079 В5 (никотиновая кислота) 370,7
Аргинин 1,773 В6 (свободный пи-ридоксин) 15,4
Сумма аминокислот 35,539 Н (биотин истин-ный) 0,75
Ккал/100 г 270 Вс (фолиевая кисло-та) 14,2
МДж/100 г 1,254 В12 (кобаламин) мкг 0,44
Пара-аминобензойная кислота 1720
Каротиноиды 1,32

Нормы расхода сухой барды при кормлении животных приведены в таблице 2.
Таблица 2
Нормы расхода сухой барды в сельском хозяйстве
% содержания сухой барды в порции корма
Крупнорогатый скот До 30
Свиноводство До 25
Птицеводство До 5

Сухая кормовая барда должна изготовляться в соответствии с требовани-ями ГОСТ Р 53098-2008 по технологическим регламентам, соответствую-щим установленным требованиям [2].
По физико-механическим свойствам сухая барда должна соответствовать требованиям, приведённым в таблице 3.
Таблица 3
Физико-механические свойства сухой барды по ГОСТ Р 53098-2008
Наименование показателя Значение показателя или содержание ха-рактеристики
Внешний вид Однородный рассыпной продукт без плотных комочков или гранулы
Цвет От светло-жёлтого до коричневого рав-номерный по всей массе
Запах Хлебно-дрожжевой, свойственный сырью из которого вырабатывается барда, без затхлого, плесенного и других посторон-них запахов
Массовая доля влаги, % не более
- для сухой барды в виде гранул 10,0
11,0
Крупность:
В рассыпном виде:
- остаток на сите с отверстиями диамет-ром 5 мм
- остаток на сите с отверстиями диамет-ром 2 мм, % не более
В виде гранул:
- диаметр гранул, мм
- длина гранул не более, мм
- проход через сито с отверстиями диа-метром 3 мм, % не более



Не допускается

5,0

5-13
Не более двух диаметров

5,0
Содержание металломагнитной примеси:
- частиц, размерами до 2 мм включитель-но, мг/кг, не более
- частиц, размерами свыше 2мм и с ост-рыми режущими краями


30,0

Не допускается

Схема технологического процесса получения сухой кормовой барды представлена на рисунке 1.

Рисунок 1.1. Схема технологического процесса получения сухой кормовой барды.

Он состоит из трёх основных стадий:
I стадия – разделение, или: декантация. Здесь происходит отделение дро-бины (кека), где сконцентрирова-ны нерастворимые сухие вещества, от осветленной барды (фуга-та), где нерастворимые сухие вещества либо полностью отсутству-ют, либо присутствуют в очень незначительном количестве. Дроби-на (кек) отделяется при помощи шнекового декантера, а осветление барды производится на дрожжевых сепараторах.
II стадия – это упаривание фугата на выпарных установках.
III стадия – сушка кека и упаренного фугата в кожухотрубчатой сушилке.
В итоге получается готовый продукт: сухая кормовая барда.
Итак, технология получения сухой барды включает в себя следую-щие процессы.
I. Смешивание в шнековом смесителе 3 трёх компонентов. Густая фа-за (кек) с влажностью 70% после стадии разделения подаётся в смеситель с помощью выгружного шнека, так же в смеситель подаётся концентрат влажностью 70% после стадии выпаривания. В свою очередь, рециркули-руемая готовая сухая барда влажностью 10% (после сушки) подаётся в смеситель с помощью шнекового дозатора.
II. Транспортировка полученного после смешивания материала влажностью 30% с помощью шнековых питателей в сушилки.
III. Сушка смеси в кожухотрубчатых сушилках. Сушилки представ-ляют собой аппараты сушки с трубными пучками с паровым обогревом, которые благодаря своему конструктивному исполнению обеспечивают оптимальное перемешивание продукта и тем самым щадящий режим об-работки продукта.
Сушка осуществляется при помощи подачи греющего пара темпера-турой 130°С, в сушилках при этом устанавливается температура 95-110°С. Греющий пар, имеющий после отработки температуру порядка 110°С, в дальнейшем подвергается очистке в фильтрах, которые смонтированы на сушилках, и далее вентиляторами подаётся на обогрев испарителей в сек-цию упаривания. Частично сконденсированный пар поступает в ёмкость для сбора конденсата, откуда перекачивается насосом в секцию упарива-ния на испаритель и теплообменник.
IV. Высушенный до не более 10% влажности продукт через дозато-ры поступает на разгрузочные шнеки и по ним на цепную норию. После чего продукт частично возвращается через шнековый дозатор в шнековый смеситель, а остальная часть попадает в бункер и через дозатор на транс-портёр, который, в свою очередь, поставляет продукт в цех фасовки и хранения сухой барды.
Наиболее энергоёмкой стадией процесса получения сухой барды яв-ляется сушка; её эффективность, понимаемая как строгое выдерживание технологических ограничений и, главным образом, температурного режи-ма, в конечном итоге определяет качество готового продукта.