CC BY
33
<ЪестнипФТУЖЛС, №4, 2013[
УДК 675.03.031.81 : 577.15
Профессор А.А. Шевцов, доцент А.В. Дранников, аспирант А.С. Муравьев
(Воронеж. гос. ун-т. инж. технол.) кафедра технологии хлебопекарного, кондитерского, макаронного и зерноперерабатывающего производств, тел. 255-38-51
Оптимизация процесса сушки фильтрата послеспиртовой барды
Исследованы взаимодействия различных факторов, влияющих на процесс сушки фильтрата послеспиртовой барды. Получены рациональные условия проведения процесса сушки в распылительной сушилке.
The interactions of various factors affecting the process of drying the filtrate distillery dregs are investigated. Rational conditions for the process of drying the filtrate distillery dregs in a spray dryer are obtained.
Ключевые слова: оптимизация процесса сушки, фильтрат послеспиртовой барды, номограмма, кривые равных значений, уравнения регрессии, критерии оценки.
Утилизация послеспиртовой барды является важной задачей, актуальность которой рассмотрена многими исследователями. При этом решаются задачи рационального использования вторичных ресурсов и повышения экологической безопасности производства [1,2].
Одним из таких путей может быть использование фильтрата барды как отдельного продукта в процессе сушки. Для осуществления данного процесса предложено использовать распылительный тип сушки, при этом время сушки составляет 1,5-2 с, а в сочетании с невысокой температурой сушки, порядка 80 С, позволяет получить высококачественный порошкообразный продукт. Такой метод сушки не вызывает денатурацию белков, окисления и потерь витаминов, которыми богат фильтрат барды.
Для исследования взаимодействия различных факторов, влияющих на процесс сушки фильтрата послеспиртовой барды в распылительной сушилке, были применены математические методы планирования эксперимента [1]. Описание данного процесса может быть получено эмпирически. При этом его математическая модель имеет вид уравнения регрессии, найденного статистическими методами на основе экспериментов [2]. Математическая модель изучаемого процесса представляется в виде полинома второй степени:
п п п
V = ь0 + + + Е ' 'Х]
¡=1 ¡=1 ;<;
© Шевцов А.А., Дранников А.В., А.С. Муравьев, 2013
где Ь0 - свободный член уравнения, равный средней величине отклика при условии, что рассматриваемые факторы находятся на средних, нулевых, уровнях;
X - масштабированные значения факторов, которые определяют функцию отклика и поддаются варьированию;
- коэффициенты двухфакторных взаимодействий, показывающие, насколько изменяется степень влияния одного фактора при изменении величины другого;
Ьа - коэффициенты квадратичных эффектов, определяющие нелинейность выходного параметра от рассматриваемых факторов; ¿, ] - индексы факторов; п - число факторов в матрице планирования.
В качестве основных факторов [3], влияющих на процесс сушки послеспиртовой барды, были выбраны:
Хг - температура сушильного агента, 0С; Х2 - скорость сушильного агента, м/с; Х3 - скорость вращения диска распылительной сушилки, м/с
Х4 - влажность сгущенного фильтрата барды, %.
Все эти факторы совместимы и некоррелируемы между собой. Пределы изменения исследуемых факторов приведены в таблице 1. Выбор интервалов изменения входных факторов обусловлен технологическими условиями процесса сушки послеспиртовой барды в распылительной сушилке и технико-экономическими показателями процесса.
(Вестни-KjBcpyMtt, №4, 2013[
Таблица 1
Пределы изменения входных параметров
Пределы изменения входных факторов Кодированное значение Значение факторов в точках плана
Т», 0С м/с м/с ш, %
Основной уровень 0 70 10 160 65
Интервал планирования Д 5 1 20 5
Верхний уровень +1 75 11 180 70
Нижний уровень -1 65 9 140 60
Верхняя "звездная точка" +2 80 12 200 75
Нижняя "звездная точка" -2 60 8 120 55
Критериями оценки влияния входных факторов на процесс сушки послеспиртовой барды были выбраны: У± - удельные энергозатраты процесса сушки, к 1 кг испаренной влаги, кВт ч/кг; У2 - влагонапряжение сушильной камеры, кг/(м-с); У3 - влажность готового продукта, %.
Выбор критериев оценки Y обусловлен их наибольшей значимостью для процесса сушки послеспиртовой барды. Так, Yt определяет энергоемкость процесса и является важным показателем в оценке его энергетической эффективности, Y2 определяет производительность процесса сушки и напрямую связан с его скоростью, У3 напрямую связан с качеством готового порошкообразного продукта.
Для исследования было применено центральное композиционное ротабельное уни-форм-планирование и был выбран полный факторный эксперимент 24 [1]. При обработке результатов эксперимента были применены следующие статические критерии: проверка однородности дисперсий - критерий Кохре-на, значимость коэффициентов уравнений регрессии - критерий Стьюдента, адекватность уравнений - критерий Фишера. В результате статистической обработки экспериментальных данных получены уравнения регрессии, адекватно описывающие данный процесс под влиянием исследуемых факторов:
Y1 = 3,28 + 0,11 ■Х1 + 0,1 ■ Х2 + 0,098 ■ Х3 + 0,067 ■ Х4 + +0,007 ■Х1-Х2 + 0,005 ■Х1-Х3 + +0,0112 ■Х1-Х4 + 0,0085 ■ XI - 0,009 ■ - 0,0065 ■ - 0,014 ■ (2)
Y2 = 9,94 - 0,23 ■ - 0,094 ■ - 0,208 ■ Х3 + 0,204 ■ Х4 + +0,01 ■ ■ + 0,105 ■ ■ Х3 -+0,0112 ■Х1-Х4- 0,0185 ■ XI - 0,0048 ■ - 0,0035 ■ - 0,002 ■ (3)
Y3 =9,13 + 0,39 ■ + 0,386 ■ + 0,387 ■ Х3 - 0,25 ■ Х4 + +0,031 ■ Х± ■ Х2 + 0,032 ■ ■ Х3 -0,011 ■Х1-Х4 - -0,053 ■ XI - 0,071 ■ - 0,055 ■ - 0,091 ■ (4)
На рисунках 1-4 показаны кривые равных значений выходных параметров, которые представляют научный интерес, позволяют определять значения входных параметров в исследуемой области значений и прогнозировать возможные значения данных параметров вне её.
Рисунок 1 - Кривые равных значений удельных энергозатрат, Yí, кВтч/кг; от температуры сушильного агента, Г, К и скорости вращения диска сушильной установки м/с
Рисунок 2 - Кривые равных значений влагонапряже-ния сушильной камеры, , кг/м3 ч; от температуры сушильного агента, Г, К и скорости вращения диска сушильной установки м/с
(Вестни-KjBcpyMtt, №4, 2013
На рисунках 5-6 показаны номограммы для определения значений выходных параметров в исследуемой области значений.
Общая математическая постановка задачи оптимизации представлена в виде следующей модели:
q = q(Y1,Y2,Y3) ^optnpnxED (5)
Определим область значений:
D:Y1{X1,X2,X3,X4) ^ min Y2(X1,X2,X3,X4)^max (6)
Y3(X1,X2,X3,X4)^min
В таблице 2 сведены оптимальные интервалы изменения параметров для всех исследуемых выходных факторов.
Рисунок 3 - Кривые равных значений влагонапряже-ния сушильной камеры, У2, кг/м^ч; от скорости сушильного агента ус а., м/с и влажности упаренного фильтрата ш, %
Рисунок 4 - Кривые равных значений влажности готового продукта, У3, %; от скорости сушильного агента ус а., м/с и влажности упаренногофильтрата ш, %
Согласно критерию оптимизации для принятия окончательного решения по выбору
оптимальных режимов исследуемого процесса необходимо решить компромиссную задачу, накладывая оптимальные (таблица 2) интервалы параметров Xг друг на друга.
200
180
Ч 160
140
120
Рисунок 5 - Номограмма для определения значений удельных энергозатрат У1; кВт ч/кг и влажности готового продукта У3, %
75
70
^„60 э
65
60
8 9 10 11 12
а'с.а., м/с
Рисунок 6 - Номограмма для определения значений энергозатратУ1; кВтч/кг ивлажностиУ3, %
В результате были получены рациональные значения интервалов входных факторов: Х1 = 70 - 77 °С; Х2 = 9,5 - 11,5 м/с;
= 160 - 180 м/с; Х4 = 58 - 68 %.
Таблица 2
Оптимальные интервалы параметров
Y Xi, 0с X2, м/с X3, м/с X4, %
min max min max min max min max
Yi 60 65 8 9 120 140 55 62
Y? 75 80 11 12 180 200 70 75
77 80 10 11 11 200 57 65
<ЪестниъФТУЖЛС, №4, 2013
Для проверки правильности полученных результатов был поставлен ряд параллельных экспериментов, полученные результаты попадали в рассчитанные доверительные интервалы по всем критериям качества. При этом среднеквадратичная ошибка не превышала 5,2 %.
Разработанные математические модели сушки фильтрата послеспиртовой барды могут быть использованы при конструкторской разработке технологии распылительной сушки и управляющей аппаратуры для сушилок.
Таким образом, решена задача оптимизации, которая позволила выделить рациональные интервалы изменения входных факторов по трем критериям посредством компромиссных решений.
ЛИТЕРАТУРА
1 Кретов, И.Т. Технологическое оборудование предприятий бродильной промышленности [Текст] / И. Т. Кретов, С. Т. Антипов, Г. В. Агафонов. - Воронеж: Издательство государственного университета, 2011. - 586 с.
2 Журавлев, А. В. Совершенствование процесса сушки послеспиртовой зерновой барды в аппарате с закрученным потоком теплоносителя [Текст]: дисс. ... канд. техн. наук: 05.18.12. - Воронеж, 2006.
3 Грачев, Ю. П. Математические методы планирования эксперимента [Текст] / Ю.П. Грачев, Ю.М. Плаксин. - М.: ДеЛи принт, 2005. - 296 с.
4 Грачев, Ю. П. Моделирование и оптимизация тепло- и массообменных процессов пищевых производств [Текст] / Ю.П. Грачев, А.К. Тубольцев. - М.: Легкая и пищевая промышленность, 1984. - 215 с.
5 Шевцов, А. А. Выбор рациональных параметров премиксов с содержанием холин-хлорида [Текст] / A.A. Шевцов, Е.С. Шевцова, A.B. Дранников, A.A. Дерканосова и др. // Известия Вузов. - 2009. - № 5,6. - С. 68-71.
REFERENCE
1 Kretov, I.T. Technological equipment companies fermentation industry [Text] /I.T. Kretov, S.T. Antipov, G.V. Agafonov. - Voronezh State University Publishing House, 2011. - 586 p.
2 Zhuravlev, A.V. Improvement drying process distillery grains wastes in the device with twisted coolant flow [Text]: diss. ... PhD: 05.18.12. - Voronezh, 2006.
3 Grachev, U.P. Mathematical methods of experimental design [Text] / U.P. Grachev, U.M. Plaxin. - M.: DeLee print, 2005. - 296 p.
4 Grachev, U.P. Modelling and optimization of heat and mass transfer processes of food production [Text] / U.P. Grachev, A.K. Tuboltsev. - M.: Legkaya & pischevaya, 1984. - 215 p.
5 Shevtsov, A.A. Choice of rational parameters with premix containing choline chloride [Text] / A.A. Shevtsov, E.S. Shevtsova, A.V. Drannikov, A.A. Derkanosova et al // Proceedings of Higher Education. - 2009. - № 5,6. - P. 68-71.
