Національний університет “Львівська політехніка”

Буняк Олег Андронікович

УДК 519.87: 502.79

СИСТЕМИ КОНТРОЛЮ КІНЕТИКИ ПРОЦЕСІВ СЕДИМЕНТАЦІЇ ТА ДИФУЗІЇ МАГНІТООБРОБЛЕНИХ СУСПЕНЗІЙ ЦУКРОВОГО ВИРОБНИЦТВА

05.11.13 – прилади і методи контролю та визначення складу речовин

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Львів – 2002

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Тернопільському державному технічному університеті імені Івана Пулюя Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Пістун Євген Павлович,

проректор Національного університету “Львівська політехніка, завідувач кафедри “Автоматизація теплових та хімічних процесів”

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Сопрунюк Петро Маркіянович,

зав.відділом Фізико-механічного інституту ім.Г.В.Карпенка

НАН України

кандидат технічних наук, доцент

Витвицька Лідія Андріївна,

доцент кафедри “Прилади та методи контролю якості та

сертифікації продукції” Івано-Франківського Національного

технічного університету нафти і газу

Провідна установа: Вінницький державний технічний університет Міністерства освіти України, кафедра “Метрологія та промислова автоматика”

Захист відбудеться “11” жовтня 2002 р. о 16 годині на засіданні спеціалізованої Вченої ради Д 35.052.04 у Національному університеті “Львівська політехніка” ( 79013, Львів-13, вул. С.Бандери, 12, ауд. 51 Х учбового корпусу).

Відгуки на автореферат у двох примірниках, завірені печаткою, просимо надсилати на адресу: 79013, Львів-13, вул. С.Бандери, 12, Національний університет “Львівська політехніка”, вченому секретарю ради Д 35.052.04.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного університету “Львівська політехніка” (79013, Львів-13, вул. Професорська, 1)

Автореферат розісланий “ 5 ” вересня 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук Вашкурак Ю.З.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Складна екологічна ситуація, яка склалася внаслідок тривалого нераціонального використання природних ресурсів, негативно вплинула на якість сировини, яка потрапляє на переробні заводи цукрового виробництва. Зокрема, підвищений вміст солей кальцію в цукрових буряках призводить до розкладання сахарози і суттєвих втрат основного продукту на стадіях дефекації і дифузії. У свою чергу, впровадження загальноприйнятих методів по виведенню солей кальцію на різних ділянках сокоочисного відділення спричинює додаткові витрати паливно-енергетичних та матеріальних ресурсів, підвищення часових витрат у технологічних процесах переробки, що суттєво впливає на собівартість продукції, знижує кількість і якість вихідного продукту і, відповідно, її конкурентноздатність.

Цю проблему вирішують впровадженням нових технологій магнітного оброблення промислових водно-дисперсних систем, які дозволяють прискорити осадження зважених частинок і підвищити екстрактивність процесу дифузії. Але ефект впливу магнітного оброблення залежить від фізико-хімічних властивостей дисперсних систем, характеризується різновидністю структури, що вимагає проведення досліджень і вибір методів контролю. У технологічній лінії цукрового виробництва відсутні методи контролю, які б дозволили це здійснити.

Таким чином, розробка систем контролю кінетики процесів седиментації та дифузії в реальному масштабі часу, на основі сучасних обчислювальних комплексів, що включає обґрунтування методів вимірювання ефекту впливу магнітного оброблення, є актуальними задачами.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Описана проблема досліджується в наукових та навчальних закладах Міністерства освіти та науки України. Дисертаційна робота проводилась в рамках теми "Розробка основ та засобів вимірювання типів забруднень природних водних середовищ токсичними речовинами, які існуючими методами та засобами не виявляються", що фінансується Міністерством освіти України (реєстраційний код 0100U000785, внутрішній номер Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя - ДІ 86-2000), дослідження за якою проводяться в Тернопільському державному технічному університеті імені Івана Пулюя з 01.01. 2000 р.

Об’єктом дослідження є технологічні процеси седиментації та дифузії цукрового виробництва при неруйнівному впливі електромагнітного поля та контроль кінетики цих процесів.

Предметом дослідження є методи та системи контролю кінетики процесів седиментації та дифузії при магнітному обробленні суспензій цукрового виробництва.

Методи досліджень. Для дослідження ефекту впливу магнітного поля на процеси седиментації та дифузії використані основні положення теорії електрокінетики водно-дисперсних систем при магнітному обробленні, матеріальні рівняння діелектричного методу вимірювання. Для розв’язку отриманих математичних моделей використано числові методи розв’язку диференціальних рівнянь методом Рунге-Кутта, для побудови математичної моделі дифузійно-сорбційного процесу – основні закони масопереносу І-го та ІІ-го порядку. Розроблений алгоритм визначення числа давачів та віддалі між ними базувався на теорії випадкових процесів в часі та просторі. Для проведення аналізу похибок розроблених систем застосовувались методи теорії ймовірностей та математичної статистики.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є обгрунтування методів та розробка систем контролю кінетики процесів седиментації та дифузії магнітооброблених суспензій цукрового виробництва. Для досягнення цієї мети передбачається виконання таких задач:

-

-

-

-

-

-

-

-

Наукова новизна одержаних результатів. У дисертаційній роботі:

-

-

-

-

-

Практичне значення одержаних результатів полягає в розробці вимірювальних систем контролю зміни параметрів при проходженні процесів седиментації та дифузії магнітооброблених суспензій, на основі виміру швидкості осадження, діелектричної проникності, концентрації цукру при дифузійному екстрагуванні; розробці інтерфейсу для стикування з ПЕОМ; розробці програмного забезпечення для обрахунку та аналізу результатів досліджень.

Розроблені системи дозволяють оцінювати ефект впливу магнітного оброблення, використання якого підвищує швидкість проходження процесу седиментації та прискорює процес висолоджування бурякової стружки при дифузійному екстрагуванні, що зменшує часові та енергетичні витрати, підвищує якість контролю за проходженням цих процесів.

За допомогою розроблених систем були проведені дослідження серії напівпродуктів: нефільтрованих соків І-ої, ІІ-ої сатурацій, сирого дифузійного соку із бурякової стружки врожаю 2000 року та випробування на цукровому заводі “Поділля” закритого акціонерного товариства “Тернопільський агропромисловий комплекс”. Розроблені системи можуть застосовуватися в технологічних процесах цукрового виробництва.

Особистий внесок здобувача. Основні результати, які складають основний зміст дисертаційної роботи, отримані автором самостійно. У публікаціях, які написані у співавторстві, дисертанту належить: [4] – розробка системи контролю діелектричної проникності на основі побудованих математичних моделей; [5] – розробка функціональної схеми пристрою контролю впливу магнітного оброблення на процес седиментації, розробка математичного апарату визначення віддалі між вимірними перетворювачами; [6] – розробка алгоритму для прогнозування процесу відстоювання рідин, побудова математичного апарату обрахунку.

Авторські права на сепаратор для магнітного відділення домішок від текучого середовища захищені деклараційним патентом України № 29011А.

Апробація результатів дисертації. Результати проведених досліджень доповідались на міжнародній науково-технічній конференції “Світлотехніка – 95”, м. Тернопіль, 1995; на 3-й міжнародній науково-технічній конференції “Контроль і управління в технічних системах”, м. Вінниця, 1995; на “Міжнародній науковій конференції, присвяченій 150-річчю від дня народження видатного українського фізика і електротехніка Івана Пулюя”, м. Тернопіль, 1995; на “П’ятій науковій конференції Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя”, м. Тернопіль, 2001; на конференції “Применение вычислительной техники и математических методов автоматизации экспериментальных исследований”, м. Тернопіль, 1987; на науково-технічній конференції “Применение вычислительной техники и математических методов в научных исследованиях”, м. Київ, 1986.

Публікації. Результати дисертації опубліковані у 12 наукових роботах, серед яких 6 статей, 1 деклараційний патент та 5 тез конференцій.

Структура та об’єм роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів і висновків, викладених на 117 сторінках, містить 36 рисунки, 7 таблиць, список використаних джерел із 121 найменуванням і додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність дисертаційної роботи, сформульована мета та завдання досліджень, наукова новизна та практична цінність отриманих результатів, приведені основні результати і положення, які подаються автором до захисту.

У першому розділі проведено аналіз досліджень в області застосування магнітного оброблення суспензій. Показано доцільність магнітного оброблення для суспензій цукрового виробництва на етапах: одержання дифузійного соку, очистки соків, фільтрації на стадіях дефекації. Розглянуто сучасний стан і задачі в галузі контролю та вимірювання кінетики таких процесів. Показано, що існуючі лабораторні системи контролю за проходженням технологічного процесу сокоочисного та дифузійного відділень цукрового виробництва не дають змоги не лише оцінити вплив магнітного оброблення на кінетичні параметри водно-дисперсних систем, а і контролювати сам технологічний процес.

Проаналізовано необхідність розробки систем контролю, які б дали можливість оцінити вплив магнітного оброблення на швидкість зміни процесу седиментації з визначенням моменту закінчення процесу, встановити оптимальні режими магнітного оброблення, здійснити контроль та вимірювання параметрів процесів в реальному масштабі часу, що дозволить оптимізувати проходження технологічного процесу.

У цьому ж розділі визначено та обгрунтовано напрямки досліджень.

Другий розділ присвячений експериментальному вивченню кінетики процесу седиментації при магнітному обробленні. Враховуючи основні засади теорії кінетичних явищ, запропоновано контроль за ефектом впливу електромагнітного поля на кінетику процесу седиментації здійснювати за швидкістю зміни оптичної прозорості. З метою проведення досліджень розроблена система контролю кінетики процесу седиментації, функціональна схема якої показана на рис. 1. У корпусі блоку осадження вмонтовані елементи намагнічування дослідної рідини та первинні фотометричні перетворювачі. В якості джерела живлення використовувався твердотільний лазер, промінь якого проходить через суспензію і потрапляє на фотодавач, з’єднаний з блоком підсилення та нормування сигналів. Інформація про прозорість суспензії на певному рівні через інтерфейсний пристрій передається на ПЕОМ в пакетному режимі, яка здійснює аналіз проходження процесу седиментації. Прозорість середовища визначалася за формулою:

, (1)

де та - інтенсивність світла після проходження через посудину без рідини і з рідиною, відповідно.

Рис. 1. Функціональна схема системи контролю процесу седиментації:

1 - ланка намагнічування дослідної рідини; 2 - дослідна посудина (блок осадження);

3 - регульований блок живлення; 4 - фотометричний перетворювач; 5 - блок підсилення та нормування сигналів; 6 - програмований інтерфейс; 7 - комп'ютер.

Дослідження проводилися в два етапи: при відсутності намагнічування та при його присутності в межах сили намагнічування .

Експерименти проводились з нефільтрованими соками І та ІІ сатурації, які, відповідно, мали наступні фізико-хімічні параметри: вміст сухих речовин - СР = 14,5% та 12,8%, вміст цукру - Ц = 12,3% та 18,8%, доброякість - Дб = 85,17% та 88,9%, pH = 6,5 і 10,15 при температурі .

Швидкість седиментації визначалась за швидкістю зміни прозорості:

, (2)

де , причому, з метою зменшення впливу випадкових складових похибок вимірювання, а також флуктуацій сигналів, застосовувалось усереднення виміряного сигналу із 120 значень на протязі кожної хвилини.

Зміна швидкості осадження нефільтрованих соків першої та другої сатурації при різних силах намагнічування оцінювалася за значеннями введеного коефіцієнта інтенсифікації (рис. 2 а, б):

, (3)

де - швидкість осадження напівпродукту з прикладанням сили намагнічування; - швидкість осадження при її відсутності.

Рис. 2. Графіки зміни коефіцієнта інтенсифікації в часі при різних силах намагнічування для нефільтрованих соків першої (а) та другої (б) сатурацій при .

Експериментальні дослідження засвідчили, що коефіцієнт інтенсифікації при різних силах намагнічування змінює своє значення від до для нефільтрованого соку І сатурації та від до для соку ІІ сатурації, тобто в відсотковому відношенні швидкість осадження в межах зміни сил намагнічування зростає до 12%. Різку зміну в сторону збільшення коефіцієнта інтенсифікації для соку І сатурації і плавну для соку другої сатурації на початковому етапі процесу, можна пояснити тим, що в першому випадку вміст вапняку в соку І сатурації була вища ніж в соку ІІ сатурації, а вміст цукру навпаки. Це видно із наведених фізико-хімічних параметрів напівпродуктів.

Аналіз результатів досліджень показав, що використання магнітного оброблення нефільтрованих соків І та І сатурації при проходженні процесу седиментації дозволяє отримати нижчу барвистість соку в порівнянні з необробленим електромагнітним полем на 4,47%.

Розроблені прогнозуючі моделі для оцінки зміни коефіцієнта інтенсифікації в часі для нефільтрованих дифузійних соків І та ІІ сатурації. Проведені дослідження впливу температурних режимів на процес седиментації, у результаті яких було встановлено, що при підвищенні температури відбувається інтенсифікація процесу седиментації, яка суттєво залежить від концентрації сухих речовин і вмісту цукру в суспензії.

З метою вибору оптимальної кількості давачів оптичної прозорості розроблений алгоритм визначення числа давачів та віддалі між ними по довжині посудини за просторово розподіленими значеннями напруженості магнітного поля. Розглянуто випадок, коли розподіл електромагнітного поля носить випадковий характер. Для визначення статистичних характеристик поля в неоднорідному середовищі були встановлені давачі для виміру значення розподілу напруженості, відстань між якими становить 1 см. Давач являють собою первинний вимірювальний перетворювач у вигляді перетворювача Холла, який живиться від генератора змінної напруги частотою 1000 Гц через вимірювальний трансформатор. Електрорушійна сила Холла вимірювалася за допомогою компенсатора (вимірювач магнітної індукції Ш1-8) в діапазоні від 0.01 до 1.6 Тл. Оскільки компенсатор і перетворювач Холла живляться від одного і того ж джерела, виключається похибка від нестабільності напруги і частоти джерела живлення. Для набору множини реалізацій були зафіксовані значення магнітної індукції в 40 незалежних моментах часу. Інтервал часу між сусідніми реалізаціями становив 10 хв.

За результатами експериментальних даних розраховували математичне сподівання для кожної точки поля за формулою:

, (4)

де і - місце виміру розподілу напруженості; - кількість вимірювань, і проводиться оцінка кореляційної функції для будь-яких двох точок поля за формулою:

, (5)

де .

Проведений аналіз обчислених значень кореляційної функції з точки зору їх наближення при рівних показав, що випадкову функцію розподілу магнітного поля можна рахувати стаціонарною по відношенню до її кореляційної функції. Усереднивши значення при рівних L отримуємо значення кореляційної функції магнітного поля по довжині посудини.

Обчислюємо значення статистичних оцінок і (частота зрізу, яка відповідає частоті, при якій значення спектральної щільності є рівною 0,05 від значення спектральної щільності при нульовій частоті).

Отримана формула для визначення віддалі між давачами має вигляд:

, (6)

де - частота зрізу спектральної щільності кореляційної функції - прийнята степінь параболічної інтерполяції; - задане допустиме значення середньої квадратичної похибки вимірювання за рахунок просторової дискретизації значень напруженості магнітного поля, обумовленої рівно просторовим розміщенням давачів; - значення апроксимованої кореляційної функції. Було встановлено, що для значення відстані між двачами становить .

Проведена оцінка числових характеристик похибок розробленої системи. Основна приведена похибка при вимірюванні прозорості визначалась для трьох областей діапазону вимірів, які розміщені на початковій (0…20%), середній (45…55%) та кінцевій (80…100%) ділянках діапазону вимірів. Отримані результати свідчать, що похибка вимірювань у верхньому діапазоні шкали вимірів є більшою, що пояснюється зростанням амплітуди шумових струмів фотодавача при збільшенні його освітленості. У результаті проведених обрахунків за значення основної приведеної похибки вимірювання прозорості прийнято максимальне значення 1,2%. Встановлено, що додаткова похибка викликана забрудненням стінок дослідної посудини мала, що пояснюється відштовхуванням твердої фази суспензії від стінок посудини за рахунок магнітного оброблення. Проведена оцінка додаткової похибки, яка обумовлена зміною температурних режимів дослідного середовища в межах від до при різних силах намагнічування і різному вмісту сухих речовин, показала, що її максимальне значення становить 3,71%. Проведена оцінка точності побідованих прогнозуючих моделей для визначення часу закінчення процесу седиментації показала, що відносна похибка лежить в межах від до .

У третьому розділі обгрунтовано застосування діелектричного методу для визначення моменту закінчення процесу седиментації, розроблено принцип побудови відповідної системи контролю та проведені експериментальні дослідження.

У роботі показано, що при проходженні кінетичних процесів в результаті неруйнівного впливу електромагнітного поля змінюється гамільтоніан речовини в результаті зміни енергетичних станів мікрочастинок. Встановлено, що одним із основних параметрів кількісного вимірювання взаємодії речовини з електромагнітним полем є діелектричне сприйняття е (діелектрична проникність ), яке описується матеріальними рівняннями:

, , , (7)

де 0 – діелектрична постійна; E – напруженість електричного поля; P –поляризація, або вектор поляризації; D – індукція.

Коефіцієнт пропорційності має суть функції електромагнітного відгуку, який відображається в діелектричній властивості суспензії і вважається як причинний прояв зміни діелектричної проникності.

У роботі для виміру діелектричної проникності використовується відносний метод виміру, який для ємнісних комірок в нашому випадку має вигляд:

, (8)

де - ємність комірки заповненою дослідною рідиною після магнітного оброблення; - ємність комірки заповненою дослідною рідиною без магнітного оброблення.

Для дослідження характеру зміни діелектричної проникності при проходженні процесу седиментації напівпродуктів цукрового виробництва розроблена система контролю зміни діелектричної проникності напівпродуктів при проходженні процесу седиментації функціональна схема якої показана на рис. 3.

Рис. 3. Схема дослідної установки контролю зміни діелектричної проникності напівпродуктів цукрового виробництва:

1 – регульований блок живлення; 2 – блок осадження з вимірним перетворювачем; 2а – електромагнітні котушки; 3 – автоматичний вимірювач ємностей з уніфікованим виходом; 4 – блок підсилення та нормування сигналів; 5 - комп'ютер.

Блок осадження з вимірним перетворювачем містить три секційних пластини фольги довжиною 100 мм і шириною 900 мм, які щільно прилягають до зовнішньої стінки циліндричного посуду діаметром 60 мм і з’єднані паралельно і використовуються як ємнісний давач. В якості автоматичного вимірювача ємностей використовувався міст змінного струму Е7-12М, що дозволяє вимірювати ємності на частоті 1000 кГц.

Результати проведеного вимірювання за допомогою розробленої системи контролю у вигляді графіків для нефільтрованих соків І та ІІ сатурації наведені на рис. 4 а, б.

Проведені дослідження показали, що із обробленням напівпродуктів магнітним полем характер зміни діелектричної проникності в межах часу осадження не однаковий, а складається з двох етапів: етап різко змінного стану і повільно змінного стану.

Проведене порівняння отримано значення часу, на протязі якого наступає повне освітлення суспензії із часом, коли вона приймає сталу діелектричну проникність, дало можливість зробити висновок, що діелектричний метод можна використовувати при проходженні процесу седиментації для визначення часу за який суспензія повністю освітлюється.

Рис. 4. Графіки зміни діелектричної проникності від часу при контролі процесу седиментації нефільтрованих соків першої (а) та другої (б) сатурацій ().

У розділі проведена оцінка точності вимірювання діелектричної проникності. Розроблена схема устаткування, блок-схема якої подана на рис. 5., для вимірювання коефіцієнта температурного впливу на вимір діелектричної проникності. Вимірювання температурного коефіцієнта зводилась до наступного: при заданих значеннях сили намагнічування при , заливали освітлений напівпродукт І сатурації у вимірну комірку, температура якого була ; при частоті 1000 кГц, проводилось балансування моста (); зберігаючи умови вимірювання незмінними, дискретно (з метою зменшення часу вимірювання) змінювали температуру дослідного напівпродукту і реєстрували розбалансування моста. При постійній силі намагнічування та частоті генератора, відхилення ємності вимірної комірки від початкової створюють ряд , де - ємність вимірної комірки при різних температурах дослідного напівпродукту.

Рис. 5. Блок схема дослідження впливу температурного режиму на процес вимірювання діелектричної проникності: ); 1 – генератор із зміною діапазону частот; 2 – міст вимірний (Е7-12М); 3 – вимірна комірка дослідної установки; 4 – дослідний розчин із підігрівачем; 5 – система намагнічування.

Температурний коефіцієнт розраховувався за формулою:

. (9)

де - діапазон виміру температури, .

Проведені дослідження по визначенню температурного коефіцієнта показали, що значення поправного коефіцієнта при вимірюванні діелектричної проникності освітленого соку І сатурації із збільшенням сили намагнічування зменшується і лежить в межах при .

Для освітленого соку ІІ сатурації при тих самих межах зміни сил намагнічування та температурних режимів, поправний коефіцієнт менший і лежить в межах від .

Таким чином, максимальне значення поправного температурного коефіцієнта при вимірюванні діелектричної проникності для напівпродуктів, що досліджуються, в межах зміни від 0 до та струмів намагнічування в межах не перевищує 0,52.

У четвертому розділі проведені теоретичні та експериментальні дослідження ефекту впливу магнітного оброблення на процес дифузійного екстрагування цукру та розроблені принципи побудови системи контролю цього процесу.

З метою дослідження механізму інтенсифікації кінетики дифузійно-сорбційного переносу розроблена математична модель, яку представлено наступними диференціальними рівняннями:

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

Тут (10), (11) – рівняння потенціалів; (12) – рівняння зв’язку; (13) – опис пондеромоторної сили; (14) – рівняння електромагнітгного конвективно-дифузійного переносу; , - об'ємні густини розподілу електричних зарядів; - величина електричного потенціалу в системі; - концентрація речовин, що дифундує під дією електромагнітного поля; - величина об'ємної пондеромоторної сили, що діє зі сторони електричного поля на рухомий розчин; - швидкість конвективної дифузії; - діелектрична проникність середовища; - густина розподілу електричної енергії в середовищі; , - напруженості електричних та магнітних полів в середовищі, відповідно; - густина середовища; - осмотичний потенціал розчину.

У розробленій математичній моделі встановлено функціональний зв’язок між основними параметрами переносу, а саме математичних залежностей полів концентрацій дифундованих розчинів від полів розподілу електричного заряду компонентів суміші і електричного потенціалу в середовищі , які взаємодіють між собою через фізичні функції зв’язку, підсилюючи або послаблюючи дію кожного з них. В якості окремих функцій беруться експериментально встановлені залежності коефіцієнтів дифузії від діелектричної проникності середовища , зміни пондеромоторної сили від електричного потенціалу та ї підсилюючий вплив на основні градієнти переносу.

З метою дослідження ефекту впливу магнітного поля на процес дифузійного екстрагування цукру та дослідження запропонованої моделі на адекватність, розроблена система контролю, функціональна схема якої представлена на рис. 6.

Рис. 6. Схема лабораторної експериментальної установки для контролю впливу магнітного оброблення на процес дифузійного екстрагування цукру:

1 – бак для підігріву екстрагенту; 2 – електричний двигун; 3, 4 – посуди для зняття проб; А, В – баки екстрактори.

В екстракторі А процес дифузії відбувався природним шляхом без перемішування соко-стружкової суміші, а у екстракторі В перемішування проводилося за допомогою лопатевої мішалки, із швидкістю обертання . Для визначення концентрації цукру у вихідному напівпродукті використовувався автоматичний цукромір із пристроєм друку САП-1-М. Границі вимірювання (за міжнародною цукровою шкалою) становлять . Допустима похибка вимірювання при довжині кювети 400 мм становить . Змінна магніторушійна сила в системі регулювалась в межах від 200 до 470Ав.

В якості екстрагенту використовувався водний розчин цукру, концентрація якого становила близько 1,8%, підігрівався в баку 1 до температури близько . Стружка готувалась із буряків врожаю 2000 р. (зібраних в жовтні), цукристість 17,0%, довжина 100 г стружки становила 10,7 м з 5,2% браку.

Аналіз проведених експериментів зміни концентрації цукру при дифузійному екстрагуванні при різних силах намагнічування оцінювався значеннями введеного коефіцієнта екстрактивності за формулою (рис. 7):

, (15)

де - відсоток концентрації цукру в екстрагенті з обробленням магнітним полем; - відсоток концентрації цукру в екстрагенті без магнітного оброблення.

Аналіз проведених експериментів зміни коефіцієнта екстрактивності в часі досягає своєї максимальної величини із врахуванням похибки вимірювання з магнітним обробленням без перемішування – 0,18%, з перемішуванням – 0,35%. В інтервалі часу дослідження 10-28хв приріст коефіцієнта екстрактивності зберігався постійним до 30 хв., в межах зміни сили намагнічування від 380 до 400Ав. Одержані результати при контролі процесу дифузії дають підставу стверджувати, що в магнітообробленому екстрагенті прискорюється процес висолоджування бурякової стружки, з відповідним зростанням вмісту цукру.

Рис. 7. Графік зміни коефіцієнта екстрактивності в часі: 1 – з магнітним обробленням без перемішування стружки; 2 - з магнітним обробленням і з перемішуванням стружки; 1а, 2а – відповідні графіки за математичною моделлю.

З аналізу процесу дифузійного екстрагування цукру видно, що критерієм оптимального температурного режиму є вміст концентрації цукру у сирому соку (остаточному напівпродукті) та вмісту пектинових речовин, які погіршують його якість. Проведені дослідження залежності коефіцієнта екстрактивності від зміни температури в межах показали, що максимальний коефіцієнт екстрактивності спостерігається при температурі . Ця температура автоматично підтримується в промислових дифузійних апаратах, тому додаткова похибка обумовлена зміною температурного режиму практично відсутня.

У розділі наведені основні показники надійності розроблених систем.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі розв’язано наукову задачу, яка полягає в обгрунтуванні методів і розробці систем контролю ефекту впливу магнітного оброблення на кінетику процесів седиментації та дифузії цукрового виробництва і при цьому отримані такі основні результати:

1. Проведено порівняльний аналіз методів вимірювання кінетики процесу седиментації з точки зору їх застосування для контролю ефекту впливу магнітного оброблення на суспензії цукрового виробництва. Показано, що метод виміру зміни оптичної прозорості може бути застосований для даної задачі і дає можливість контролювати проходження процесу седиментації.

2. Розроблено систему контролю кінетики процесу седиментації магнітооброблених нефільтрованих дифузійних соків, яка дозволяє на базі методу вимірювання швидкості зміни оптичної прозорості соків дослідити інтенсифікацію проходження процесів седиментації в реальному масштабі часу, здійснювати аналіз результатів безпосередньо при проходженні технологічного процесу з використанням сучасних засобів обчислювальної техніки.

3. За допомогою розробленої системи контролю вперше проведені дослідження впливу магнітного оброблення нефільтрованих дифузійних соків на швидкість проходження процесів седиментації та висолоджування бурякової стружки показали, що використання магнітного поля прискорює процеси седиментації і дифузії суспензій цукрового виробництва. Швидкість осадження в межах зміни сил намагнічування зростає до 12%, що дозволяє отримати нижчу барвистість соків в порівнянні з необробленими магнітним полем на 4.47%. Зменшення барвистості соків не вимагає застосування реагентів та збільшення паливно-енергетичних ресурсів. Прискорення процесу дифузійного екстрагування цукру із врахуванням похибки вимірювання з магнітним обробленням без перемішування становить – 0,18%, із перемішуванням – 0,35%.

4. Розроблена математична модель і на її базі алгоритм розрахунку числа давачів та віддалі між ними для виміру оптичної прозорості, що враховують розподіл напруженості магнітного поля в суспензії при її магнітному обробленні і дозволять визначати оптимальну кількість давачів при побудові системи контролю. Ця відстань оцінюється за заданою середньою квадратичною похибкою визначення поля в будь-якій його точці, за прийнятим степенем параболічної інтерполяції поля і за його статичними характеристиками.

5. На підставі основних принципів і розроблених моделей обгрунтовано застосування діелектричного методу для вимірювання стану магнітооброблених суспензій і на основі проведених досліджень проведена оцінка впливу магнітного поля на процес седиментації з визначенням моменту закінчення цього процесу.

6. Розроблено математичну модель дифузійно-сорбційного переносу, яка на відміну від існуючих, враховуючи величину об’ємної пондеромоторної сили зі сторони електричного поля на рухомий розчин, електричної та магнітної проникності середовища, дала змогу прогнозувати інтенсифікуючу дію електромагнітного поля на процес екстрагування цукру.

7. Розроблені системи можуть бути використані при контролі кінетики процесів седиментації та дифузії цукрового виробництва, пройшли випробування на цукровому заводі “Поділля” закритого акціонерного товариства “Тернопільський агропромисловий комплекс”.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

1. Буняк О. А Контроль електрокінетики магнітооброблених водно-дисперсних систем переробної промисловості. //Вісник інженерної академії України. – 2001. № 1. – С. 63-67.

2. Буняк О.А. Використання електромагнітної обробки в процесі дифузійного екстрагування цукру. // Харчова і переробна промисловість. –2001. - № 5. –С. 41-43.

3. Буняк О.А. Исследование резонатора с целью его использования для измерения диэлектрической проницаемости магнитообработанных водно-дисперсных систем // Измерительная техника. – 2001. – № 10. – С. 61-63.

4. Пістун Є.П., Буняк О.А. Обгрунтування вибору дослідження діелектричної проникності магнітооброблених водно-дисперсних систем // Методи та прилади контролю якості. – Івано-Франківськ: ДТУ нафти і газу. – 2001. - № 7. – С. 51-55.

5. Буняк О.А., Коноваленко І.В. Метод визначення віддалі між вимірними перетворювачами для контролю процесу намагнічування водно-дисперсних систем переробної промисловості // Вимірювальна техніка та метрологія. - 2001. – Вип. 58. – С. 143-147.

6. Коноваленко І.В., Буняк. О.А Алгоритмічне та математичне забезпечення для прогнозування процесу відстоювання рідини. //Вісник Тернопільського державного технічного університету. – 2001. – Т. 6, №2. –С. 20-25.

7. Буняк. О.А. Розробка системи для контролю процесу седиментації магнітооброблених напівпродуктів цукрового виробництва // Тези “П’ятої наукової конференції Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя”. – Тернопіль: ТДТУ. - 2001. - С. 150.

8. Федоткін І.М., Петрик М.Р., Буняк О.А. Математичне моделювання складних дифузійно-сорбційних процесів, що протікають при зовнішній дії електромагнітного поля // Тези доповідей “Міжнародна наукова конференція, присвячена 150-річчю від дня народження видатного українського фізика і електротехніка Івана Пулюя”. – Тернопіль: ТДТУ. – 1995. - С. 34-35.

9. Буняк А.М., Буняк О.А. Метод реализации быстрого преобразования Фурье на микропроцессоре //Тези Докл. научно-техн. конф. "Применение вычислительной техники и математических методов в научных исследованиях". – К.: - 1986. - С. 55-56.

10. Петрик М.Р., Буняк О.А. Підвищення точності вимірювання фотоелектричних перетворювачів. // Тези Міжнарод. науково-техн. конф. "Світлотехніка-95". – Тернопіль: ТДТУ. – 1995. - С. 24-25.

11. Петрик М.Р., Буняк О.А. Розробка математичної моделі та автоматизованого комп'ютерного стенду дослідження кінетики дифузійних процесів при інтенсифікуючій дії електромагнітного поля // Тези 3-ої Міжнарод. науково-техн. конф. “Контроль і управління в технічних системах”. – Ч.2. – Вінниця: - 1995. - С. 452-453.

12. Пат. 97125778 Україна, 6 В01D35/06. Сепаратор для магнітного відділення домішок від текучого середовища: Пат. 97125778 Україна, 6 В01D35/06/ О.А.Буняк, І.В.Коноваленко. Заявл. 02.12.97; Опубл. 16.10.00; Бюл. № 5-ІІ. – 2 с.

АНОТАЦІЯ

Буняк О.А. Системи контролю кінетики процесів седиментації магнітооброблених суспензій цукрового виробництва. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.13 - прилади і методи контролю та визначення складу речовин. – Національний університет “Львівська політехніка”, м. Львів, 2002.

Дисертація присвячена вибору методів контролю кінетики процесів седиментації та дифузії магнітооброблених суспензій та побудові автоматизованих систем, які працювали б в реальному масштабі часу, дія яких базується на цих методах. Встановлено, що в усіх випадках магнітне оброблення прискорює міграцію іонів, стимулює гравітаційне розділення частинок і залежить від параметрів намагнічування, складу і температурних режимів середовища, що досліджується. Запропонована система контролю кінетики процесу седиментації шляхом виміру зміни оптичної прозорості через опосередкований параметр - напруги на виході фотометричного перетворювача. Показано і математично доведено, що використовуючи метод виміру діелектричної проникності можна проводити контроль закінчення процесу седиментації. Розроблена автоматизована система контролю кінетики дифузійного екстрагування цукру методом виміру зміни концентрації цукру в обробленому магнітним полем екстрагенті. При побудові систем контролю запропонована методика визначення віддалі між давачами на основі заданого значення середньоквадратичного відхилення, прийнятого виду інтерполяції і статичної характеристики магнітного поля. Результати роботи у вигляді апаратних розробок можуть бути використані у виробництві і науково-дослідних організаціях.

Ключові слова: магнітне оброблення, система контролю, кінетика, седиментація, дифузія, суспензія.

АННОТАЦИЯ

Буняк О.А. Системы контроля кинетики процессов седиментации и диффузии магнитообработанных суспензий сахарного производства. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.13. – приборы и методы контроля и определение состава веществ. – Национальный университет “Львивська политехника”, Львов, 2002.

Диссертация посвящена выбору методов контроля кинетики процессов седиментации и диффузии магнитообработанных суспензий сахарного производства и построение автоматизированных систем, действие которых базируются на этих методах и работают в реальном масштабе времени.

Предложена система контроля для кинетики процесса седиментации по измерению скорости изменения оптической прозрачности, а влияние магнитной обработки оценивается коэффициентом интенсификации.

Разработана система контроля кинетики процесса седиментации методом измерения диэлектрической проницаемости при разных силах намагничивания. В соответствии с этим методом контроль производился измерением соотношения емкости конденсатора обработанного магнитным полем полупродукта и необработанного, что дает возможность прогнозировать окончание процесса седиментации.

Для контроля кинетики процесса диффузии при диффузионном экстрагировании сахара при магнитной обработке разработана математическая модель и проанализированные ее функциональные возможности. Предложено проводить контроль кинетики процесса диффузии по измерению концентрации сахара в смеси, а оценку влияния магнитной обработки введением коэффициента экстрактивности.

При построении систем контроля кинетики процессов седиментации предложена методика определения расстояния между датчиками и их количества на основе заданного значения среднеквадратического отклонения, принятого вида интерполяции и статистической характеристики магнитного поля. Разработанные алгоритмы дают возможность эффективно проводить контроль с необходимой точностью измерения при оптимальном количестве датчиков.

Проведен анализ точности измерения предложенных систем в зависимости от концентрации твердой фазы в смеси, загрязнением стенок сосуда и изменения температурных режимов исследуемых продуктов.

Разработанные системы позволяют прогнозировать динамику процессов седиментации и диффузии, получать информацию о состоянии полупродуктов на разных этапах процесса, фиксировать точный момент его окончания при использовании современных средств вычислительной техники, контролировать процессы в реальном масштабе времени.

Исследования проводились на основе полупродуктов сахарного производства: нефильтрованными соками первой и второй сатурации и соко-стружечной смесью урожая свеклы 2000 года и были апробированы на сахарном заводе “Подилля” закрытого акционерного общества тернопольский агропромышленный комплекс”.

Ключевые слова: магнитная обработка, система контроля, кинетика, седиментация, диффузия, суспензия.

SUMMARY

Bunyak O.A. Systems of kinetics of process of sedimentation and diffusion treated by a magnetic field suspensions for a sugar industry control. – Manuscript.

The thesis presented for a Candidate’s of Sciences Degree in engineering in speciality 05.11.13. - the devices and methods for control and determination of composition of materials. - National University “Lviv Politechnic”, Lviv, 2002.

The thesis devoted to choice of methods of verification of kinetics treated by a magnetic field of suspensions of a sugar industry and construction of the automated systems, the operation that one bases on these methods, which one would work in real time. Established, that in all cases the magnetic processing accelerates migration of ions, stimulates gravitational division of particles, depends on parameters of magnetization, structure and temperature schedules of environment. The monitoring system of kinetics of process of a deposition, method of measurement of change of a transparency through average parameter - voltage on an output of the photometry converter is offered. Is rotined and mathematically is proved, that with the help of a method of measurement of a permittivity and designed automated system it is possible to control the termination (ending) of process of sedimentation. The automated monitoring system of kinetics of process of a extraction of sacrum on change of density of sacrum in suspension is developed. At construction of monitoring systems the technique of definition of distance between sensors is offered on the basis of a set value of root-mean-square deviation adopted kind of interpolation and statistical magnetic-field pattern. The outcomes of activity by the way of hardware mining’s can be inserted in production and scientific exploratory organizations.

Key words: magnetic processing, kinetics, sedimentation, diffusion, monitoring system, suspension.