Спосіб безперервного контролю та управління рн і лужністю соків цукрового виробництва

1. Спосіб безперервного контролю і управління рН і лужністю соків цукрового виробництва, що передбачає покроковий вимір поточних значень рНі при температурі 20°С, і визначення лужності соку за математичною залежністю, який відрізняється тим, що вимірюють поточне значення рНі соку, визначають титруванням лужність соку, порівнюють фактичну лужність з заданою, після чого подачею сатураційного газу доводять лужність соку до регламентної, визначають задане значення рНзд відповідно до регламентного значення лужності соку, стабілізують це значення, внаслідок чого стабілізується масштабне значення рН, а при технологічній потребі в зміні регламентного значення лужності соку, відповідне йому задане значення рНзд соку, взаємозв'язане з лужністю, визначають розрахунком за лінійною залежністю: рНзд-7=(рНмj-7)/(1-е-Alзд/Alм), де рНзд - задане значення рН, відповідає регламентному значенню лужності соку, од. рН; рНмj - масштабне значення рН для j-ї експоненти залежності рН від лужності соку, од. PН; A (54) СПОСІБ БЕЗПЕРЕРВНОГО КОНТРОЛЮ ТА УПРАВЛІННЯ РН І ЛУЖНІСТЮ СОКІВ ЦУКРОВОГО ВИРОБНИЦТВА 40071 15.01.1993, бюл. № 2 [2]), за яким передбачається відбирання досліджуємих проб соку з наступним їх поточним аналізом на лужність, додатковим виміром поточних значень рН (при 20°С). При здійсненні цього способу аналізують 10-12 проб, що відбираються 1-2 рази на сезон виробництва цук-ру, і визначенням лужності соку покроково розрахунком за математичною залежністю. Такий спосіб вперше вирішує завдання забезпечення безперервного контролю лужності сатураційного соку в залежності від рН, але має ряд недоліків. Причинами, які не дозволяють одержати технічний результат, є покроковий розрахунок лужності соку за емпіричною формулою, яка є наближеною, а саме: ALi= -ALnln{(1–[рН20i-7)/a(рН20i-7)+b]}, (1) де ALn - стала лужності, що змінюється в межах 0,03ч0,06% СаО; рН20i - поточне значення рН20i соку в і-му кроці контролю і управління; а - коефіцієнт рівняння регресії, що за дослідними даними змінюється в межах 0,25ч0,70; b - сталий член рівняння регресії, що за дослідженими даними змінюється в межах 1,5ч4,00. Використання відомого способу в результаті його недоліків, а саме - невизначеної величини сталої лужності, яка може змінюватись в межах 0,03-0,06% СаО, значення коефіцієнта "а", які можуть змінюватись в межах 0,25-0,70, та значення сталого члена "b" рівняння регресії, які змінюються в межах 1,50-4,00, не дозволяє забезпечити достовірність, підвищену точність виміру і підтримання заданих регламентних значень рН і лужності соку та відповідно підвищити доброякісність сатураційного соку і вихід цукру. При цьому розкриття вище перелічених невизначеностей шляхом проведення спеціальних експериментів в сезон виробництва на конкретному цукровому заводі вимагає значних витрат часу і високої кваліфікації дослідників. В основу запропонованого винаходу поставлено завдання створити спосіб безперервного контролю і управління рН і лужністю соків цукрового виробництва за лінійною математичною залежністю, що забезпечило б достовірність, підвищену точність виміру і підтримання заданих регламентних значень рН і лужності соку, і підвищило б доброякісність сатураційного соку і вихід цукру. Поставлене завдання вирішується тим, що спосіб безперервного контролю і управління рН і лужності сатураційних соків цукрового виробництва передбачає покроковий вимір поточних значень рНі і визначення лужності соку за математичною залежністю. Новим в даному способі є те, що вимірюють поточне значення рНі соку, визначають титруванням лужність соку, порівнюють фактичну лужність з заданою, після чого подачею сатураційного газу доводять лужність соку до регламентної, визначають задане значення рНзд відповідно до регламентного значення лужності соку, стабілізують це значення, внаслідок чого стабілізується масштабне значення рНmj, а при технологічній потребі в зміні регламентного значення лужності соку, відповідне йому задане значення рНзд, взаємозв'язане з лужністю, визначають розрахунком за лінійною залежністю: pHзд-7=(pHMj-7)/(1-e-ALзд/ALм), де рНзд - задане значення рН, що відповідає регламентному значенню лужності соку, од. рН; pHМj - масштабне значення рН для j-і експоненти залежності рН від лужності соку, од. рН; е - основа натурального логарифму; АLзд - задане регламентне значення лужності соку, % СаО; АLм - масштабне значення лужності соку, % СаО. Потім встановлюють задане значення регулятору рН, після чого відбирають пробу соку, аналізують її на лужність і, при необхідності, коригують завдання регулятору рН таким чином, щоб відповідне цьому завданню задане регламентне значення лужності мало раціональну чи оптимальну величину, після чого періодичними аналізами контролюють і коригують рівень стабільності лужності. Масштабне значення рН соку визначають як межу експоненціальної зміни рН при необмеженому зростанні лужності соку, а масштабне значення лужності соку приймають сталою величиною відповідно до встановленої лінійної залежності РНзд-7=(рНМj-7)/(1-e–Alзд/Alм), де рНзд - задане значення рН, відповідає регламентному значенню лужності соку, од. рН; рНМj - масштабне значення рН для j-ї експоненти залежності рН від лужності соку, од. рH; е - основа натурального логарифму; АLзд - задане регламентне значення лужності соку, % СаО; АLм - масштабне значення лужності соку, % СаО. В залежності від умов рішення завдання контролю і управління, значення рН і рН визначають при поточній температурі чи при температурі 20°С. Сукупність усіх ознак способу за винаходом дозволяє одержати технічний результат - забезпечити достовірність, підвищену точність виміру і підтримання заданих регламентних значень рН і лужності соку, і відповідно підвищити доброякісність сатураційного соку і вихід цукру на 0,05-0,1%, що є вагомою величиною для крупнотоннажного виробництва. За рахунок нових ознак даний спосіб набуває нових властивостей. Проведені авторами численні експериментальні дослідження показали, що на першій сатурації рН20 сатураційного соку (значення рН сатураційного соку, приведене до 20°С) може змінюватись від 9,8 до 11,5 од., при цьому лужність соку змінюється від 0,05 до 0,17% СаО. Одному й тому ж стабілізованому значенню рН20 відповідають значення лужності, що змінюються в широких межах. Одному й тому ж стабілізованому значенню лужності відповідають значення рН, що також змінюються в широких межах. Обробка результатів проведених дослідів, їх аналіз в відповідності до роздробленого раніш методу відносних координат (Еременко Б.А. Автоматическое управление процессами свеклосахарного производства. – М.: Пищевая промышленность, 1976. - С. 34-36) привели до важливого загального закону, що ілюструє непередбаченість даного способу, а саме: кінетика процесу формується не значеннями окремих фізико-хімічних параметрів, а взаємозв'язком їх відносних величин. Для цього змінні величини перетворюються в відносні шляхом поділу їх поточних значень на масштабні ве 2 40071 личини. Масштабні значення змінних вибирають з умов узагальнення залежностей методом відносних координат. На основі цього закону процес сатурації узагальнено описується авторами аналітичною залежністю в відносних координатах: (рНі-7)/(рНМj-7)=1-е–ALi/ALм (2) Відносна координата рН формується відношенням поточного значення (рНi - 7) до його масштабного значення (рНMj - 7). Масштабне значення (рНMj - 7) - це межа зміни цього параметру за експоненціальним законом для j-ї експоненти при необмеженому зростанні лужності соку. В рівнянні (2) і далі значення приведені до 20°С. Масштабне значення лужності АLM можна вибрати довільно відповідно до умов (2). Значення ALM=0,04% СаО відповідає сталій лужності в процесі рН=f(AL), при якій рН=0,632 рНMj. При стабільному значенні рНi, прийнятому значенні ALM і сталому значенні рНMj лужність соку стабільна. При рНi=const значення рНMj може приймати те чи інше стабільне значення, кожному із яких відповідає своє стабільне значення ALi згідно умови (2). Значення pHMj виявляється при періодичних аналізах соку на лужність. Практичне застосування даного способу ілюструється прикладом його здійснення в промислових умовах. Приклад Запропонований спосіб здійснюють наступним чином. Дифузійний сік, що одержують в дифузійних апаратах екстрагуванням з бурякової! стружки, обробляють в апаратах дефеко-сатурації послідовно вапняним молоком і диоксидом вуглецю. В результаті одержують сатураційний сік, якій характеризується величиною рН і лужності. Лужність соку характеризують різними хімічними сполученнями, але умовно її виражають в % СаО, який є еквівалентним даній лужності. Даний спосіб безперервного контролю і управління рН і лужністю сатураційних соків цукрового виробництва здійснюють за допомогою автоматизованої системи. При цьому проводять покроковий вимір поточних значень рНі при температурі 20°С і визначення лужності соку за математичною залежністю. Вимірюють поточне значення рНі соку, визначають титруванням лужність сатураційного соку, порівнюють фактичну лужність з заданою. Після цього подачею сатураційного газу доводять лужність сатураційного соку до регламентного значення. Задане значення рНзд визначають відповідно до регламентного значення лужності соку, стабілізують це значення, внаслідок чого стабілізується масштабне значення рН соку. При технологічній потребі в зміні регламентного значення лужності соку, відповідне йому задане значення рНзд соку, взаємозв'язане з лужністю, визначають розрахунком за лінійною залежністю: РНзд-7=(рНМj-7)/(1-e–Alзд/Alм), де рНзд - задане значення рН, відповідає регламентному значенню лужності соку, од. рН; рНМj - масштабне значення рН для j-ї експоненти залежності рН від лужності соку, од. рН; е - основа натурального логарифму; ALзд - задане регламентне значення лужності соку, % СаО; ALМ - масштабне значення лужності соку, % СаО. Потім встановлюють задане значення регулятору рН, після чого відбирають пробу сатураційного соку, аналізують її на лужність і, при необхідності, коригують завдання регулятору рН таким чином, щоб відповідне цьому завданню задане регламентне значення лужності соку мало раціональну чи оптимальну/ величину, після чого періодичними аналізами контролюють і коригують рівень стабільності лужності. При цьому враховують, що високій лужності соку відповідає підвищена його доброякісність, але понижена швидкість фільтрування. Точне взаємозв'язане підтримання рН і лужності соку запропонованим способом дає можливість встановлювати і підтримувати оптимальний чи раціональний режим при високій доброякісності соку і задовільній швидкості фільтрування, що забезпечує підвищення виходу цукру в процесі виробництва на 0,05-0,1%. Масштабне значення рН соку визначають як межу експоненціальної зміни рН при необмеженому зростанні лужності соку, а масштабне значення лужності соку приймають сталою величиною відповідно до встановленої лінійної залежності: РНзд-7=(рНМj-7)/(1e–Alзд/Alм). Аналізом дослідних даних встановлені найважливіші висновки: 1) при pHi=const і рНMj=const ALi=const; 2) при рНi=const і зміні рНMj, лужність ALi стабілізується на рівні, що відповідає значенню рНMj згідно рівнянню (2). Значення рНMj при рНi=const змінюється на невелику величину: середнє відхилення рНMj в 2,3-3,5 разів менше, ніж середнє відхилення лужності соку; 3) при рНi¹const рНMj¹const і ALi¹const. Наведений аналіз показує, що треба точно підтримувати рНi=const і періодично перевіряти ALi=const титруванням проб соку за режимом, що встановлюється безпосередньо на об'єкті. Для аналітичного визначення значення лужності обов'язковою умовою є одночасний відбір проби соку на аналіз і фіксування значення pHi і температури соку. В залежності від умов рішення завдання контролю і управління, значення рНі і рНMj визначають при поточній температурі соку чи при температурі, приведеній до 20°С. Запропонований спосіб ілюструється даними трьох серій дослідів, що наведені в таблиці. В цій таблиці представлені результати лабораторних аналізів проб соку на приладі Каппуса, значення рН визначались лабораторним рН-метром і приведені до 20°С, відхилення параметрів представлені в відсотках від середніх значень в кожній серії дослідів. З наведених даних видно, що в серіях № 1 і № 2 значення рНі і ALі підтримуються стабільно, з невеликими, допустимими відхиленнями. В серії № 2 при таких же значеннях рН, що в серії № 1, значення рНі змінились, що призвело до зміни рівня лужності, але при цьому значення рНі, ALi і рНMj стабільні. 3 40071 В серії № 3 рНі, ALi і рНMj, мають суттєві відхилення поточних і середніх значень, чим підтверджується нестабільність ALi і рНMj при нестабільності рНі. Даний спосіб контролю і управління рН і лужністю соків цукрового виробництва випробувано автором в експериментальних умовах цукрового виробництва. Результати цих експериментів показали, що застосування даного способу за рахунок забезпечення достовірності, підтримання заданих значень рН і лужності соку першої та другої сату рацій, який одержують у процесі цукрового виробництва, дозволяє підвищити доброякісність сатураційного соку і відповідно підвищити вихід цукру на 0,05-0,1%. Джерела інформації 1. Инструкция по химико-технологическому контролю и учету сахарного протводства. - К.: ВНИИСП, 1983. 2. Авторское свидетельство СССР, № 1788464, м. кл. 01N33/02, публ. 15.01.1993, бюл. № 2 - прототип. Таблиця Результати лабораторних аналізів проб соку першої сатурації, одержаного при застосуванні способу за винаходом Досліди Серії дос- Характерис- № дослілідів, тика дів № 1 2 3 1 Значення 86 рН стабілі87 зовано при 88 рНMj=4,22 89 90 91 92 93 94 середнє 2 Значення 95 рН стабілі96 зовано при 97 рНMj=4,32 98 99 100 101 102 103 104 105 середнє 3 Значення 30 рН не стабі31 лізовано 32 33 34 35 36 37 38 39 40 середнє Результати вимірів Результати розрахунку РНі - 7 AL рНMj - 7 значення відхилення значення % відхилення значення відхиленCaO % рН ня % рН % 4 5 6 7 8 9 3,87 +0,25 0,097 -1,02 4,24 +0,48 3,87 +0,25 0,100 +2,04 4,22 0 3,83 -0,76 0,098 0 4,19 -0,72 3,82 -1,04 0,098 0 4,19 -0,72 3,84 -0,51 0,095 -3,06 4,23 +024 3,86 0 0,098 0 4,22 0 3,87 +0,25 0,099 +1,02 4,22 0 3,86 0 0,098 0 4,22 0 3,86 0 0,096 -2,04 4,24 +0,48 3,86 0,34 0,098 1,02 4,22 0,29 3,88 +0,51 0,090 +1,12 4,34 +0,46 3,87 +0,25 0,090 +1,12 4,33 +0,23 3,86 0 0,091 +2,20 4,30 -0,46 3,84 -0,51 0,090 +1,12 4,29 -0,69 3,80 -1,04 0,089 0 4,26 -1,39 3,88 +0,51 0,090 +1,12 4,34 +0,46 3,94 +1,55 0,091 +2,20 4,39 +1,52 3,86 0 0,086 -3,73 4,37 +1,17 3,83 -0,76 0,088 -1,12 4,31 -0,23 3,87 +0,25 0,089 0 4,34 +0,46 3,83 -0,76 0,086 -3,37 4,34 +0,46 3,86 0,56 0,089 1,52 4,32 0,68 4,00 -0,98 0,075 -3,85 4,72 -0,63 4,03 -0,25 0,070 -10,26 4,89 +2,7 4,30 +3,96 0,082 +5,13 4,82 +1,47 4,78 -6,42 0,064 -17,95 4,74 -0,21 4,22 +4,45 0,090 +15,40 4,72 -0,63 3,74 -7,43 0,060 -23,08 4,81 +1,26 4,08 +0,98 0,071 -8,97 4,91 +3,36 4,12 +1,97 0,090 +15,38 4,66 -1,89 3,92 -2,98 0,072 -7,19 4,70 -1,05 4,00 -0,98 0,081 +3,85 4,61 -1,26 4,34 +11,86 0,100 +28,21 4,73 -0,42 4,04 3,84 0,078 12,67 4,75 1,42 4 40071 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2001 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 50 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 5