Автоматизация управления вакуум-аппаратами периодического действия на основе модельной кривой кипения утфеля

Введение: В существующих исследованиях процесса уваривания утфеля в вакуум-аппаратах периодического действия (ВАПД) недостаточно изучена взаимосвязь между уровнем заполнения аппарата (L) и динамикой изменения массовой доли сухих веществ (Bx). Это ограничивает возможности точного управления процессом, что приводит к неоптимальным энергозатратам и снижению качества сахара.

Цель: Установить количественную зависимость между уровнем заполнения ВАПД, динамикой Bx и параметрами кривой кипения для разработки оптимизированной стратегии управления процессом уваривания утфеля.

Материалы и методы: Исследование проводилось на вакуум-аппаратах типа УВА-60С с использованием онлайн-мониторинга параметров (Bx, уровень, температура, давление). Кривая кипения аппроксимировалась сигмоидной функцией, а управление процессом осуществлялось с помощью адаптивного MPC-алгоритма. Статистическая обработка данных включала корреляционный и регрессионный анализ.

Результаты: Установлено, что оптимальный уровень заполнения аппарата составляет 60–70 %, при котором достигается максимальная эффективность процесса. Внедрение MPC-алгоритма позволило снизить коэффициент вариации размера кристаллов с 34,2 % до 28,7 %, сократить время цикла на 9,1 % и уменьшить энергопотребление на 14,3 %. Выявлена сильная корреляция между градиентом перенасыщения и качеством кристаллов (r = 0,82).

Выводы: Полученные результаты могут быть использованы на сахарных заводах для оптимизации процесса уваривания утфеля, снижения энергозатрат и повышения качества конечного продукта. Перспективным направлением является интеграция предложенного метода с системами предиктивной аналитики на основе ИИ.

1. «Автор», 2021

2. Гольденберг, С. П., Максимов, А. С., & Лапусь, А. П. (2017). Влияние формы распределения и размера кристаллов затравки на процесс кристаллизации сахарозы. Хранение и переработка сельхозсырья, (2), 40-44.

3. Goldenberg, S. P., Maksimov, A. S., & Lapus, A. P. (2017). Influence of seed crystal size and distribution on sucrose crystallization process. Storage and Processing of Farm Products, (2), 40-44. (In Russ.)

4. Еделев, Д. А., Тужилкин, В. И., Коваленок, В. А., Клемешов, Д. А., Мойсеяк, М. Б., Филинов, М. А., & Уразбаева, К. А. (2016). Альтернативная технология кристаллизации сахарозы. Хранение и переработка сельхозсырья, (1), 5-11.

5. Edelyov, D. A., Tuzhilkin, V. I., Kovalenok, V. A., Klemeshov, D. A., Moiseyak, M. B., Filinov, M. A., & Urazbayeva, K. A. (2016). Alternative sucrose crystallization technology. Storage and Processing of Farm Products, (1), 5-11. (In Russ.)

6. Клейменова, Н. Л., Орловцева, О. А., Ершов, С. В., & Дворянинова, О. П. (2018). Разработка системы автоматического управления производственным процессом уваривания утфеля I кристаллизации в вакуум-аппарате. Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий, 80(2), 101-107. https://doi.org/10.20914/2310-1202-2018-2-101-107

7. Kleymenova, N. L., Orlovtseva, O. A., Ershov, S. V., & Dvoryaninova, O. P. (2018). Development of automatic control system for massecuite boiling process in vacuum pan. Proceedings of the Voronezh State University of Engineering Technologies, 80(2), 101-107. (In Russ.) https://doi.org/10.20914/2310-1202-2018-2-101-107

8. Ковалёнок, В. А., Тужилкин, В. И., & Баскаков, А. В. (2010). Расчет массы выпаренной воды и добавляемого сиропа при кристаллизации сахарозы в вакуум-аппаратах. Хранение и переработка сельхозсырья, (9), 16-17.

9. Kovalenok, V. A., Tuzhilkin, V. I., & Baskakov, A. V. (2010). Calculation of water evaporation and syrup addition during sucrose crystallization in vacuum pans. Storage and Processing of Farm Products, (9), 16-17. (In Russ.)

10. Кравчук, А. Ф., Ладанюк, А. П., & Прокопенко, Ю. В. (2008). Алгоритм ситуационного управления процессом кристаллизации сахара в вакуум-аппарате периодического действия с механическим циркулятором. Автоматика. Автоматизація. Електротехнічні комплекси та системи, (1), 105-110.

11. Kravchuk, A. F., Ladanyuk, A. P., & Prokopenko, Y. V. (2008). Algorithm for situational control of sugar crystallization in batch vacuum pans with mechanical circulator. Automation. Electrotechnical Complexes and Systems, (1), 105-110. (In Russ.)

12. Кульнева, Н. Г., Федорук, В. А., Матвиенко, Н. А., & Пономарева, Е. М. (2021). Совершенствование кристаллизации утфелей в сахарном производстве. Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий, 83(1 (87)), 86-93. DOI: http://doi.org/10.20914/2310-1202-2021-1-86-93

13. Kulneva, N. G., Fedoruk, V. A., Matvienko, N. A., & Ponomareva, E. M. (2021). Improvement of massecuite crystallization in sugar production. Proceedings of the Voronezh State University of Engineering Technologies, 83(1 (87)), 86-93. (In Russ.) DOI: http://doi.org/10.20914/2310-1202-2021-1-86-93

14. Липская, Н. И., & Турбан, Т. И. (2008). Качество сахара и пути его повышения (рекомендации). Минск: Научно-практический центр НАН Беларуси по продовольствию.

15. Lipskaya, N. I., & Turban, T. I. (2008). Sugar quality and ways of its improvement (guidelines). Minsk: Scientific-Practical Center of NAS of Belarus for Food. (In Russ.)

16. Мирончук, В. Г., & Ещенко, О. А. (2013). Анализ процесса уваривания сахарных утфелей на основе имитационного моделирования. Пищевая промышленность: наука и технологии, 6(3), 45-53.

17. Mironchuk, V. G., & Eshchenko, O. A. (2013). Analysis of sugar massecuite boiling process based on simulation modeling. Food Industry: Science and Technologies, 6(3), 45-53. (In Russ.)

18. «Автор», 2024

19. Рожа, Л., Рожа, Я., Килпинен, С., & Миэлонен, Э. (2018). Достижения в кристаллизации сахара. Оборудование и контроль. Сахар, (4), 38-47.

20. Rozsa, L., Rozsa, Y., Kilpinen, S., & Mielonen, E. (2018). Advances in sugar crystallization. Equipment and control. Sugar, (4), 38-47. (In Russ.)

21. Тужилкин, В. И., Балыхин, М. Г., Лукин, Н. Д., & Ковалёнок, В. А. (2018). Новые технологии кристаллизации сахарозы. Достижения науки и техники АПК, 32(12), 82-85.

22. Tuzhilkin, V. I., Balykhin, M. G., Lukin, N. D., & Kovalenok, V. A. (2018). New sucrose crystallization technologies. Achievements of Science and Technology in Agro-Industrial Complex, 32(12), 82-85. (In Russ.)

23. «Автор», 2025

24. Ходеева, М. И., Василенко, В. А., & Кольцова, Э. М. (2020). Реализация математической модели кристаллизатора емкостного типа для клиент-серверного приложения. Успехи в химии и химической технологии, 34(6 (229)), 142-144.

25. Khodeeva, M. I., Vasilenko, V. A., & Koltsova, E. M. (2020). Implementation of mathematical model for tank crystallizer in client-server application. Advances in Chemistry and Chemical Technology, 34(6 (229)), 142-144. (In Russ.)