Алгоритм микропроцессорного управления режимами теплонасосной технологии получения сухих СО2-экстрактов из растительного сырья

Перерабатывающая промышленность остаётся важнейшим сектором пищевой промышленности, развитие которого основано на результатах наукоёмких исследований пищевой технологии. Важнейшим фактором повышения эффективности производства является снижение энергетических затрат, приходящихся на единицу массы получаемой продукции [1]. Значительные возможности снижения энергозатрат, составляющих до 30% и более от себестоимости готовой продукции, создаются при автоматизации технологических процессов [2, 3] с использованием микропроцессорного управления технологическими параметрами. В настоящее время этот перспективный путь управления находит достойное место в решении актуальных задач энергосбережения [4–7].

Увеличение объёмов сухих СО 2 -экстрактов из растительного сырья и снижение их себестоимости представляют собой актуальную задачу, для решения которой разработана многоканальная система управления, позволяющая управлять температурными режимами сверхкритической флюидной СО 2 -экстракции растительного сырья и распылительной сушки жидкого экстракта с использованием каскадного трехступенчатого теплового насоса [8, 9]. Составной частью системы является микропроцессор, обеспечивающий приём и первичную обработку информации, полученной от датчиков, выдачу сигналов управления и связь системы с компьютером на основе программно-логического алгоритма управления.

В этой связи сформулирована цель работы: разработка алгоритма многоканального управления технологией получения сухих СО 2 -экстрактов по информации о ходе технологических процессов, получаемой с датчиков, и формирование в микропроцессоре выходных сигналов, устанавливающих логическую последовательность подачи управляющих воздействий, обеспечивающих стабилизацию технологических параметров в диапазоне заданных значений.

Методы

Для определения связей между технологическим оборудованием и средствами автоматизации, а также связей между отдельными элементами автоматизации разработана функциональная схема управления технологией получения сухих СО2-экстрактов (рисунок 1).

Схема содержит колонны экстрактора 1, 2; затворы 3–10; заслонки 39 – 42, 55–62; реверсивные насосы 11, 12, транспортеры 13, 14; газожидкостный сепаратор 15; газгольдер 16; двухступенчатый компрессор 17, рекуперативные теплообменники 18, 21, 54; резервуар для сжиженного диоксида углерода 19; флюидный насос 20; компрессор 22; распылительная сушилка 23 с форсункой; каскадный трехступенчатый тепловой насос, включающий компрессоры 24, 25, 26 соответственно первой второй и третьей ступени, конденсатор первой ступени 27, испарители-конденсаторы 28, 29; испаритель третьей ступени 30; терморегулирующие вентили 31, 32, 33; резервуар для накопления тосола 34; фильтр тонкой очистки отработанного воздуха 35; двухсекционный аппарат для конденсации влаги из воздуха с секциями 36 и 37; сборник конденсата 38; вентилятор 43; насосы 44, 45, 46; смесители 47, 48, 49; распределители потоков 50, 51, 52, 53; ресивер 63; микропроцессор 64; материальные и тепловые потоки: 1.0 – исходное измельченное растительное сырье; 1.1 – жидкий экстракт с высоким содержанием СО2, 1.2 – отработанное растительное сырье; 1.3 – пары диоксида углерода; 1.4 – сжиженный диоксид углерода; 1.5 – жидкий экстракт без СО2; 1.6 – сухой экстракт; 2.0 – воздух; 3.0 – конденсат; 4.0 – тосол; 5.0 – фреон R123; 6.0 – фреон R124; 7.0 – фреон R1270 (пропелен), датчики: расхода – FE; температуры – TE; уровня – HE; давления – PE; концентрации – СЕ.

В двухколонный экстрактор с попеременной работой колонн 1 и 2 в режимах экстракции и разгрузки подается измельченное растительное сырье и проводится экстракция диоксидом углерода в суб- или сверхкритическом состоянии с циркуляцией диоксида углерода через слой сырья реверсивными насосами 11 и 12 [10, 11].

Отработанное растительное сырье из колонн 1 и 2 соответственно через затворы 9, 10 выгружается и отводится транспортерами 13, 14. Во время проведения экстракции в колонне 1 исходное растительное сырье загружается в колонну 2. Отделившиеся пары диоксида углерода из газожидкостного сепаратора 15 направляются в газгольдер 16, а затем подвергаются компрессионному сжатию в двухступенчатом компрессоре 17 и конденсируются их при температуре минус 40 °С в рекуперативном теплообменнике 18 за счет теплообмена с промежуточным хладагентом, в качестве которого используется тосол с температурой минус 45 °С, подготовленного в испарителе 30 третьей ступени каскадного теплового насоса.

Полученный после рекуперативного теплообменника 18 сжиженный диоксид углерода отводится в резервуар 19 и флюидным насосом 20 подается в рекуперативный теплообменник 21, в котором нагревается до суб- или сверхкритического состояния при рекуперативном теплообмене со смесью горячей и холодной воды, подготовленной в смесителе 49.

Жидкий экстракт из газожидкостного сепаратора 15 компрессором 22 под давлением 5 МПа подается в форсунку распылительной сушилки 23. Одновременно в нижнюю часть распылительной сушилки в противотоке подается сушильный агент, в качестве которого используют воздух, нагретый в калорифере 54. Нагревание воздуха происходит при рекуперативном теплообмене с горячей водой, нагретой в конденсаторе 27 первой ступени каскадного теплового насоса.

После распылительной сушки отработанный воздух подвергается тонкой очистке в фильтре 35 до содержания пылевидной фракции не более 30 мг/м3 и проводится его кондиционирование в секции двухсекционного аппарата, работающей в режиме конденсации.

В эту же секцию через распределитель потоков 53 из резервуара 34 насосом 46 подается тосол с температурой минус 10 °С. На охлаждающей поверхности секции, работающей в режиме конденсации, посредством рекуперативного теплообмена отработанный воздух достигает «точку росы», и содержащаяся в нем влага конденсируется в снеговую шубу. При этом секция 37 двухсекционного аппарата для конденсации влаги из воздуха, работающая в режиме регенерации, отключается из контура рециркуляции тосола и размораживается горячей водой, подаваемой насосом 44 через распределитель потоков 50. Образовавшийся конденсат при размораживании снеговой шубы отводится сначала в сборник конденсата 38, а затем насосом 45 в смеситель 49. Переключение секций двухсекционного аппарата для конденсации влаги из отработанного воздуха с режима конденсации на режим регенерации и наоборот осуществляют синхронизированной работой клапанов 39, 40, 41, 42.

Температурные режимы при подготовке горячей воды и тосола обеспечивает каскадный трехступенчатый тепловой насос. С точки зрения минимальной мощности на компрессионное сжатие, что непосредственно связано с экономией энергетических ресурсов, в качестве рабочих тел используются: на первой ступени фреон R123, на второй ступени фреон R124 и на третьей ступени фреон R1270 (пропелен).

Кондиционированный воздух нагревается при рекуперативном теплообмене с горячей водой и вентилятором 43 возвращается в распылительную сушилку 23 с образованием контура рециркуляции.

Отработанную смесь горячей и холодной воды после рекуперативного теплообменника 21 и воды после секции 36 или 37, работающей в режиме регенерации смешиваются в смесителях 47, 48 и возвращаются в конденсатор 27 третьей ступени каскадного трехступенчатого теплового насоса в режиме замкнутого цикла.

Распределение потоков горячей воды после конденсатора 27 осуществляется с помощью распределителей потоков 50 и 51, распределение отработанного воздуха после фильтра тонкой очистки в секции 36, 57 распределителем 52 и тосола после резервуара 34 распределителем 53.

Полученные по предлагаемой технологии сухие СО 2 -экстракты в виде порошков хорошо растворяются в воде, характеризуются вяжущими, желчегонными, противомикробными, дезинфицирующими, общеукрепляющими эффектами [9].

Информация о ходе технологических процессов при получении сухих СО2-экстрактов из растительного сырья с помощью датчиков передается в микропроцессор 64, который по заложенному в него программно-логическому алгоритму осуществляет оперативное управление технологическими параметрами с учетом накладываемых на них ограничений, обусловленных рациональным использованием энергоносителей и снижением удельных энергозатрат. В установившемся режиме функционирования технологии микропроцессор непрерывно измеряет:

– количество растительного сырья, загружаемого в колонны экстрактора 1 и 2, воздействием на его расход;

– расход и температуру диоксида углерода, подаваемого флюидным насосом 20 в колонну экстрактора, работающую в режиме экстракции;

– частоту изменения направления движения жидкого диоксида углерода в режиме реверсивной циркуляции через слой измельченного сырья реверсивными насосами 11, 12 в колоннах экстрактора, работающих в режиме экстракции при закрытых затворах 3–10;

– продолжительность экстракции;

– расходы твердой фракции (отработанного растительного сырья), отводимой через затворы 9, 10 из колонн экстрактора 1, 2, работающих в режиме выгрузки, и жидкого экстракта с содержанием СО 2 , отводимого в сепаратор 15;

– расход отделившихся паров диоксида углерода от жидкого экстракта, отводимого из газгольдера 16;

– давление и температуру сжижения диоксида углерода, подаваемого в сборник 19;

– давление жидкого экстракта без СО 2 , создаваемого форсункой распылительной сушилки 23;

– расход и влажность сухого экстракта, отводимого из распылительной сушилки 23;

– влагосодержание и расход воздуха до и после распылительной сушилки 23;

– температуру конденсации влаги из воздуха в секции 36 или 37 двухсекционного аппарата для конденсации влаги, работающей в режиме конденсации;

– давление компрессионного сжатия рабочих тел в первой, второй и третьей ступени каскадного трехступенчатого теплового насоса;

– давление рабочих тел после дросселирования при истечении через терморегулирующие вентили первой 31, второй 32 и третьей 33 ступени каскадного трехступенчатого теплового насоса;

– температуру конденсации рабочего тела в конденсаторе 27 первой ступени, температуру рабочих тел в конденсаторах-испарителях второй и третьей ступенях 28 и 29, температуру кипения рабочего тела в испарителе 30 третьей ступени кас-

– температуру и расход тосола, подаваемого из испарителя третьей ступени 30 в рекуперативный теплообменник 18 на сжижение диоксида углерода;

– температуру и расход горячей воды, подаваемой насосом 44 в рекуперативный теплообменник 21 на нагревание сжиженного диоксида углерода, на нагревание кондиционированного воздуха в рекуперативный теплообменник 54 и на размораживание секции 36 или 37 двухсекционного аппарата для конденсации влаги, работающей в режиме регенерации.

кадного трехступенчатого теплового насоса;

Рисунок 1. Функциональная схема микропроцессорного управления теплонасосной технологией получения сухих СО 2 -экстрактов из растительного сырья

Figure 1. Functional diagram of microprocessor control of heat pump technology for obtaining dry CO2 extracts from plant materials

По измеренным параметрам микропроцессор осуществляет:

– регулирование расхода и давления диоксида углерода в субкритическом или в сверхкритическом состоянии при наполнении колонн двухколонного экстрактора в зависимости от объема загруженного измельченного растительного сырья воздействием на мощность привода флюидного насоса 20;

– синхронизированную работу затворов 3 – 10 с переключением колонн 1, 2 с режима экстракции на режим выгрузки отработанного сырья;

– программированное по времени управление режимом реверсивной циркуляции диоксида углерода через слой измельченного растительного сырья в колоннах двухколонного экстрактора 1 и 2, работающих в режиме экстракции, с изменением направления движения СО 2 реверсивными насосами 11 и 12;

– регулирование температуры и расхода воздуха, подаваемого на сушку, в зависимости от расхода жидкого экстракта без СО 2 , поступающего в распылительную сушилку, с коррекцией по влажности сухого экстракта;

– стабилизацию давления жидкого экстракта в форсунке распылительной сушилки;

По измеренным значениям влагосодержа-ния воздуха до и после распылительной сушилки 23 микропроцессор непрерывно определяет количество испарившейся влаги из жидкого экстракта по формуле:

,

V вых в^Х 7 рсв , где х^, хвЬ1Х - влагосодержание воздуха на входе и выходе из распылительной сушилки, кг/кг; р - плотность воздуха, кг/м3; V - объемный расход воздуха, м3/ч, и по количеству испарившейся влаги устанавливает расход тосола, подавае- мого на конденсацию водяных паров из воздуха в секцию двухсекционного аппарата 36 или 37, работающую в режимах конденсации.

Процесс конденсации влаги сопровождается увеличением снеговой шубы на охлаждающей поверхности секции двухсекционного аппарата 36 или 37, работающей в режиме конденсации, и снижением коэффициента теплопередачи от тосола к воздуху.

По измеренным значениям расхода и тем- пературы воздуха на входе и выходе из секции двухсекционного аппарата для конденсации влаги, работающей в режиме конденсации, а также температуры тосола на входе в эту сек- цию микропроцессор вычисляет текущее значение коэффициента теплопередачи по формуле:

к =

Q

F A t - р

где Q = Vc р(tx -12 ) - количество теплоты, подаваемой воздухом в секцию двухсекционного аппарата для конденсации влаги, работающей в режиме конденсации, кДж/ч; с, р - средние значения теплоемкости, кДж/(кг-К), плотности, кг/м3, воздуха; V – объемный расход воздуха, м3/ч; F – площадь охлаждающей поверхности секции двухсекционного аппарата для конденсации влаги, работающей в режиме конденсации, м2; Atcp = (А —12)/ln[(t] -13)/(t2 —t3)] — среднелогарифмический температурный напор, ℃; t1, t2 – температура воздуха соответственно на входе и выходе из секции двухсекционного аппарата для конденсации влаги, работающей в режиме конденсации, ℃; t3 – температура тосола на входе в секцию двухсекционного аппарата для конденсации влаги, работающей в режиме конденсации, ℃, и вырабатывает сигнал отклонения текущего значения коэффициента теплопередачи от заданного значения, по которому корректирует соотношение расходов «воздух – тосол» воздействием на расхода тосола.

При превышении влагосодержания кондиционированного воздуха значения 0,005 кг/кг микропроцессор посредством синхронизированной работы заслонок 55 – 62 переключает секцию аппарата для конденсации влаги из воздуха, работающую в режиме конденсации, на режим регенерации, с одновременной подачей горячей воды на размораживание секции, работающей в режиме регенерации, и отводом образовавшегося конденсата в сборник 38.

Подготовленный кондиционированный воздух направляют в ресивер 63, а затем вентилятором 45 подают сначала в рекуперативный теплообменник 54 и затем в распылительную сушилку в режиме замкнутого цикла.

Микропроцессор стабилизирует:

– температуру горячей воды при рекуперативном теплообмене с конденсируемыми парами фреона R123 в конденсаторе 27 первой ступени каскадного трехступенчатого теплового насоса;

устанавливает заданные значения:

– температуры конденсации паров фреона R123 и кипения фреона R124 в испарителе-конденсаторе 28 первой-второй ступени;

– температуры конденсации паров фреона R124 и кипения фреона R1270 в испарителе-конденсаторе 29 второй-третьей ступени;

– температуру тосола, получаемого при рекуперативном теплообмене с кипящим фреоном R 1270 в испарителе третьей ступени каскадного трехступенчатого теплового насоса.

Шевцов А.А. и др. Вестник ВГУИТ, 2026, Т. 88, №. 2, С. 36-43 Результаты и обсуждение

Предлагаемый алгоритм управления технологией получения сухих СО 2 -экстрактов из растительного сырья прошел производственную проверку на экспериментальном оборудовании в производственных условиях НПЦ ВНИИ Комбикормовой промышленности (г. Воронеж).

Выполнены экспериментальные исследования в установке для экстракции в суб- и сверхкритической среде фирмы ООО «ЛТД», содержащей экстракционный автоклав со следующими техническими характеристиками:

Рабочее давление (атм.) до Рабочая температура (°C) до Материал (из которого выполнен экстрактор) нерж. сталь

Внутренний объём (л) Внутренний диаметр (мм) Внутренняя высота (мм)

Материал уплотнений

Используемые флюиды

500;

250;

316L;

1,5;

106;

180;

политетрафторэтилен (тефлон);

сверхкритический диоксид углерода

Исследования процесса суб- и сверхкритической СО2-экстракции проводили с измельченным растительным сырьем на мельнице-дезинтеграторе МД-2, которое помещали в экстракционный картридж экстракционного сосуда. После установки картриджа в автоклав и закрытия крышки запускали в работу компрессор высокого давления с регулируемым приводом серии FROSP КВД и нагнетали суб- или сверхкритический диоксид углерода в экстракционный сосуд, где он взаимодействовал с измельченным растительным сырьем и растворял экстрагируемые вещества. Режим экстракции в жидком или флюидном состоянии СО2 задавался перед началом работы. Далее суб- или сверхкритический диоксид углерода с растворенными в нем экстрагируемыми веществами направлялся в сепаратор, в котором диоксид углерода менял свое агрегатное состояние, т. е. переходил в газовую фазу, газ отделялся от экстракта и направлялся в газгольдер. Отделившийся экстракт накапливался в нижней части автоклава и сливался в заранее подготовленную емкость. В процессе эксперимента по счетчику определяли затраты электроэнергии на процесс СО2-экстракции (таблица 1).

Управление технологией реализовано с помощью следующих контрольно-измерительных приборов и средств автоматизации.

Для регулирования расходов воздуха, воды и тосола использовались регуляторы фирмы Bürkert, в которых регулирующий клапан служит дроссельным участком. От разности давлений на клапане, заданной плотности и температуры среды определялся номинальный расход. Характеристики потока с датчика передавались в микропроцессор, который регулировал объемный расход, изменяя ход регулирующего клапана.

Для регулирования температурно-влажностных режимов тепловых и тепломассообменных процессов использовались программные задатчики ОВЕН МПР51-Щ4, к входам которых подключались датчики термометры сопротивления ТСМ/ТСП, установленные в потоках энергоносителей и в рабочих объемах аппаратов, а выход подключался к микропроцессору, который в свою очередь управлял электрическими исполнительными механизмами серии МЭО.

Контроль и регулирование давления СО 2 в потоках осуществлялось регулятором РДГК-10М фирмы TechnoComGroup.

Таблица 1.

Параметры процессов экстракции и сушки растительного сырья

Table 1.

Parameters of extraction and drying processes of plant raw materials

Растительное сырье	Способ экстракции	Режимы экстракции					Режимы распылительной сушки						k , Вт/(м2·C)	Выход экстракта, %	Энергозатраты, кДж/кг
		d экв , мм	Т , ℃	Р , МПа	τ , мин	τ р , мин	Р ф , МПа	G э , м3/ч	v в , м/с	Т в , о С	х в , г/кг	W , %
Корни цикория	I	2,0	10–12	10,0–10,4	60	5	0,3	4,1–4,2	0,4–0,5	58–60	5,0	1,8–2,4	600 – 650	20,2	310000
		4,0	14–15	12,2–13,0	50	5	0,2	4,0–4,1	0,2–0,3	55–57	4,8	2,2–2,5	650–700	22,3	308000
	II	6,0	39–41	20,1–20,5	3	3	0,4	4,1–4,2	0,4–0,5	55–56	4,9	1,7–2,0	750–800	24,5	264000
		8,0	49–51	38,5–40,0	23	3	0,5	4,1–4,2	0,4–0,5	55–57	5,0	2,7–3,0	650–700	25,2	288000
Трава зверобоя	I	0,25	10–11	10,0–10,5	60	5	0,3	4,1–4,2	0,3–0,4	58–60	5,0	1,5–1,8	600 – 650	1,5	310200
		0,50	20–21	12,1–13,0	40	5	0,2	4,0–4,1	0,3–0,4	55–57	4,8	1,6–1,9	750–800	1,8	332500
	II	0,50	40–41	15,5–16,0	18	3	0,4	4,0–4,1	0,2–0,3	55–56	4,9	2,7–3,0	650–700	2,8	360100
		1,00	49–50	38,0–40,0	15	3	0,5	4,1–4,2	0,4–0,5	55–57	5,0	2,9–3,0	750–800	3,2	360100
Spirulina platensis	I	0,25	9–10	10,0–10,5	35	5	0,3	4,1–4,2	0,3–0,4	58–60	5,0	2,2–2,5	650–700	0,05	450520
		0,50	14–15	12,1–13,0	40	5	0,2	4,0–4,1	0,3–0,4	55–57	4,8	1,7–2,0	650–700	0,07	520340
	II	0,50	39–40	15,5–16,0	18	3	0,4	4,0–4,1	0,2–0,3	55–56	4,9	2,7–3,0	750–800	0,08	870000
		1,00	49–50	20,0–20,5	15	3	0,5	4,1–4,2	0,2–0,3	55–57	5,0	1,5–1,8	650–700	0,09	950000

Примечение: I – докритическая экстракция; II – сверхкритическая экстракция Note: I – subcritical extraction; II – supercritical extraction

Оптимальные интервалы регулирования управляемых технологических параметров при получении сухих СО 2 -экстрактов из различного растительного сырья определены экспериментально (таблица 1).

Заключение

Предлагаемый алгоритм микропроцессорного управления технологией получения сухих СО 2 -экстрактов из растительного сырья:

– стабилизирует параметры в области рациональных значений, обеспечивающих максимальный выход сухих СО2-экстрактов из растительного сырья за счет точности и надежности управления технологическими параметрами;

– сужает интервал отклонения параметров теплоносителей, подготовленных в каскадном трехступенчатом парокомпрессионном тепловом насосе, от заданных интервалов значений, а следовательно, стабилизирует режимы работы основного и вспомогательного оборудования в оптимальной области их функционирования;

– позволяет снизить удельные энергозатраты на 7–10% за счет рационального использования энергоносителей в замкнутых термодинамических циклах.