Разработка математической регрессионной модели процесса прессования свекловичного жома на прессе глубокого отжима

Производство сушеного жома связано со значительными энергозатратами, обусловленными высокой начальной влажностью и необходимостью испарения влаги при его тепловой сушке в барабанных сушилках [3, 14].

Большинство сахарных заводов России для отжима влажного жома используют прессы предварительного отжима жома ПСЖН-68, позволяющими получить жом с влажностью 90–89% (содержание сухих веществ (СВ) 10–11%), и жомоотжимные прессы ГХ-2, на которых отжимают жом до влажности 82–86% (содержание СВ 14–18%) [4, 5].

На зарубежных сахарных заводах применение прессов глубокого отжима позволяет получать жом с влажностью 65–70 % (содержание СВ 30–35 %). При этом на отечественных сахарных заводах для производства 1 т сушёного гранулированного жома при СВ отжатого жома 17,0–17,5 %, затраты на природный газ достигают 90 %. А с учетом того, что стоимость тепловой энергии примерно в 30 раз превышает стоимость механической энергии, поэтому производители стремятся к максимально возможному механическому обезвоживанию жома, и как следствие снижению потребления газа на сушку отжатого жома [6]. Если на сахарных заводах европейских стран расход топлива на сушку жома составляет около 30 %, то в России он достигает 50 % топлива к массе сухого жома [7, 8, 19]. Поэтому для снижения значительной энергоемкости процесса сушки отжатого жома все чаще используется высокая эффективность механического обезвоживания жома при прессовании [9, 17, 18, 20].

С этой целью сахарные заводы оснащаются прессами глубокого отжима, что даёт возможность получить прессованный жом с содержанием СВ 25–30 %, что позволяет сократить расход топлива на сушку жома до 28,2–24,1 % к массе сушёного жома.

Высокое содержание СВ в отжатом жоме позволяет использовать высокопроизводительные современные сушильные установки и сушить весь вырабатываемый заводом жом [10–13].

Отжим свекловичного жома наиболее оптимальным способом позволяет повысить концентрацию сухих веществ в жоме. В среднем, выход сушёного жома составляет 4,5–5% к массе свёклы [15–16].

Таким образом, для повышения энергетической эффективности получения сухого гранулированного жома важно добиться на стадии прессования максимально возможного отжатия влаги.

Цель работы – выявление закономерностей изменения основных параметров свекловичного жома с начальной влажностью 88,3% на Боринском сахарном заводе (Липецкая область) в процессе его отжатия для вывода пресса глубокого отжима Babbini (Италия) на оптимальный режим работы с помощью частотного преобразователя электродвигателя привода.

Материалы и методы

Целевыми функциями при переработке свекловичного жома являются остаточное содержание сахара в жоме и кормовая ценность (содержание кормовых единиц), а параметрами – кислотность рН, влажность, размер частиц, длина свекловичной стружки. Содержание сахара в жоме необходимо минимизировать. Процесс отжима жома идет 35–45 мин. в зависимости от оборотов шнека пресса (среднее время 40 мин).

В качестве исходных параметров были приняты следующие параметры прессования свекловичного жома: начальная влажность (перед прессом) W н = 88,3 % и конечная влажность (после пресса) W к = 71,8 %; содержание сахара в жоме перед прессованием С хн = 2,28%; содержание сахара в жоме после прессования С хк = 1,9%; длина свекловичной стружки перед прессованием, l нэкв = 10–40 мм; длина свекловичной стружки после прессованием, l кэкв = 1,2–25 мм; общая биологическая обсемененность 0–1000 клеток в 1 г свекловичного жома; кислотность жома перед прессованием рН нп = 4,94; кислотность жома после прессования рН кп = 5,10; кислотность гранулированного жома рН гр = 5,37.

Установлено, что после 10 мин прессования влажность составляет 82,3%, после 20 мин – 71,6%, после 30 мин – 72,3%.

Возможно использование математического моделирования на основе аппарата нечеткой логики. Для реализации предлагаемой методики используется модуль Fuzzy Logic Toolbox, входящий в пакет MatLab, а для представления результатов моделирования в графическом виде, используют модуль Surfase Viewer [1]. Такие исследования предварительно проводились с помощью пакета прикладных программ CurveExpert 1.3 [2].

Полученные уравнения регрессии достаточно хорошо отражают закономерности изменения важнейших параметров: кормовой ценности прессованного жома и содержания в нем сахаров.

Вместе с тем, поскольку взаимные коэффициенты коэффициентов корреляции отдельных параметров эксперимента достаточно близки к 1, представляется целесообразным дополнительно исследовать влияние каждого из этих параметров на целевые параметры процесса: комовую ценность и остаточные сахара.

Изменения содержания сахара в жоме (таблица 1) описывались следующими уравнениями:

– в зависимости от кислотности жома в течение процесса прессования ус = 6,6925 - 1,7 х.. + 0,15х2Н

– в зависимости от влажности жома в течение процесса прессования

ус = 10,83 - 0,24xw + 0,0016х2,

– в зависимости от длины свекловичной стружки в течение процесса прессования

ус = 1,897 + 0,00069 xL + 0,0005х2

Изменение кормовой ценности (таблица 2) описывались следующими уравнениями;

– в зависимости от длины свекловичной стружки в течение процесса прессования у = 114 - 7,4365 х, + 0,14075х 2 кц                       L               L

– в зависимости от влажности жома в течение процесса прессования у^ = 916,3-17,6 хw + 0,084хW

– в зависимости от кислотности жома в течение процесса прессования у = 686,14 - 330,73 хрн + 40,787х2рн

В конечном результате было получено регрессионное уравнение, описывающее изменение содержания остаточного сахара в свекловичном жоме в процессе прессования:

у с = 4,248 – 0,180 х рН – 0,020 х w + 0,022 х L

Регрессионная статистика: множеств. R = 0,9960; R-квадрат = 0,9920; нормированный R-квадрат = 0,9681; стандартная ошибка σ = 0,02708.

Было получено регрессионное уравнение, описывающее изменение содержания кормовых единиц в свекловичном жоме в процессе прессования:

у с = 1328,178 – 142,566 х рН – 6,299 х w – 6,499 х L

Регрессионная статистика: множеств. R = 0,99554; R-квадрат = 0,99111; нормированный R-квадрат = 0,96445; стандартная ошибка σ = 5,562.

Полученные уравнения адекватно описывают изменение содержания сахара в жоме и его кормовой ценности в зависимости от кислотности и влажности жома, а также от длины свекловичной стружки. Графические результаты таких исследований приведены на рисунках 1–6.

Рисунок 1. Изменение содержания сахара в жоме в зависимости от его кислотности в течение процесса прессования

Figure 1. Change of sugar content in pulp depending on its acidity during the pressing process

Рисунок 2. Изменение содержания сахара в жоме в зависимости от влажности в течение процесса прессования

Figure 2. Change of sugar content in pulp depending on moisture during the pressing process

Рисунок 3. Изменение содержания сахара в жоме в зависимости от длины стружки в течение процесса прессования

Figure 3. Variation of sugar content in pulp depending on chip length during the pressing process

Рисунок 4. Изменение кормовой ценности жома в зависимости от длины стружки в течение процесса

прессования

Figure 4. Changes in feed value of pulp depending on chip length during the pressing process

Рисунок 5. Изменение кормовой ценности жома в зависимости от влажности стружки в течение процесса прессования

Figure 5. Changes in the feed value of pulp depending on the moisture content of the chips during the pressing process

Рисунок 6. Изменение кормовой ценности жома в зависимости от кислотности стружки в течение процесса прессования

Figure 6. Changes in the feed value of pulp depending on the acidity of the chips during the pressing process

Таблица 1.

Обработка данных предварительных экспериментов по выявлению остаточного сахара

Table 1.

Processing of data from preliminary experiments to detect residual sugar

Кислотность жома, х р н The acidity of the pulp, х р н	Влажность жома, х W , % Pulp moisture, x w ,%	Длина свекловичной стружки х L , мм Length of beet chips х L , mm	Содержание сахара в жоме у с , % Sugar content in pulp, u s ,%
4,04	88,9	26,9	2,28
4,37	87,3	21,23	2,156
4,7	83,7	15,52	2,01
5,03	77,4	9,76	1,977
5,37	71,8	4,05	1,901

Таблица 2.

Обработка данных предварительных экспериментов по выявлению кормовой ценности

Table 2.

Processing of data from preliminary experiments to identify the feed value

Кислотность жома, х р н The acidity of the pulp, х р н	Влажность жома, х W , % Pulp moisture, x w ,%	Длина свекловичной стружки х L , мм Length of beet chips х L , mm	Содержание кормовых единиц у кц Content of fodder units u cs
4,04	88,9	26,9	16
4,37	87,3	21,23	21,2
4,7	83,7	15,52	26,5
5,03	77,4	9,76	61,2
5,37	71,8	4,05	84

Выявлена значимость влияния каждого из основных технологических параметров (кислотность и влажность свекловичного жома, длина свекловичной стружки) на величину содержания сахара в жоме и его кормовую ценность. Полученные данные позволяют объективно оценивать работу пресса глубокого отжима и обосновать кинематический режим вращения шнеков, позволяющий минимизировать себестоимость готовой продукции.

Анализ полученных результатов моделирования говорит о том, что изображенные квадратичные зависимости имеют высокие коэффициенты R2, и, следовательно, они в достаточно мере адекватны реализуемому в процессе отжима влиянию изменяемых величин на итоговый результат.

Заключение

Были получены регрессионные уравнения, адекватно описывающие изменение содержания остаточного сахара и изменение содержания кормовых единиц в свекловичном жоме в процессе прессования.

Полученные квадратичные зависимости, имеющие достаточно высокие коэффициенты R2 адекватно описывают реализуемый процесс отжима свекловичного жома в прессе глубокого отжима с оценкой влияния изменяемых параметров на содержание остаточного сахара и кормовых единиц в свекловичном жоме.