Автоматизированный контроль температуры плавления и твердости саломаса при оперативном управлении процессом гидрирования жиров

В общем балансе природных жиров, вырабатываемых в России предприятиями масложировой промышленности, примерно 65% приходится на долю растительных масел — подсолнечного, соевого, хлопкового и некоторых других.

Значительная часть растительных масел в рафинированном виде непосредственно используется как пищевой продукт, а также как жидкий жировой компонент разнообразных пищевых продуктов: маргаринов, кулинарных жиров, майонезов, хлебобулочных изделий, рыбных и овощных консервов и т. д. Вместе с тем все возрастающая часть растительных масел и топленых животных жиров, свободных жирных кислот (извлекаемых из отходов жироперерабатывающей промышленности) перерабатывается методами гидрирования и переэтери-фикации. При этом в зависимости от исходного сырья и режимов гидрогенизации получают жиры для маргариновой, хлебопекарной, кондитерской, пищеконцентратной продукции, для производства туалетного и хозяйственного мыла, стеарина, технологических смазок и т. п.

Химические превращения жиров играют большую роль в процессах их переработки, связанных с получением модифицированных жиров различных типов, глицерина, жирных кислот, мыла, поверхностно-активных веществ и синтетических моющих средств.

Для получения из жидких растительных масел жиров с твердой консистенцией широко используется процесс гидрогенизации .

Сущность процесса гидрирования заключается в целенаправленном изменении жирнокислотного состава масел и жиров в результате присоединения водорода к их ненасыщенным жирным кислотам и др. химических превращений, одновременно происходящих в присутствии катализатора.

Химические и физические свойства природных жиров зависят от их жирнокислотного состава и распределения жирных кислот в смеси триглицеридов.

Изменение жирнокислотного состава приводит к изменению глицеридного состава и свойств масел и жиров: повышаются их стойкость к окислительному и термическому воздействию, повышается температура плавления, изменяется пластичность и твердость, уменьшается йодное число. Гидрированию подвергают соевое, подсолнечное, хлопковое, арахисовое, рапсовое, горчичное и некоторые другие жидкие растительные масла, обладающие полутвердой консистенцией, пищевые топленые животные жиры и свободные жирные кислоты, извлеченные из соапстоков или технических жиров.

Глубину гидрирования и протекание параллельных реакций изомеризации ненасыщенных жирных кислот регулируют в зависимости от химического состава исходного сырья и назначения гидрированного продукта /1/.

Важнейшей областью применения гидрированных растительных масел и животных жиров является производство маргариновой продукции.

Путем частичного (селективного) гидрирования растительных масел и их смесей с животными жирами получают пластичные жиры, предназначенные в качестве основного (структурирующего) компонента маргаринов, кулинарных и кондитерских жиров с температурой плавления 31−34 °С, твердостью 160−320 г/см, йодным числом 62−82 и количеством твердых триглицеридов 20−4 0%. Гидрированием масел, жиров и свободных жирных кислот получают также гид-рогенизаты технического назначения для производства туалетного и хозяйственного мыла, технологических смазок, стеариновой кислоты и пр.

Контроль качественных характеристик гидрированного жира (техническое название — саломас) необходимо проводить на всех этапах производства, а также конечного продукта с целью получения гидрированного жира с параметрами, соответствующими техническим требованиям.

В настоящее время методы и оборудование, применяемые для анализа качественных характеристик процесса гидрирования, являются трудоемкими, требующими ручного труда, например, анализ твердости занимает не менее полутора часов. Природные и гидрированные пластичные жиры по существу представляют собой более или менее однородные суспензии твердых глицеридов в компонентах жидких при данной температуре. Только при очень низких температурах (около минус 40 °С) можно считать, что все компоненты жира находятся в твердом состоянии. Кроме того, отдельные глицери-ды плавятся в довольно широком диапазоне температур, поэтому наблюдаемое при нагревании жира объемное расширение слагается из объемного расширения твердых частиц и объемного расширения жидкой фазы. Твердость жира является функцией количества твердых триглицеридов. Твердостью называется способность материала сопротивляться проникновению в него другого, не получающего остаточных деформаций тела. Твердость характеризует консистенцию материала. Под термином «консистенция» ' понимают степень твердости (мягкости) полутвердых и полужидких тел, определяемую при помощи условных методов /2/. Поэтому необходима разработка метода и прибора на его основе для автоматического экспресс-анализа качественных характеристик саломаса. На производстве контроль процесса гидрогенизации ведут, определяя каждый час температуру плавления саломаса и два раза в смену твердость. Температуру плавления в цехе определяют, используя условный метод «по сползанию капли жира в открытом капилляре». Реализация этого метода требует большого объема ручной работы, зависит от профессионализма экспериментатора, что приводит к большой погрешности. Твердость саломаса определяют с помощью твердомера Каминского, имеющего большую погрешность, а также трудоемкого расчета, что снижает эффективность его использования .

Для получения качественного продукта, улучшения оперативного управления технологическим процессом и получения жиров с заданными качественными характеристиками в данной работе предложен метод определения этих характеристик, в основу которого положен дифференциальный термический анализ (ДТА). Этот метод позволяет определить сразу две физико-химические характеристики саломаса — температуру плавления и твердость саломаса.

Целью настоящей работы является разработка метода и измерительного комплекса автоматизированного контроля качественных характеристик саломаса (температуры плавления и твердости) для оперативного управления процессом гидрирования жиров.

Проектируемое средство измерений должно обладать определенной универсальностью к условиям измерения и технологическим свойствам и характеристикам объекта контроля, быть простым и надежным в эксплуатации.

Результаты измерения качественных характеристик саломаса необходимо эффективно использовать для оперативного управления процессом гидрирования, что предполагает разработку модели прогноза.

Диссертационная работа выполнена на кафедре автоматизации производственных процессов (АПП) Кубанского государственного технологического университета (КубГТУ). Представляемая работа непосредственно связана с выполнением х/д темы: 08.66.1 «Совершенствование технологий контроля и управления в технических системах» .

В работе рассмотрены основные проблемы контроля качественных характеристик саломаса, исследовано влияние качественных параметров на эффективность масложирового производства, обоснована необходимость оптимизации процесса измерений основных технологических параметров.

При критическом анализе существующих методов и средств контроля качественных параметров гидрированных жиров основное внимание уделялось методам, позволяющим автоматизировать процесс измерения.

Доказана возможность прогноза изменения температуры плавления саломаса по основным измеряемым параметрам процесса .

— 9 В работе показано, что проблема автоматизации контроля качества саломаса может быть решена на основе метода дифференциального термического анализа (ДТА). Исследования выявили хорошую воспроизводимость, слабую зависимость результатов измерения от условий их проведения и состояния объекта контроля.

Лабораторные исследования изготовленного макета показали высокие метрологические характеристики и надежность прибора.

Научная новизна и практическая значимость работы состоит в следующем:

— исследованы параметры технологического процесса гидрирования жиров и выявлены важнейшие для оперативного управления (температура плавления и твердость);

— проведены аналитические исследования погрешности измерений важнейших параметров существующими методами;

— обоснован метод ДТА для оперативного управления процессом гидрирования жиров и найдены аналитические соотношения для оценки погрешности измерений температуры плавления и твердости саломаса;

— разработана и реализована методика машинной обработки результатов дискретных измерений температуры плавления саломаса и твердости;

— получена нелинейная регрессионная модель, позволяющая по текущим измерениям параметров технологического процесса прогнозировать изменение температуры плавления саломаса, что облегчает оперативное управление процессом;

— разработано автоматическое цифровое измерительное устройство контроля качественных характеристик (твердости и температуры плавления) саломаса;

— разработана система автоматизированного контроля твердости и температуры плавления саломаса;

— предложен алгоритм работы макета измерительного устройства контроля качественных характеристик саломаса.

На защиту выносится:

— метод определения температуры плавления саломаса на основе ДТА;

— метод определения твердости на основе ДТА;

— статистическая оценка данных процесса гидрирования;

— макет автоматизированной системы определения качественных характеристик;

— технические решения, принятые при разработке средства измерения.

Автор выражает признательность кандидату технических наук, доценту Насибову З. Г., кандидату технических наук, профессору Пугачеву В. И., кандидату химических наук, доценту Доценко С. П., Азаду Эль Мостафе за помощь, оказанную при выполнении настоящей работы, а также всему коллективу кафедры АПП за доброжелательность и участие в обсуждении вопросов, возникавших в ходе работы.

— 126-ВЫВОДЫ

1.Анализ существующих методов и средств измерений качественных характеристик гидрированных жиров выявил отсутствие достаточно точных и надежных приборов автоматизированного контроля, что предопределило необходимость разработки новых средств контроля, адаптированных к условиям масло-жирового производства.

2.Проблема автоматизированного контроля качественных характеристик гидрированных жиров может наиболее эффективно решена на основе применения методики ДТА.

3. Аналитические исследования лабораторного ДТП датчика температуры плавления) позволили выявить факторы, влияющие на его погрешность и оценить ее.

4.Анализ метода ДТА позволил получить аналитические зависимости основных параметров саломаса от формы дифференциальной кривой, а также связь ее площади с твердостью и количеством твердых триглицеридов.

5.Экспериментальные исследования ДТА для определения качественных характеристик гидрированных жиров подтвердили эффективность его применения.

6.Разработан макет прибора автоматизированного контроля качества саломаса, схемотехнические решения для его реализации, алгоритм работы, обоснованы требования к точности и условиям функционирования измерительных средств макета прибора качественных характеристик саломаса.

7.На основании статистических данных процесса гидрирования получена нелинейная регрессионная модель, используя которую, можно прогнозировать изменение протекания процесса гидрирования и вводить соответствующее корректирующее воздействие.

8.Исследования по оценке периода дискретности контроля процесса гидрирования выявили необходимость более частого измерения температуры плавления саломаса (1 раз в 20 мин.).

9.Лабораторные и промышленные испытания макета проектируемого прибора автоматизированного контроля качественных характеристик саломаса выявили и доказали возможность его использования в составе технических средств контроля и управления процесса гидрирования триглицеридов жирных кислот.

— 128