Формализация процесса управления СО2 - экстракции растительного сырья

DOI: 10.32743/UniTech.2021.82.1-1.24-26

АННОТАЦИЯ

В данной работе рассмотрены вопросы формализации технологического процесса растительного сырья сжиженным углекислым газом как объект управления. Разработана концептуальной модель объекта управления (ОУ) производством экстракции растительного сырья. Предложена двухуровневая схема системы управления процессом экстракции, позволяющая производить оценку текущего состояния технологического процесса на основе первичных данных.

ABSTRACT

This paper discusses the issues of formalizing the technological process of plant raw materials with liquefied carbon dioxide as a control object. Developed a conceptual model of control object of production extraction the plant raw material. Proposed a two-level scheme of the control system of the process extraction, which makes it possible to assess the current state of the technological process based on primary data.

Ключевые слова: концептуальная модель, экстракция, СО₂-экстракт, экстрагент, управление, схема, двухуровневая система управления, статическо-математическая модель.

Keywords: conceptual model, extraction, СО₂-extract, extractant, control, scheme, two-level control system, statistical and mathematical model.

В мире особое внимание уделяется повышению эффективности производства и мощности технологических агрегатов динамических объектов за счет сокращения энерго- и ресурсозатрат и применения современных технологий при создании высокопроизводительных и экономически эффективных систем управления. При этом одним из основных направлений технологического развития является повышение производительности, улучшение качества продукции, снижение затрат, улучшение условий труда и защиты окружающей среды с применением современных методов и технологий управления производством. В этом направлении определенные успехи достигнуты в ведущих странах мира, таких как США, Германия, Испания, Китай, Россия, Индия, Украина и др., где активно разрабатываются методы рационального использования веществ в сверхкритическом состоянии, в замкнутых технологических системах и других технологиях.

В последнее десятилетие в развитых странах мира активно разрабатывается проблема рационального использования веществ в сверхкритическом состоянии в замкнутых технологических циклах и других высоких технологиях.

В работе для решения поставленной проблемы рассматривается использование в качестве растворителя сжиженного углекислого газа. Это обусловлено тем, что процесс является высокорентабельным и более технологичным, что позволяет производить переработку не только высококачественного сырья, но и отходов производства при экстрагировании основных компонентов из растительного сырья, придающем более высокое качество целевому продукту.

Экстракция углекислым газом в сжиженном состоянии существенно расширяет спектр выделяемых биологически активных соединений и позволяет получать биологически активные вещества в конечном продукте.

Другим преимуществом экстракции растительного сырья углекислым газом является то, что после экстракции легко отделяются труднолетучие компоненты, а также экстрагент при снижении температуры и/или давления.

На эффективность процесса экстракции растительного сырья сжиженным углекислым газом решающее влияние имеют такие параметры, как вязкость, температура и давление экстрагента, пористость и порозность сырья, размер частиц (измельчение) экстрагируемого материала, поверхность раздела фаз и другие.

На основе анализа процесса экстракции растительного сырья как объекта управления выделены основные факторы, существенно влияющие на рассматриваемый процесс, которые отражены в виде концептуальной модели, являющейся основой создания эффективной системы управления процессом.

Построение концептуальной модели процесса экстракции имеет ряд особенностей, связанных, прежде всего, с большим количеством рассматриваемых параметров, сложностью описания взаимосвязей между ними и недостаточностью знаний о процессе.

Вид и форма математической модели определяются задачами исследования и природой исследуемого объекта.

Следуя методу анализа иерархий, первоначально выделяются группы факторов, объединенные по какому-либо признаку. Затем выделяются наиболее существенные факторы в каждой группе. На основании оценки значимости и влияния групп и отдельных факторов выбираются наиболее существенные факторы, которые и будут в дальнейшем являться входами и выходами математической модели.

В результате исследования процесса экстракции растительного сырья сжиженным углекислым газом нами разработана структурная и параметрическая схемы концептуальной модели процесса (рис. 1).

Рисунок 1. Концептуальная модель ОУ производства экстракции растительного сырья

Анализ технологического объекта управления позволил выделить входные и выходные переменные:

На основании системного анализа процесса экстракции определены следующие переменные:

1. управлямые переменные: С_кон – концентрация готового экстракта; С_а – концентрация СО₂;
2. управляющие переменные: ВT – расход теплоагента в процессе экстракции; τ – длительность процесса экстракции; Р – давления экстрагента; Т – температура экстрагента; Q₁ – масса сырья; Q₂ – масса экстрагента; S – площадь диффундирующей частицы;
3. возмущающее воздействие: TS – вкус исходного сырья; CL – цвет исходного сырья; СR – измельченность сырья; РR – пористость сырья; ν – скорость относительного перемещения фаз; η – вязкость экстрагента; R_с – средний радиус частицы сырья; β – коэффициент конвективной диффузии; d – толщина диффузионного слоя; D_св – коэффициент свободной диффузии; D_вн – коэффициент внутренней диффузии; ψ – плотность распределения целевого компонента; КW – коэффициент вымывания; К – коэффициент массопередачи; С_нас – концентрация насыщения экстрагента целевым компонентом.

Существенным моментом является определение границ системы по отношению к внешней среде. Может оказаться, что в качестве управляющих воздействий будут использоваться факторы, являющиеся по сути промежуточными. Например, для большинства технологических процессов пищевой промышленности существенным управляющим воздействием является температура процесса, для химической промышленности весьма характерно использование в качестве управляющего воздействия давления в аппарате. Для рассматриваемого объекта в качестве управляющего воздействие температуры или давления является оправданным, так как упрощает математическую модель, выделяя ее суть, а также повышает универсальность математической модели, позволяя моделировать процесс в разных аппаратурных исполнениях.

На основании полученной параметрической схемы на втором этапе производятся анализ и представление внутренней структуры системы.

Эта задача решается разработкой двухуровневой системы управления, позволяющей на основе первичных данных производить оценку текущего состояния технологического процесса и формировать управление процессом в соответствии с поставленной целью (рис. 2).

Рисунок 2. Схема взаимосвязи задач системы управления

Такая система может быть реализована на основе математической модели процесса экстракции, адекватно представляющей реальный процесс. При этом на верхнем уровне решаются задачи определения оптимального режима работы агрегата на основе статическо-математической модели процесса (статический режим), а на нижнем уровне решаются задачи стабилизации технологических параметров, позволяющие поддержать заданный режим работы.

Список литературы:

1. Водяник А.Р., Шадрин А.Ю., Синев М.Ю. Сверхкритическая флюидная экстракция природного сырья: мировой опыт и ситуация в России // Сверхкритические Флюиды: Теория и Практика. – 2008. – Т. 3. – № 2. – С. 58–69.
2. Касьянов Г.А. Теория газожидкостных технологий / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://krkgi.ru/glav/co2tech/extraction.htm.
3. Файзиев Ш.И., Абидов К.З., Гафуров К.Х. Экспериментальное исследование технологического процесса СО₂-экстракции ингредиентов из растительного сырья // Universum: технические науки: научный журнал. – М., 2020. – № 8 (77). – Ч. 1. – С. 44–47.
4. Automatic control system for the concentration of ingredients from vegetable raw materials using liquefied CO₂ / I.X. Siddikov, Sh.I. Fayziev, K.Kh. Gafurov, U.M. Ibragimov // International Journal of Advanced Science and Technology. – 2020. – Vol. 29. – № 11s. – P. 32–37.
5. Gafurov K.Kh., Ibragimov U.M., Fayziev Sh.I. Statistical-mathematical model of the process of extraction of pumpkin seeds by CO2-extraction // Austrian Journal of Technical and Natural Sciences. Austria. – 2017. – № 1–2. – P. 59–63.