Оптимизация процесса гранулирования комбикормов для птиц на пресс-грануляторах с кольцевой вертикальной матрицей

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ГРАНУЛИРОВАНИЯ КОМБИКОРМОВ ДЛЯ ПТИЦ НА ПРЕСС-ГРАНУЛЯТОРАХ С КОЛЬЦЕВОЙ ВЕРТИКАЛЬНОЙ МАТРИЦЕЙ

Ж.В. КОШАК, А.Э. КОШАК, А.В. ИВАНОВ, Г.А. ЖОЛИК

Аннотация

В статье рассматривается процесс гранулирования комбикормов на пресс-грануляторах с кольцевой вертикальной матрицей. Установлены факторы, влияющие на удельную энергоемкость процесса гранулирования. Получены аналитические модели, описывающие влияние содержания зерновых культур, шротов и масел в рецепте комбикорма, удельного расхода пара и коэффициента рабочей поверхности матрицы на удельную энергоемкость процесса измельчения и производительность пресс-гранулятора. Проведен анализ влияния параметров процесса на удельную энергоемкость и производительность пресс-гранулятора с использованием карты Парето и поверхности отклика. Проведена оптимизация процесса гранулирования комбикормов для птиц с использованием максиминной стратегии. Определены оптимальные параметры процесса гранулирования, при которых достигается минимальная удельная энергоемкость при заданной производительности пресс-гранулятора.

The article examines the process of granulating combined feeds on press-granulators with ring vertical matrix. We have established the factors which influence specific energy consumption of the process of granulating. We have obtained analytical models, which describe the influence of the content of grain crops, meals and oils in the composition of combined feed, specific consumption of vapour and coefficient of the working surface of matrix on the specific energy consumption of the process of grinding and the productivity of press-granulator. We have analyzed the influence of process parameters on the specific energy consumption and productivity of press-granulator with the use of Pareto map and response surface. We have conducted optimization of the process of granulating combined feeds for poultry with the use of maximin strategy. We have determined optimal parameters of the process of granulating, which help to achieve minimal specific energy consumption at the set productivity of press-granulator.

Введение

Процесс гранулирования является одним из основных при производстве гранулированных комбикормов. От правильности организации технологического процесса зависит его эффективность. Эффективность процесса гранулирования зависит от ряда факторов, основными из которых являются: состав комбикорма, производительность пресс-гранулятора, удельная энергоемкость, удельный расход пара на гранулирование, износ поверхности матрицы.

Анализ источников. Основными выходными параметрами процесса гранулирования являются удельная энергоемкость и производительность пресс-гранулятора [1, 2]. В настоящее время процесс гранулирования изучается разнонаправленно, что приводит к частичному решению проблем качества гранулированных комбикормов, производительности пресс-гранулятора и удельной энергоемкости процесса [3, 4]. Большинство авторов рассматривают снижение удельной энергоемкости процесса гранулирования, не решая проблем процессов, протекающих на пресс-грануляторах, а занимаясь экономией электроэнергии в административно-бытовых помещениях и т.п. [5].

Методы исследования. Для проведения оптимизации процесса гранулирования по удельной энергоемкости процесса и производительности пресс-гранулятора на начальном этапе было осуществлено центральное композиционное планирование, а именно полный факторный эксперимент (ПФЭ) 2⁴ со звездой [6-8].

В результате был построен план активного эксперимента, который был проведен в производственных условиях на пресс-грануляторах «Матадор». В процессе проведения эксперимента замерялись производительность пресс-гранулятора и активная, реактивная и полная мощность, потребляемая пресс-гранулятором при данной производительности. Производительность пресс-гранулятора измеряли с помощью специально разработанного перекидного клапана [9]. Погрешность определения производительности составляла 2%. Активную, реактивную, полную мощность замеряли специальными токоизмерительными клещами A-KIP 4022. Обработку полученных результатов проводили с помощью программы Statgraphics Plus, которая позволяет произвести анализ результатов планирования эксперимента.

Основная часть

В результате была получена аналитическая модель, описывающая влияние содержания шротов и масел в комбикорме, удельного расхода пара, содержания зерновых культур в комбикорме и коэффициента рабочей поверхности, который характеризует степень износа матрицы на удельную энергоемкость процесса гранулирования. В изучаемых комбикормах для цыплят бройлеров содержание зерновых культур изменяли от 45% до 70%. В состав комбикормов входила смесь следующих зерновых культур: кукуруза, ячмень, пшеница в определенном соотношении.

Полученная аналитическая модель имеет вид:

P_УД = 158,10 - 265,087• К_РП - 0,54• С_{ШР_М}- 0,51• F_УД - 1,59• C_З + 258,15• К_РП²- 0,21• К_РП • С_{ШР_М} -0,27• К_РП •F_УД - 0,80• К_РП • C_З + 0,0091• С_{ШР_М}²- 0,0038• С_{ШР_М} • F_УД + 0,00097• С_{ШР_М} • C_З + 0,0073• F_УД²- 0,00014• F_УД • C_З +0,020• C_З², (1)

гранулирование кольцевой матрица комбикорм

где P_УД - удельная энергоемкость процесса гранулирования, кВт?ч/т; К_РП - коэффициент рабочей поверхности; С_{ШР_М} - содержание шротов и масел в комбикорме, %; F_УД - удельный расход пара, кг/т; С_З - содержание зерновых культур в комбикорме, %.

Коэффициенты в правой части полученной аналитической модели имеют размерность, которая учитывает размерность выходной функции в левой части.

Степень влияния факторов на выходную функцию процесса гранулирования и значимость коэффициентов модели определяли с использованием карты Парето, представленной на рис. 1. Карта Парето - разновидность столбиковой диаграммы, применяемой для наглядного отображения рассматриваемых факторов в порядке уменьшения их значимости. На карте Парето представлены четыре фактора и эффекты взаимодействия факторов между собой, расположенные в порядке убывания степени их влияния. Все факторы и эффекты взаимодействия факторов, пересекающие линию значимости, существенно влияют на удельную энергоемкость процесса гранулирования. Карта Парето строится на основе распределения Парето. Расчеты распределения Парето достаточно сложные, поэтому для упрощения расчетов используется программа Statgraphics Plus, которая строит карту Парето автоматически на основе представленных данных. По оси Х нанесены величины стандартизированного безразмерного эффекта, характеризующего важность каждого из факторов и эффектов взаимодействия [6].

Рис. 1. Карта Парето для удельной энергоемкости процесса гранулирования

На удельную энергоемкость процесса гранулирования наибольшее влияние оказывает удельный расход пара F_УД, с увеличением удельного расхода пара удельная энергоемкость процесса будет снижаться. На втором месте по степени влияния находится коэффициент рабочей поверхности К_РП, с увеличением значения коэффициента рабочей поверхности удельная энергоемкость процесса гранулирования также будет уменьшаться. На третьем месте находится содержание зерновых культур в комбикорме, с увеличением содержания зерновых культур удельная энергоемкость процесса будет увеличиваться. На четвертом месте находится эффект взаимодействия К_РП², характеризующий износ поверхности матрицы, с увеличением данного эффекта удельная энергоемкость процесса гранулирования будет увеличиваться. Все остальные эффекты взаимодействия факторов и факторы оказывают менее существенное воздействие на удельную энергоемкость процесса гранулирования. С увеличением значений эффектов и фактора С_{ШР М}, пересекающих линию значимости, удельная энергоемкость процесса гранулирования будет уменьшаться. Все остальные эффекты взаимодействия не оказывают существенного влияния на удельную энергоемкость процесса гранулирования.

На основании полученных данных была построена поверхность отклика, показывающая изменение значения удельной энергоемкости процесса гранулирования при увеличении значений коэффициента рабочей поверхности и содержания шротов и масел в комбикорме. Поверхность отклика удельной энергоемкости процесса гранулирования представлена на рис. 2. Поверхность отклика имеет минимум, соответствующий минимальной удельной энергоемкости процесса гранулирования. Минимальные значения удельной энергоемкости процесса достигаются при удельном расходе пара 40 кг/т, содержании зерновых культур 57,61%, при изменении коэффициента рабочей поверхности от 0,58 до 0,65 и содержании шротов и масел от 32 до 40%. При этих значениях факторов минимум удельной энергоемкости процесса гранулирования равен 10 кВт?ч/т.

Рис. 2. Поверхность отклика удельной энергоемкости процесса гранулирования при удельном расходе пара 40 кг/т и содержании зерновых культур в комбикорме 57,61%

Все полученные параметры процесса гранулирования, при которых достигается минимальная энергоемкость процесса гранулирования, контролировать просто; так, расход пара контролируется с помощью расходомеров, содержание всех компонентов комбикорма строго контролируется, для этого используются дозаторы (объемные либо весовые), износ рабочей поверхности матрицы можно контролировать визуально или по времени работы матрицы в пресс-грануляторе.

Адекватность аналитической модели (1) определялась с использованием критерия Фишера. Полученная аналитическая модель (1) является адекватной (F_эксп=0,99;F_табл=2,346, т.е.F_эксп<F_табл). Полученная аналитическая модель (1) также работоспособна, т.к. R²=0,94, что больше рекомендуемого R²=0,75.

Аналитическая модель зависимости производительности пресс-гранулятора от коэффициента рабочей поверхности, содержания шротов и масел в комбикорме, содержания зерновых культур в комбикорме и удельного расхода пара имеет вид:

Q_ГР = 19,9 -8,3 К_РП + 0,23 С_{ШР_М} + 0,032 F_УД- 0,46 C_З+0,0014• F_УД²+ 0,0026•F_УД? C_З - 0,019?С_{ШР_М}² + 0,1825• К_РП • С_{ШР_М} + 0,0021• C_З², (2)

где Q_ГР - производительность пресс-гранулятора, т/ч; К_РП - коэффициент поверхности захвата; С_{ШР_М} - содержание шротов и масел в комбикорме, %; F_УД - удельный расход пара, кг/т; С_З - содержание зерновых культур в комбикорме, %.

Полученная аналитическая модель (2) является адекватной (F_эксп=0,539; F_табл=2,346, т.е. F_эксп<F_табл) и работоспособной, коэффициент детерминации R² = 0,97. Степень влияния факторов на производительность пресс-гранулятора и значимость коэффициентов аналитической модели представлена на карте Парето, рис. 3.

Рис. 3. Карта Парето для производительности пресс-гранулятора

Анализируя рис. 3, видим, что наибольшее влияние на производительность пресс-гранулятора оказывает содержание шротов и масел в комбикорме, с увеличением их содержания производительность пресс-гранулятора будет возрастать. На втором месте по степени влияния находится удельный расход пара на гранулирование, с увеличением расхода производительность пресс-гранулятора будет увеличиваться. На третьем месте находится коэффициент рабочей поверхности, и, чем больше его величина, тем меньше изношена поверхность матрицы, тем выше производительность пресс-гранулятора. При анализе поверхности отклика и контурной диаграммы получено, что при значениях коэффициента рабочей поверхности 0,45-0,53 и содержании шротов и масел от 33 до 40% будет наблюдаться максимальная производительность пресса-гранулятора - 15 т/ч.

Основной задачей оптимизации процесса гранулирования является получение наилучших из числа возможных параметров работы пресс-гранулятора, обеспечивающих получение минимальной удельной энергоемкости процесса при обеспечении необходимой производительности пресс-гранулятора.

При наличии регрессионной математической модели технического объекта (1) и (2) целевая функция для процесса гранулирования формируется в виде:

F(x) = c₁(P_УД(х) • Р_УДextr / Р_УДmax • Р_УДmin)²+ c₂ (Q_ГР(х) • Q_ГРextr / Q_ГРmax • Q_ГРmin)², (3)

где c₁, c₂ - коэффициенты, характеризующие значимость критериев; Р_УДmin, Р_УДmax - минимальное и максимальное значение удельной энергоемкости процесса гранулирования, достигаемое в области варьирования факторов в процессе эксперимента; Q_ГРmin, Q_ГРmax - минимальное и максимальное значение производительности пресс-гранулятора, достигаемое в области варьирования факторов в процессе эксперимента; Р_УДextr, Q_ГРextr - экстремальные значения удельной энергоемкости процесса гранулирования и производительности пресс-гранулятора.

Целевая функция (3) подлежит минимизации. Она позволяет обеспечить максимальное приближение всех критериев к их экстремальным значениям и реализует стратегию минимакса. Математическое решение задачи оптимизации процесса гранулирования проводилось в системе MathCAD. При этом в целевой функции проводилось пошаговое фиксирование значения производительности пресс-гранулятора и находились параметры процесса, обеспечивающие минимальную для данного случая удельную энергоемкость процесса гранулирования.

В результате решения задачи оптимизации были получены оптимальные значения параметров при гранулировании, которые представлены в таблице.

Таблица. Значения параметров процесса гранулирования, при которых достигается минимальная удельная энергоемкость процесса гранулирования при заданной производительности

Выводы

Полученные значения параметров (коэффициент рабочей поверхности, содержание шротов, масел, зерновых культур в комбикорме и удельный расход пара) позволяют получить минимальные значения удельной энергоемкости процесса гранулирования при заданной производительности пресс-гранулятора. Следует обратить внимание на то, что оптимальное содержание зерновых культур, шротов и масел в комбикорме достаточно часто используется в рецептах комбикормов для птиц. В противном случае перспективна разработка рецептов комбикормов, в которых учитывалась бы дополнительно и энергоемкость процесса гранулирования при сохранении питательной ценности комбикорма, его обменной энергии.

Литература

1. Дарманьян, П.М. Проблемы регулирования качества гранулированных комбикормов и их компонентов / П.М. Дарманьян // Комбикормовая промышленность.-1993.- № 2. - 52 с.

2. Егоров, Б.В. Научно-технические основы современной технологии комбикормов: автореф. дис. …докт. техн. наук: 05.18.01 / Б.В. Егоров; Одес. технол. ин-т. - Одесса,1991. - 32 с.

3. Классен, П.В. Основы техники гранулирования / П.В. Классен, И.Г. Гришаев. - М.: Химия, 1982. - 272 с.

4. Кошелев, А.Н. Производство комбикормов и кормовых смесей / А.Н. Кошелев, Л.А. Глебов. - М.: Агропромиздат, 1986. - 176 с.

5. Мазуха, Н. Универсальное реле тока для экономии электрической энергии / Н. Мазуха // Комбикорма. - 2008. - №2. - С. 51-52.

6. Остапчук, Н.В. Математическое моделирование технологических процессов хранения и переработки зерна / Н.В. Остапчук. - М.: Колос, 1977. - 239 с.

7. Тарасик, В.П. Математическое моделирование технических систем: учебник для вузов / В.П. Тарасик. - Минск: Дизайн ПРО, 2004. - 640 с.

8. Хажинский, М.А. Экономико-математическая модель процесса гранулирования комбикормов / М.А. Хажинский, П.И. Телес // ЦНИИТЭИ Минзага СССР. Серия «Экономика и организация производства», 1974. - 24 с.

9. Иванов, А.В. Определение производительности прессов-грануляторов с кольцевой матрицей / А.В. Иванов, Ж.В. Кошак, А.Э. Кошак // Пищевая промышленность: наука и технологии. - 2011. - № 3 [13]. - С. 95-100.

Размещено на Allbest.ru