Brevet FR2220581A1 — publié le 19741004

L'invention se rapporte à un dispositif pour la commande et la régulation du processus de cristallisation de solutions sucrées dans un appareil à cuire opérant de manière discontinue, dans lequel jusqu'à environ 25 de la croissance cristalline l'introduction peut être modifiée en fonction de la sursaturation, puis en fonction de la teneur en cristaux. Dans le procédé de cristallisation du sucre, on peut distinguer en gros les phases chronoloiques suivantes : introduction du sirop, concentration, ensemencement ou inoculation, phase de croissance cristalline environ 0 - 25 % de la teneur en cristaux, haute cuisson et décoction. Pour maintenir en activité la circulation de la masse en cuisson dans l'appareil à cuire, une certaine vitesse de vaporisation de l'eau est nécessaire, et celle-ci sera plus grande si la cuisson se fait sans agitateur mácani- que et plus faible s'il existe un agitateur. La vaporisation de l'eau par unité de temps - appelée en abrégé puissance de vaporisation - découle pour chaque appareil à cuire de la surface de chauffe installée et de la pression de la vapeur de chauffage. Si, par exemple, une décoction de 50ton- nes de sucre blanc, placée dans un appareil de 8 tonnes de puissance de vaporisation à l'heure doit produire des cristaux normaux de 0,6 mm de largeur de maille et si l'o sppaae---qne ces cristaux pour une cristallisation non retardée, nccessi- tent un temps de croissance de une heure et demie, une vaporisation d'eau de 8. 1,5 = 12 t serait idéale. Mais comme on alimente l'appareil avec 67 t de sirop d'apport à 70 degrés Brix , dont 17 t d'eau sont à vaporiser il s'ensuit qu'avec l'appauvrissement continuel en sucre du sirop, désigné pour simplifier "extraction du sucre provoqué par 11 excès d'eau. la cristallisation se trouve retardée, de sorte que la cristallisation des cristaux de 0,G mm ne peut pas se terminer au bout de une heure et demie, mais seulement au bout de 17 : 8 n 2,1 heures. Tout mètre cube d'eau supplémentaire, ajouté dans la phase initiale du processus, doit également entre vaporise Ceci coûte un supplément 'énergie thermique et conduit à un retard supplémentaire à la cristallisation, qui se traduit par une prolongation du temps de cuisson. La situation 5C mocifie lorsque, avec le même appareil,la m8me puissance de vaporisation et le mome sirop d'apport, on veut produire des cristaux bruts de 1 mm de largeur de maille qui nécessitent par exemple un temps de croissance de 2,4 heures dans le cas d'une cristallisation non retardée . Ici, une introduction d'eau de 2,2 t serait justifiée. L'extraction de sucre se déroulant plus lentement, présentée dans cet exemple, donne par ailleurs aussi lieu à des difficultés dans la cuisson manuelle. Dans bien des cas, on travaille donc avec un sirop d'apport de plus faible concentration . Le manque d'eau, lors de la cristallisation du sucre blanc et du sucre brut, n'est donc pas la règle, mais au contraire l'exception.En outre, une addition d'eau de temps à autre est justifiée lorsque des variations de concentration, dues à des incidents se produisent dans le jus rapport ou lorsque la puissance de vaporisation s'élève du fait de variations de la pression de la vapeur de chauffage. Les considérations qui précèdent ne se rapportent qu'à des bilans de sucre et eau pour la décoction globale. A une puissance de vaporisation demeurant à peu près constante, correspond une extraction de sucra, tout d'abord très faible dépendant largement de la surface existante du dé p8t de cristaux, mais qui augmente ensuite avec la progression de la cristallisation pour finalement être rapidement freinée par la vitesse de vaporisation existante.D'après les observations, l'introduction de jus, même pendant la phase initiale critique du processus, n'entraîne toutefois aucun inconvénient avec l'extraction de sucre plus faible par rapport à la quantité d'eau amenée pour autant que, jusqu'à ce que soit atteinte une teneur en cristaux d'environ 250%, des augmentations de niveau de 30 % ne soient pas sensiblement dépassées. Lors de la cristallisation à de faibles vitesses d'évaporation, l'introduction de jus pressente des avantages par rapport à l'introduction d'eau. La circulation par suite de l'accroissement plus lent de la consistance de la masse en cuisson (Magma), est moins compromise, les cristaux sont moins limités dans la liberté de leurs mouvements et il se forme moins de conglomérats. L'objet de la présente invention est par conséquent dans le cas d'un dispositif du type précité d'assurer un contrôle précis du processus en vue d'augmenter la qualité et d'établir entre ltextraction du sucre et la puissance d'évaporation un équilibre de nature à diminuer la dépense d'énergie et à réduire le temps de cuisson. Ce résultat est atteint selon l'invention par le fait que, dans la phase de cristallisation jusqu'à environ 25 *, la sursaturation est réglable à la valeur désirée par une modification correspondante de 1*introduction de sirop et que la régulation agit ensuite uniquement dans le sens d'un accroissement de l'introduction d'eau, lorsque la hauteur mesurée du niveau de la masse en cuisson dépasse la valeur de consigne, augmentant suivant un programme de niveau. On est ainsi assuré que le dispositif de commande automatique dans la grande majorité de toutes les applications, ne tire que du sirop, mais dans tous les autres cas, ne vaporise pas plus d'eau qu'il n'est nécessaire pour atteindre un temps de cuisson fixé, pour une puissance donnée de vaporisation. Sous l'angle de la technique de montage, cet équipement est relativement simple à réaliser, en raccordant par exemple un capteur de programme pour la - hauteur du niveau de consigne et un capteur pour la hauteur de niveau effective à un avertisseur de valeur limite, qui de son cOté, commute le régulateur entre la "soupape de réglage d'admission du jus" et la "soupape de réglage d'admission d'eau". On rnc-urt souvent à des systèmes de commande dans lesquels on utilise la viscosité comme paramètre de contrôle du processus de cuisson dans la phase de croissance jusqu'à 25 * de la teneur en cristaux et la consistance, dans les phases de haute cuisson et de décoction, pnrmètres qui sont transmis au régulateur comme grandeu-s de mesure.Dans une régulation de ce genre, il est opportun en liaison avec l'équipement mentionné précédemment d'augmenter la valeur de consigne pour la viscosité en fonction d'une valeur programma- ble de telle sorte que la modification de la relation entre la viscosité et la sursaturation soit compensée et de modifier la valeur de consigne pour la consistance réglable automati quement en fonction de la montée du niveau réelle mesurée. En outre, en dehors du temps de haute cuisson, c'est-à-dire pendant les pauses de rCulation de la consistance, la valeur de consigne pour la consistance sera de plus avantageusement affichée d'après la valeur réellement mesurée de la consistance. Par cette post-production automatique, on obtient d'une part une transition sans à-coup et continue de la phase de croissance de O à 25 ffi jusqu'à la haute cuisson et d'autre part aussi1 une modulation sans comparai- son manuelle dans le "maintien de la charge". L'invention sera mieux expliquée à l'aide du dessin ci-annexé sur lequel la figure 1 est le diagramme d'un procédé de cristallisation automatisé et, la figure 2 est un schéma-bloc du dispositif de commande automatique du procédé. Sur la figure 1, on a porté sur un axe des temps, les courbes mesurées de la viscosité a, de la consistance b et de la hauteur c du niveau de la masse en cuisson (magma) dans l'appareil à cuire. Au temps tO, commence l'introduction du sirop dans l'appsreil'à cuire . Au temps Tl , le corps de chauffe est couvert de sirop ; la soupape 5 d'admission du sirop se ferme après recouvrement de l'enceinte de chauffe au temps tl, toujours pour le mime niveau. Dans l'intervalle de temps de tl à t2 la concentration de la solution de sucre est mise en route Jusqu'à une valeur de sursaturation qui se trouve dans la plage métastable pour ltensemencement et dans une plage intermédiaire pour l'inoculation . Au temps t2, une quantité définie de cristaux de semence sont apportés ou inoculés.Dans l'intervalle de temps t2 à t3, les cristaux croissent de zéro à environ 25 % ; ici on obtient une sursaturation constante par introduction de jus OU, dans les cas d'exception, par introduction d'eau. La montée du niveau, lors de l'introduction de sirop, est surveillée et limitée. La sursaturation est saisie par la mesure de la viscosité a. Dans l'intervalle de temps t3 à t4, la phase--de haute cuisson s'enchaine, pour laquelle le paramètre primaire de conduite est la teneur en cristaux.Celle-ci est saisie à partir de la mesure de la consistance b, dont la valeur de consigne, réglable en fonction de la montée du niveau a été relevée Dans l'intervalle de temps t4 à t5, s'enchaîne ensuite la pha- se de décotion pour laquelle la hauteur maximale du niveau est atteinte et l'introduction de sirop est terminée. Au temps t5, c'est la fin de la décoction qui est saisie et exprimée par un signal de valeur limite de la consistance. Puis la décoc tion terminée est aérée et vidangée dans le malaxeur. Au temps t6 à t7, l'appareil à cuire est préparé pour une nouvelle charge, par exemple nettoyage à la vapeur , rinçage des Palettes et vidange. Le schéma de régulation sera mieux expli qué à l'aide de la fulgure 2. Dans l'appareil à cuire représenté @@@@@ @@@@@@@ chauffage à la vapeur peuvent être introduits au choix du sirop par la soupape 5 de réglage ou de l'eau par la soupape 6 de réglage. La hauteur c du niveau de la masse à cuire dans l'appareil 1 est saisie par capteur 3 de hauteur de niveau qui, à sa sortie met à disposition un si gnal électrique correspondant à la hauteur c du niveau du moment. Pour mesurer la viscosité et la consistance on utilise un capteur 2 de mesure.La viscosité ou la consistance de la masse en cuisson (magma) est saisie au moyen d'un corps de mesure cylindrique tournant dans le sirop ou dans la masse en cuisson qui est entraîné par un ressort de mesure. L'angle de torsion qui s'établit entre l'entraSnement et le corps de mesure par suite du couple résistant que fait naître la masse en cuis son est une mesure de la viscosité ou de la consistance. Pour pouvoir saisir la grande plage de mesure jusquta la fin de l'opération et en même temps pour obtenir une sensibilité et une sécurité de mesure suffisamment grandes pour des valeurs de vis cosité comprises entre 60 et 400 cP , deux ressorts de mesure, de constantes élastiques différentes, sont incorporés.Le res sort de mesure sensible forme le couple résistant dans la gamme de viscosité ; la somme des deux ressorts forme le couple ré sistant dans la gamme de mesure de la consistance. L'angle de torsion considéré est converti en une grandeur électrique de mesure dans un élément 4 amplifica teur et fournit un signal de sortie dans un canal du capteur pour la consistance b. En outre, à partir du signal de sortie, une plage de signal se trouvant comprise entre 60 et 400 centi poises est extraite sur un étage électrique de valeur de seuil, puis amplifiée et mise à disposition dans un second canal comme signalai mesure pour la viscosité a. La viscosité a, la consistance b et la hauteur c du niveau sont enregistrées en permanence sur un téléimprimeur Le signal de viscosité, proportionnel à la sursaturation est conduit à un étage comparateur 8 où il est comparé à la valeur de consigne pour la viscosité qui est fournie par un capteur 25 de valeur de consigne. La valeur de consigne est réglée, lors de l'ensemencement, sur une valeur de sursaturation se trouvant dans la zone métastable, sur laquelle la masse en cuisson doit être réglée au commencement du processus par le régulateur 9 et l'organe de réglage 7 agissant sur la soupape 5 d'admission du-sirop ou sur la soupape 6 d'arrivée de l'eau . Si cette condition est réalisée et si la semence de cristallisation est introduite dans l'appareil à cuire, alors par suite de la présence des cristaux qui croissent maintenant dans le jus, la relation entre la valeur de viscosité mesurée de la masse en cuisson et la sursaturation du siro-mère se modifie. La correction nécessaire est apportée par un relèvement continu de la valeur de consigne pour la viscosité. A cette fin, à partir du temps t2, un régulateur 15 de valeur de consigne à moteur 19 est mis en marche, dont le potentiomètre en un temps défini passe régulièrement de la position d'origine à la position terminale. L'amplificateur 20 de mesure saisit la modification de résistance du potentiomètre et la convertit en un courant.Celui-ci est multiplié par le gradient de la viscosité réglable sur le régulateur 32 de valeur de consigne dans le montage multiplicateur 10 et, en tant que tension supplémentaire de valeur de consigne croissant en fonction du te;.ps, est ajouté à la valeur de consigne pour la viscosité aux fins de correction. L'crut de réglage formé à l'étage comparateur 8, agit dans cette phase par l'intermédiaire du régulateur 9 et de l'organe de réglage 7 sur la soupape 5 d'introduction de sirop et maintient de ce fait la sursatura- tion à la valeur désirée.La régulation continu toujours à agir sur la soupape 5 d'introduction du sirop dans la phase de haute cuisson ainsi que dans la phase de croissance- de O à 25 % de la teneur en cristaux s'il y a état d'équilibre entre l'extraction de sucre et la puissance de vapori station. Si l'équilibre entre l'extraction accrue et la puissance de vaporisation dans la phase de croissance entre 0 et 25 % est perturte provisoirement ou en permanence et ce ,dans le sens où l'extraction de sucre ne peut pas suivre la puissance de vaporisation, il se produit alors une montre de niveau de la masse en cuisson trop importante et devançant fortement l'évolution de la cristallisation , dans l'appareil à cuire 1. Dans ce cas, un dispositif de sécurité entre en action, faisant en sorte, que même en présence d'une décoction 6grossière, d'une puissance de vaporisation trop élevée ou d'un sirop d'introduction trop fortement concentré , le processus ne devienne pas incontrôlable et que le temps de cuisson fixé, soit respecté. On empêche par là, que l'eau ne soit en aucun cas, vaporisae en quantité plus grande que celle qui est nécessaire pour un temps de cuisson fixé et une puissance de vaporisation déterminée. Le dispositif de sécurité agit par une surveillance et par un maintien éventuel d'une montée de niveau réglable en proportion de la cristallisation et ce, depuis la phase de croissance jusqu'à la haute cuisson. A cette fin, on utilise le signal de courant augmenté en fonction du temps par le régulateur 18 de valeur de consigne à moteur 19 et l'amplificateur 20 de mesure, signal qui est ensuite multiplié, dans un montage multiplicateur 11, par le gradient de la hauteur de niveau de la masse en cuisson, fourni par un capteur 33 de valeur de consigne.Cette valeur de consigne pour la hauteur de niveau ainsi constituée, augmentant en fonction du temps et, le cas échéant, en fonction du programme est comparée, dans un étage 12 comparateur avec la valeur réelle fournie par un capteur 3 de hauteur de niveau et la différence est dirigée sur un avertisseur 14 de valeur limite agissant comme limiteur de hauteur de niveau.Celui-ci n'intervient pas tant que la hauteur de niveau effective de la masse en cuisson est en retard sur la valeur de consigne du programme horaire. fiais si la valeur de consigne prescrite est devancée par la valeur effective, l'avertisseur 14 de valeur limite par le commutateur 22, place le régulateur 9, par l'intermédiaire de l'organe de réglage 7 sur la soupape 6 d'admission d'eau jusqu'à ce que la valeur de consigne et la valeur effective se correspondent Si nécessaire, l'avertisseur 14 de valeur limite devient ainsi régulateur de montée du niveau par des commutations alternées entre admission de sirop et admission d'eau.Pour conserver la même intervention de réglage, lors de la commutation alternée, il y a encore lieu d'observer que, pour les deux soupapes 5 et 6, d'admission, le rapport de répartition donné par la concentration du jus est essentiel. A la place d'un avertisseur de valeur limite agissant en régulateur à deux paliers, un régulateur continu pourrait également intervenir, qui modifierait le rapport des interventions de réglage pour 1' eau et le sirop. Dans cette phase du processus, s'effectue la delicate poursuite du développement de la semence mise en oeuvre tandis que la sursaturation est maintenue avec précision à l'aide de la régulation de sursaturation décrite ci-avant. Avec la grandeur croissante des cristaux, la surface du dépôt cristallin augmente dans une mesure encore plus grande, et cette surface dans le cours ultérieur de la cristallisation, exerce elle-même une fonction de régulation devenant plus directe sur la sursaturation de la masse en cuisson. Ici, à un moment détermin-é après la mise en place de la semence, la régulation d'après la teneur en cristal peut être entreprise lorsqu'on est assuré que, d'une part, le libre déplacement des cristaux dans le jus n'est pas entravé et que, d'autre part, les distances entre cristaux, dans la masse en cuisson, ne deviennent pas non plus trop grandes. Ceci est possible par le maintien et la régulation de valeurs de consistance correctes de la masse en cuisson. D'après ce qui précède, il r'-sulfic que le changement des paramètres du processus de vi scosit en en consis- tance n'est relativement pas critique ; le changement Scut cnc être conditionné par la consistance ou effectué en fonction du temps et colncide à peu près avec le drbut de la phase de haute cuisson. Dans le present montage, l'agencement est tel que le commutateur 21 est commuté par l'avertisseur 29 de valeur limite de manière à engager la régulation de la consistance .Aux fins de la régulation de la consistance, le signal proportionnel à la consistance b mesurée est comparé, dans l'étage 13 comparateur avec la valeur de consigne de la consistance fournie par un régulateur 16 de valeur de consigne à moteur 17. Pour tenir compte de la quantité dont la valeur de consigne de la consistance doit être accrue avec la montée du niveau de la masse de remplissage, un signal proportionnel à la hauteur c de niveau mesurée est multiplié, dans un organe 34 multiplicateur avec un gradient de la consistance tiré du régulateur 24 de valeur de consigne et appliqué de mEme, comme correction de valeur de consigne, à l'étage 15 comparateur Le signal qui y est formé agit, par le régulateur 9, exclusivement sur la soupape 5 d'admission de jus.Comme déjà nention, l'écart de réglage "consistance" est envoyé au régulateur 9 au début de la phase de processus "haute cuisson" avec commutation simultanée du commutateur 21. En mtme-temps, l'écart de réglage se trouve toujours sur le commutateur 15 à trois points qui toujours, si la régulation de consistance n'est pas en action amène par l'intermédiaire du commutateur 23, le régulateur 16 de valeur de consigne à moteur 17 pour la consist & ce, à la valeur effective de la consistance, c'est-à-dire que l'écart de réglage entre valeurs de consistance effective et de consigne est maintenu nul. Grace au dispositif de rattrapage automati- que on obtient, d'une part, une transition sans heurts et continue de la régulation de la viscosité à la régulation de la consistance et, d'autre part, la commutation sans comparaison manuelle dans le "maintien de la charge". En résumé, il se produit la régulation suivante du processus de cristallisation : Tout d'abord, l'introduction est dosée par un régulateur en fonction du paramètre de réglage primaire "sursaturation", qui est saisie indirectement en tant que viscosité sur un capteur de viscosité-con sistance (capteur vK). La corrélation sursaturation/viscosité se modifie avec l'accroissement de la teneur en cristaux. I1 est donc nécessaire, pour la correction de cette corrélation évolutive, d'augmenter la valeur de consigne de la sursaturation. Après introduction jusqu'à "corps de chauffe recouvert", le sirop est concentré jurqu'au point de l'ensemencement ou de l'inoculation de sorte que suivant qu'on ensemence ou qu'on inocule, les courbes correspondantes sont obtenues. Le régulateur augmente la sursaturation à sa valeur de consigne initiale et la montée est réglée en fonction du gradient viscosité, de telle sorte, que dans la phase de croissance de la cristallisation entre O et 25 %, la sur saturation demeure à la valeur désirée. Dans cette phase de croissance de la cristallisation de O à 25 % , une surveillance de la montée du niveau est en outre exercée. Ici, la valeur de consigne et la valeur effective sont comparées, l'écart de réglage formé est saisi par un avertisseur de valeur limite, qui, pour une valeur effective trop élevée, commute le régulateur sur 1' ad- mission d'eau et pour une valeur effective trop faible, le commute sur l'admission de jus. Par le positionnement des valeurs de réglage de la soupape "sirop" et de la soupape "eau" dans le rapport de la partie eau à la partie sirop, l'amplification reste égale dans le circuit regulateur. Â c8té de cette solution, l'écart de réglage formé peut aussi être amené à un régulateur continu, qui en fonction de cet écart de réglage, modifie de manière continue le rapport des interventions des positions de la souple "jus" et de la soupape "eau". Pour cela par exemple, le signal de sortie du régulateur de sur saturation pourrait être envoyé à un potentiomètre, dont l'entratnement par moteur pourrait être décalé proportionnellement, par un régulateur de hauteur de niveau continu, en fonction de l'écart du régulateur. Sur ce potentiomètre, des tensions pourraient alors être prélevées, converties dans des amplificateurs en courants-injectés et agir sur les deux soupapes de réglage par l'intermédiaire-de positionneurs électro-pneumatiques. Pour une teneur en cristaux d'environ 25 %, qui est constatée par un signal fonction du temps ou fonction de la consistance, la commutation des gammes de mesure teneur en cristaux/consistance s'effectue. Ln faisant reproduire par la valeur de consigne de la consistance, la valeur effective, on est assuré que le déroulement de la commutation se fait sans heurts. En fonction de la hauteur de niveau de la masse en cuisson- et du gradient réglé pour la hauteur de niveau on remonte la taleur de consigne pour la consistance. REVENDIC T IONS 1. Dispositif pour la commande et la r- gulation du processus de cristallisation de solutions sucrées dans un appareil à cuire opérant de manière discontinue dns lequel, jusqu'à environ 25 % de la croissance cristalline l'introduction peut entre modifiée en fonction de la sursaturation puis en fonction de la teneur en cristaux, caractérisb par le fait que, dans la phase de cristallisation jusqu'à environ 25 X, la sur saturation est réglable à la valeur. désirée par une modification correspondante de l'admission de sirop et que la régulation agit ensuite uniquement dans le sens d'un accroissement de l'admission d'eau, lorsque la hauteur de niveau mesurée de la masse en cuisson dépasse la valeur de consigne, croissant suivant un programme de la hauteur de niveau 2. Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé par le fait qu'un capteur de programme pour la valeur de consigne de la hauteur de niveau et un capteur de valeur de mesure pour la hauteur de niveau sont connectés à un régulateur à deux paliers qui, de son côté, commute le régulateur de la sursaturation entre la soupape d'admission de sirop et la soupape d'admission de l'eau. 3. Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé par le fait qu'un capteur de programme pour la valeur de consigne de la hauteur de niveau et un capteur de valeur de mesure pour la hauteur de niveau sont connectés à un régulateur qui, de son côté, modifie le rapport des interventions de position du régulateur de la sursaturation, sur la soupape d'admission de sirop et la soupape d'admission de liteau. 4. Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé par le fait que la valeur de consigne pour la re- gulation de la teneur en cristaux dans les instants de repcs de-la régulation de la teneur en cristaux, est continuellement ramené à la valeur effective mesurée de la teneur en cristaux. 5. Dispositif suivant la revendication 4 dans lequel la sursaturation peut être saisie en fonction de la viscosité et la teneur en cristaux en fonction de la consistance caractérisé par le fait que la valeur de consigne de la viscosité peut être augmentée en fonction du temps et que la valeur de consigne pour la consistance peut entre augmentée en fonction de la hauteur de niveau. 6. Dispositif suivant les revendications 1 et 5 caractérisé par le fait que le transfert entre la régulation de la viscosité et la régulation de la consistance, peut être modifié en fonction du temps ou en fonction w la consistance. 7. Dispositif suivant la revendication 5 caractérisé par le capteur de valeur de mesure commun avec au moins deux plages de sensibilité pour la sursaturation et pour la teneur en cristaux. 8. Dispositif suivant la revendication 7 caractérisé par le fait que la viscosité et la consistance sont réglables sur un capteur de valeur de mesure saisissant le couple résistant de la masse en cuisson avec une plus grande sensibilité dans la plage des viscosité que dans la plage des consistances ; capteur qui, sur des canaux aux amplifications différentes, fournit des signsude mesure pour la viscosité et pour la consistance aux régulations correspondantes. 9. Dispositif suivant la revendication 8, caractérisé par le fait que, pour la régulation dé la viscosité et de la consistance, un régulateur commun est prévu qui est commutable sur la soupape d'admission de sirop et sur la soupape d'admission de l'eau.