МОБИЛЬНАЯ КОНЦЕНТРИРУЮЩАЯ УСТАНОВКА И СПОСОБ КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ МОЛОКА
MOBILE CONCENTRATING PLANT AND METHOD OF MILK CONCENTRATION

Изобретение относится в целом к мобильной концентрирующей установке (МКУ) и способу концентрирования молока и, в частности, к мобильной установке и способам концентрирования молока при нахождении в стационарном состоянии и/или при загрузке или выгрузке молока, или при перемещении.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В молочной промышленности жидкий пищевой продукт, такой как сырое молоко, получают от коров/с ферм и обрабатывают/концентрируют для обеспечения удаления воды или пермеата с помощью стационарных установок путем обратноосмотической фильтрации (OO). Стационарные установки содержат секцию подачи и секцию фильтрования, обеспечивающие поступление сырого молока и получение из него двух основных конечных продуктов: концентрированного молока и воды. Стационарная установка может называться также "мембранной установкой", "системой фильтрации" или "концентрирующей фабрикой/установкой". Термин "мембрана" относится к типу фильтрации, который обычно используют для каких-либо жидких пищевых продуктов. Поэтому терминология, связанная с конструкцией фильтрационной установки, меняется в зависимости от многих условий, которые могут воздействовать на отдельные компоненты, которые составляют мембранную установку, а также условий ее работы. В данном описании ссылка на различные компоненты может выполняться с помощью любого из терминов, упомянутых ниже. Компоненты могут обозначаться следующими терминами:
Секция подачи МКУ: подающий модуль МКУ, насосная система подачи МКУ.
Молочный концентрат МКУ: ультраконцентрат.
Вода МКУ: пермеат, сбросная вода, фильтрат.
OO: процесс обратноосмотической фильтрации.
МКУ в сборе: Грузовик/транспортное фильтрационной установки, грузовик/транспортное средство мембранной установки, грузовик/транспортное средство обратноосмотической установки, обратноосмотическая установка, фильтрационная система или концентрирующая установка.
В молочной промышленности высокие затраты, связанные с транспортировкой сырого молока, значительно сокращают размер чистой прибыли. Одно из решений состоит в транспортировке сырого молока к стационарной концентрирующей установке, в которой из молока удаляют по возможности максимальное количество воды для обеспечения сокращения его объема. Концентрированное молоко затем направляют в различные места для его восстановления или для переработки с получением других молочных продуктов, таких как сыр. Путем уменьшения объема транспортируемого молока использование концентрирующей установки обеспечивает сокращение некоторых затрат, связанных с последующей транспортировкой молока от указанной установки.
Такие концентрирующие установки, хотя и являются эффективными, не лишены определенных недостатков. Например, сырое молоко, находящееся в неконцентрированном состоянии, должно быть тем не менее транспортировано с фермы к концентрирующей установке. Таким образом, транспортные затраты остаются высокими. К тому же установка может располагаться далеко от фермы, на которой производится молоко. Затраты на монтаж удаленной стационарной установки для концентрирования молока высоки вследствие дополнительных затрат на инфраструктуру, необходимую для поддержки выполнения операций, производимых концентрирующей молоко установкой, например: цистерны для хранения продукции, загрузка и выгрузка продукта, работы по техническому обслуживанию и строительству (зданий, дорог и т.д.), системы очистки и энергоснабжения. Транспортировка молока к концентрирующей установке также может быть экономически невыгодной вследствие большого расстояния между молочной фермой и концентрирующей установкой. Кроме того, молоко необходимо выгрузить, обработать и снова загрузить, что увеличивает транспортные расходы. Следовательно, существует необходимость в установке или способе, которые могут дополнительно сократить затраты на транспортировку молока в молочной промышленности.
Установки мембранной фильтрации используются в мировой молочной промышленности более 40 лет, а "спиральная" конструкция мембраны была введена много лет назад и быстро стала стандартной. Необходимо отметить, что до настоящего времени использование этой технологии мобильного концентрирования полученного на ферме молока, описанной в данной заявке, не рассматривалось или, во всяком случае, не предлагалось за все 40 лет применения этой технологии. Следует заметить, что молочная промышленность Новой Зеландии признана мировым лидером в развитии технологий молочного производства и внедрении многих процессов, которые в настоящее время повсеместно применяются в мировой молочной промышленности.
Процесс обратного осмоса (OO) сырого молока используется с 1960-х гг. на перерабатывающих заводах и реже - на фермах. Например, компания Alfa Laval запатентовала этот процесс в 1969 году.
Установки мембранной фильтрации или фабрики концентрирования, являющиеся основными элементами процесса обработки молока, не лишены проблем. Общеизвестно, что эти установки или фабрики создают затруднения при их очистке (которая требуется ежедневно), связаны с риском при работе (повреждение мембраны может легко произойти из-за избыточного давления, температуры и химического воздействия), обычно требуют для работы больших затрат мощности, технического обслуживания и имеют большие габариты и вес. В случае повреждения (которое легко может возникнуть) покупка новых мембран требует больших затрат.
Если говорить о том, почему ничего подобного не было сделано до сих пор, то все, кто рассматривал применение обратного осмоса (OO) на передвижном транспортном средстве при функционировании установки обратного осмоса во время его движения, до недавних пор не принимали эту идею в расчет, поскольку установки были слишком большими, имели слишком сложную конструкцию, были слишком сложными для очистки и опасными при эксплуатации.
Данное изобретение является результатом 15-летнего опыта изобретателя в конструировании мембранных установок, который позволил учесть выявленные проблемы и создать компактную, легковесную конструкцию, которая потребляет мало энергии, может быть технически проста, имеет низкий риск повреждения мембран и может быть легко очищена.
Другой проблемой, связанной с мембранами существующих стационарных установок, является необходимость защиты мембран от повреждения вследствие избыточных давлений, температур и химических воздействий. Это обеспечивается с помощью обширного ассортимента дорогого и сложного оборудования.
Заводские мембранные установки снабжены широким ассортиментом установленного оборудования и автоматизированных компьютерных систем управления, которые обеспечивают возможность работы установки в различных режимах, например при постоянном потоке, когда рабочее давление в установке колеблется, но профиль потока и скорость потока не меняются во времени, или при постоянном давлении, когда существует возможность снижения расхода в установке по мере ее засорения. В современных системах для управления установками используется сочетание измерителей расхода подаваемого потока и потока ультраконцентрата, измерения количества сухих веществ (рефрактометры/нефелометры) и заданных показателей концентрирования (известных как коэффициенты преобразования объема).
В данном описании, если явно не указано обратное, при любом упоминании или обсуждении документа, действия или пункта технических сведений предполагается, что это упоминание или обсуждение не является свидетельством того, что документ, действие или пункт технических сведений или любая их комбинация были изданы до даты приоритета, являлись публично доступными, известными или были частью общеизвестных знаний, или были известны как относящиеся к попытке решить какую-либо проблему, рассматриваемую в данном описании.
ЦЕЛЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Целью изобретения является создание мобильной концентрирующей установки и способа концентрирования молока, которые устраняют некоторые недостатки и ограничения известного уровня техники или по меньшей мере являются выгодной альтернативой.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Первый аспект изобретения относится к мобильной концентрирующей установке (МКУ) 100 для концентрирования молока, которая содержит:
(а) транспортное средство, имеющее по меньшей мере одну накопительную цистерну 116, 118 для приема и хранения молока и
(b) концентрирующую установку, установленную на указанном транспортном средстве, соединенную с обеспечением проточного сообщения с накопительной цистерной 116 и предназначенную для забора молока из накопительной цистерны 116 и его обработки, пока транспортное средство неподвижно и/или находится в состоянии загрузки или выгрузки молока, или движется, причем указанная установка содержит систему 106 обратноосмотической фильтрации, которая предназначена для забора молока из накопительной цистерны 116 и его обработки с обеспечением получения потока, состоящего по существу из воды, и потока продукта, представляющего собой концентрированное молоко и поступающего в другую или в эту же накопительную цистерну,
(c) при этом указанная концентрирующая установка содержит:
(d) секцию подачи, содержащую клапанные системы для продукта/воды/безразборной очистки и насосное оборудование высокого давления, обеспечивающее прием и подачу молока под давлением через установку.
(e) систему управления уровнем концентрирования, содержащую регулирующий клапан, который контролирует поток концентрата для достижения постоянного рабочего давления с обеспечением управления установкой.
Предпочтительно мобильная концентрирующая установка содержит средства контроля за проводимостью воды для определения момента получения заданного количества сухих веществ молока.
Предпочтительно мобильная концентрирующая установка 100 содержит фильтрационный модуль, содержащий мембраны 128, резервуары высокого давления, рециркуляционное насосное оборудование и цистерну 134 для сбора воды, причем при работе молоко проходит под давлением через резервуары и фильтрующие мембраны 128 под действием рециркуляционного насоса, при этом создается проходящий поперек указанной мембраны перекрестный поток сбросной воды, который поступает в указанную цистерну 134, а концентрированное молоко перекачивается по линии подачи концентрата в накопительную цистерну 116 или 118.
Предпочтительно в предложенной установке вода или пермеат могут храниться в цистернах 134, 136 или сливаться через выпускное отверстие 138.
Предпочтительно в предложенной установке накопительная цистерна 118 или 116 для концентрированного молока является отдельной съемной цистерной-хранилищем.
Другой аспект изобретения относится к способу сбора и концентрирования молока с помощью мобильной концентрирующей системы, описанной выше, который включает:
(a) использование секции подачи и помещение молока в накопительную цистерну транспортного средства,
(b) забор молока из накопительной цистерны, пока транспортное средство неподвижно и/или находится в состоянии загрузки или выгрузки молока, или движется, и подачу молока к концентрирующей установке, перевозимой указанным транспортным средством,
(c) управление концентрирующей установкой, пока транспортное средство неподвижно и/или находится в состоянии загрузки или выгрузки молока, или движется, с обеспечением удаления воды из молока с помощью системы обратноосмотической фильтрации в сочетании с системой управления уровнем концентрирования, вследствие чего установка работает под давлением с обеспечением получения по отдельности концентрированного молока и воды, и
(d) доставку концентрированного молока на перерабатывающий завод или перегрузку концентрированного молока в большегрузные транспортные средства, которые доставляют его на перерабатывающий завод.
Другой аспект изобретения относится к способу управления мобильной концентрирующей установкой (МКУ) с обеспечением получения молочного концентрата и сбросной воды, как заявлено ранее, в периодическом режиме, причем МКУ содержит модуль типа А и модуль типа В, которые присоединяют к по меньшей мере одной накопительной цистерне 116 или 118 транспортного средства, и одновременно выполняет удаление воды и подачу молока в ту же цистерну 116 или в другую цистерну 118 с обеспечением доставки молочного концентрата на перерабатывающий завод без его перегрузки в большегрузные транспортные средства завода.
Другой аспект изобретения относится к способу управления мобильной концентрирующей установкой (МКУ), заявленной выше, с обеспечением получения молочного концентрата и сбросной воды за один проход установки потоком, причем МКУ 100 содержит транспортное средство, по меньшей мере один модуль типа А и по меньшей мере два модуля типа В, в соответствии с чем установку такой конструкции используют для перемещения по пути сбора молока, а также сбора молока и его непрерывного концентрирования, при этом установка содержит накопительную цистерну 116 для полученного на ферме молока, концентрирующую установку, накопительную цистерну 134 для воды/пермеата и непрерывно производит концентрат с высокой степенью концентрации, который хранят в накопительной цистерне 118, так что большегрузные транспортные средства завода могут забирать молоко из цистерны 118 и транспортировать его на завод.
Другой аспект изобретения относится к способу управления мобильной концентрирующей установкой (МКУ), заявленной выше, с обеспечением получения молочного концентрата и сбросной воды за один цикл работы, причем установка содержит по меньшей мере одно транспортное средство, по меньшей мере два модуля типа А и по меньшей мере два модуля типа В, в соответствии с чем указанную МКУ используют для поездок к стационарным пунктам, расположенным по пути сбора молока, при этом другие транспортные средства собирают молоко и доставляют его к неподвижному транспортному средству, где его обрабатывают и запасают в накопительных цистернах 118 автоприцепа, подвозимых к месту работы, при этом установка содержит накопительную цистерну 116, концентрирующую установку, накопительную цистерну 134 для пермеата и непрерывно производит концентрат с высокой степенью концентрации, который хранят в цистернах 118, подвозимых к месту работы, при этом транспортные средства перерабатывающего завода собирают молочный концентрат из прицепов транспортного средства и доставляют его на завод, а мобильную установку для концентрирования молока периодически возвращают на завод для очистки.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Ниже приведено описание изобретения, данное только в качестве примера, со ссылкой на сопровождающие чертежи:
Фиг.1 изображает принципиальную схему первого предпочтительного варианта выполнения предложенной мобильной концентрирующей установки. Эта схема иллюстрирует основной производственный процесс фильтрации при соединении обратноосмотического аппарата, входящего в состав мобильной концентрирующей установки, с цистернами грузовика с помощью трубопроводов, при этом обратноосмотический аппарат МКУ приводится в действие от источников энергии транспортного средства/грузовика, а установка работает в режиме периодического или непрерывного концентрирования молока.
Фиг.2 изображает вид сбоку мобильной концентрирующей установки, показанной на фиг.1.
Фиг.3 схематически изображает альтернативный вариант выполнения предложенной мобильной концентрирующей установки с одноконтурной системой, которая может использоваться с циркуляционным насосом или без него. Эта конструкция работает в так называемом "периодическом" режиме, при котором обратноосмотический аппарат МКУ соединен трубопроводами с цистерной для молока и осуществляет рециркуляцию молока между цистерной и установкой. Молоко в цистерне постоянно концентрируется до получения заданного уровня сухого вещества.
Фиг.4 схематически изображает альтернативный вариант выполнения предложенной мобильной концентрирующей установки с многоконтурной системой для непрерывного получения ультраконцентрата (известной как многоступенчатая установка), причем такая многоступенчатая конструкция непрерывно производит концентрат заданного состава с обеспечением возможности непрерывного накопления полностью концентрированного продукта в прицепе.
Фиг.5 схематически изображает альтернативный вариант выполнения предложенной мобильной концентрирующей установки с многоконтурной системой для непрерывного концентрирования пермеата при его форсированной подаче (также известной как многоступенчатая установка), "пермеат" в данном варианте конструкции может представлять собой совокупность отходов, поскольку он повторно подается насосом до достижения давлений, соответствующих давлениям работы обратноосмотического аппарата МКУ, и еще раз фильтруется для повышения чистоты воды.
Фиг.6 схематически изображает альтернативный вариант выполнения предложенной мобильной концентрирующей установки с многоконтурной системой для непрерывного концентрирования пермеата, модульная конструкция которой может содержать или не содержать подкачивающий насос. Данная конструкция, обычно не используемая для концентрирования молока, работает при соединении с цистерной для молока с помощью трубопроводов, являющимся соединением "периодического" типа.
Фиг.7 изображает фильтрационный элемент с четырьмя резервуарами, используемый в данном изобретении.
Фиг.8 изображает фильтрационный элемент с двумя резервуарами, используемый в данном изобретении.
Фиг.9 изображает фильтрационный элемент с восемью резервуарами, используемый в данном изобретении.
Фиг.10 изображает транспортное средство МКУ для перевозки молока с установленным сбоку фильтрационным элементом.
Фиг.11 изображает альтернативный вариант выполнения МКУ.
Фиг.12 изображает еще один альтернативный вариант выполнения МКУ.
Фиг.13 изображает еще один альтернативный вариант выполнения МКУ, мобильную "многоступенчатую" систему (тоже предназначенную для сбора молока).
Фиг.14 изображает еще один альтернативный вариант выполнения МКУ, мобильную "многоступенчатую" систему (тоже предназначенную для сбора молока).
Фиг.15 изображает еще один альтернативный вариант выполнения МКУ, стационарную "многоступенчатую" систему (молоко доставляют к грузовику для обработки).
Фиг.16-20 изображают другие варианты выполнения изобретения.
Фиг.21 изображает конструкцию модульных компонентов, которые составляют "модульную" конструкцию МКУ.
Фиг.22 изображает отличия в модулях фильтрации и подачи между тремя типами модульной конструкции установки.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОГО ВАРИАНТА ВЫПОЛНЕНИЯ
Ниже приведено описание предпочтительных вариантов выполнения изобретения, а именно мобильной концентрирующей установки (МКУ) и способов концентрирования молока. Изобретение не ограничено этими предпочтительными вариантами выполнения, поскольку они являются исключительно иллюстрирующими, и следует отметить, что возможны явные изменения и модификации без отклонения от объема изобретения.
Существует несколько путей или способов использования данной концепции мобильного сбора молока, например, Тип 1 - работа в одноступенчатом "периодическом" режиме (см. также фиг.22), при котором мобильная концентрирующая установка выполняет непрерывную рециркуляцию молока при соединении с цистерной для молока с помощью трубопроводов. По мере продолжения работы установки молоко постепенно концентрируется. Эта установка подходит для областей обслуживания, в которых фермы расположены на таком удалении друг от друга, что у установки есть время, чтобы работать, "не отставая" от скорости загрузки на пути сбора молока. Установка содержит (как минимум) одну секцию подачи и одну секцию фильтрации, соединена с цистерной 116 грузовика и одновременно извлекает молоко и осаждает концентрат в указанной цистерне 116. Этот способ может использоваться там, где фермы расположены далеко друг от друга, и у установки есть время для обработки молока при более низкой скорости сбора. Установка такого типа обычно сама доставляет концентрат на перерабатывающий завод (то есть концентрат не перегружают в заводскую большегрузную цистерну).
Другие примеры способа приведены на странице 35 и относятся к более крупногабаритным установкам, обозначенным на фиг.22 как Тип 2 и Тип 3.
В контексте данного документа Тип 1 используется для описания функциональных возможностей мобильной концентрирующей установки (МКУ) следующим образом.
На фиг.1 и 2 изображен первый вариант выполнения предложенной мобильной концентрирующей установки 100 для молока. Описанная в целом, указанная концентрирующая установка 100 обеспечивает способ сокращения объема молока (или сырого молока, собранного с ферм), находящегося в транспортном средстве, во время движения путем удаления воды/пермеата из молока. Более подробно, МКУ 100 обеспечивает удаление воды и концентрирование сырого молока, полученного в первой точке или пункте загрузки молока (например, на молочной ферме), во время движения транспортного средства к следующей точке или пункту загрузки, что обеспечивает возможность получения одним транспортным средством объема сырого молока, превышающего вместимость указанного средства, при прохождении маршрута, что значительно увеличивает его эффективность и рентабельность.
Мобильная концентрирующая установка (МКУ) 100 для молока содержит систему 102 накопления молока, систему 104 подачи, систему 106 фильтрации, систему 108 сброса, систему 110 концентрата, систему 112 энергоснабжения и приводной механизм 114. Система 102 накопления молока содержит одну или несколько накопительных цистерн 116 и 118 для хранения молока. В изображенном варианте выполнения показаны и описаны две накопительные цистерны 116 и 118. Указанные цистерны 116 и 118 предпочтительно сообщаются друг с другом по линии 120 перелива с обеспечением перетекания содержимого одной из цистерн 118 в другую цистерну 116, когда она заполнена или почти заполнена молочным концентратом. По меньшей мере одна из указанных цистерн имеет входное отверстие 122 для молока, через которое цистерна 116 может наполняться сырым молоком. Накопительные цистерны 116 и 118 предпочтительно полностью соответствуют всем нормативным требованиям, предъявляемым к хранению пищевых продуктов, таких как молоко, и предпочтительно имеют размер, который равен или приближается к размеру, допустимому для транспортного средства, перевозящего указанные цистерны.
3
3
3
Система 104 подачи содержит насосную систему, в которую может входить основной подающий насос 124 и циркуляционный насос 126. Основной подающий насос 124 предпочтительно соединен с накопительными цистернами 116 и 118 и может использоваться для забора молока из одной или обоих из указанных цистерн 116 и 118 и подачи его под давлением, соответствующим заданному давлению фильтрации. Предпочтительно заданное давление фильтрации лежит в диапазоне между минимальным давлением, составляющим приблизительно 10 или 15 бар, и максимальным давлением, составляющим приблизительно 25, 30 или 40 бар, и наиболее предпочтительно составляет приблизительно 20 бар. Предпочтительно основной подающий насос 124 может использоваться для перекачивания молока при заданной величине расхода. Предпочтительно заданный расход молока лежит в диапазоне между минимальным расходом, составляющим приблизительно 2, 5, 10, 15, 20 или 25 м/ч, и максимальным расходом, составляющим приблизительно 30, 35, 40, 45 или 50 м/ч, и наиболее предпочтительно составляет приблизительно 30 м/ч.
Циркуляционный насос 126 может использоваться для циркуляции молока по системе 106 фильтрации после его подачи под давлением с помощью основного подающего насоса 124. Указанная система 106 предназначена для фильтрации поступающего потока с обеспечением отделения содержащейся в нем воды от сухих веществ. Система 106 фильтрации изображенного варианта выполнения осуществляет обратноосмотическую фильтрацию, однако нужно отметить, что другие типы фильтрационных систем также находятся в рамках идеи и объема данного изобретения, например системы нанофильтрации, ультрафильтрации и микрофильтрации.
Система 106 фильтрации содержит фильтрующую мембрану 128, через которую может проходить только вода и который, таким образом, разделяет систему 106 фильтрации на отсек 130 концентрата и отсек 132 сброса или сбросной воды. Сухие вещества молока захватываются в отсеке 130 концентрата, в то время как вода проходит через фильтрующую мембрану 128 в отсек 132 сбросной воды. Система 106 фильтрации может иметь любую подходящую конструкцию, обеспечивающую выделение воды из молока, например, это может быть одноступенчатая или многоступенчатая система с различными требованиями и конструктивными особенностями системы подачи.
Отсек 132 сброса системы 106 фильтрации соединен с накопительной цистерной 134 для промывной воды. Указанная цистерна 134 предназначена для хранения заданного количества выделенной воды, а также ее использования для промывки отсека 130 концентрата системы 106 фильтрации, когда указанная система отключена, как подробнее описано ниже. Накопительная цистерна 134 для промывной воды имеет емкость 100-5000 литров, более предпочтительно 300-400 литров. Система 106 фильтрации предпочтительно имеет емкость 100-400 литров, более предпочтительно 200-300 литров.
Система 108 сброса содержит накопительную цистерну 136 для сбросной воды и выпускное отверстие 138. Указанная цистерна 136 предназначена для хранения заданного количества сбросной воды для последующего ее слива в соответствующем месте, например, в канализационный коллектор, обрабатывающую станцию, оросительную систему молочной фермы и т.д. Выпускное отверстие 138 обеспечивает возможность быстрого выпуска сбросной воды в соответствующем месте, таком как дорога или канава при движении или неподвижном состоянии транспортного средства. Система 108 сброса также содержит насосы, трубопроводы и клапаны для управления потоком сбросной воды.
Система 110 концентрата обеспечивает сообщение отсека 130 концентрата системы 106 фильтрации с по меньшей мере одной из накопительных цистерн 116 и 118. Кроме того, указанная система 110 содержит трубопроводы, насосы и клапаны для подачи концентрированного молока обратно в цистерны 116 и 118.
Энергосистема 112 предназначена для питания насосов и средств управления мобильной концентрирующей установкой 100. Энергосистема 112 предпочтительно является портативной и служит для перевозки на транспортном средстве с молоком. Наиболее предпочтительно указанная энергосистема 112 просто отводится от собственной электрической, гидравлической или механической энергосистемы транспортного средства или продолжает ее. Как вариант, энергосистема 112 является автономной системой, которая перевозится транспортным средством с молоком и может использоваться для создания собственного источника питания для приведения в действие мобильной концентрирующей установки 100. Предпочтительно энергосистема 112 потребляет меньше 150 кВт/ч или даже меньше, например, меньше 50 кВт/ч.
Как показано на фиг.2, приводной механизм 114 содержит типичные элементы, связанные с транспортным средством для молока, к которым относится рама 140 для поддержания остальных элементов мобильной концентрирующей установки 100, несколько колес 142, обеспечивающих возможность легкого перемещения мобильной концентрирующей установки 100 по поверхности, кабину 144 водителя и двигатель 146 для привода одного или нескольких из указанных колес 142. Как указано выше, двигатель 146 предпочтительно снабжает энергией мобильную концентрирующую установку 100, благодаря чему не требуется подключение указанной установки 100 к стационарному источнику питания, и поэтому она является полностью мобильной и может использоваться для обработки молока во время движения транспортного средства.
Различные конструктивные сочетания блоков подачи и фильтрации могут быть выполнены в виде модулей, которые могут собираться для обеспечения конкретных производственных мощностей, требуемых для различных производственных площадей и размеров зон обслуживания. На фиг.22 изображены два типа модулей.
Модуль Типа А: модуль секции подачи. Эти модули содержат насосное оборудование высокого давления, клапаны подачи для молока/воды/очистки на месте и предварительные фильтры, накопительную цистерну 134 для пермеата (соединенную с накопительной цистерной 134 фильтрационного модуля), гидравлическое энергооборудование и системы управления для контроля за работой установки. Аналогично, для увеличения производительности установки, возможно применение дополнительных фильтрационных модулей, соединенных последовательно.
Модуль Типа В: фильтрационные модули. Эти модули содержат фильтрующие мембраны 128, кольцевой циркуляционный насос 126 и накопительную цистерну 134 для пермеата. В зависимости от требуемой производительности возможно применение нескольких фильтрационных модулей, соединенных последовательно. Каждый добавленный модуль увеличивает активную поверхность мембранного фильтра установки.
С учетом приведенного выше описания компонентов мобильной концентрирующей установки 100 для молока далее описана работа указанной установки 100. Как показано на фиг.1 и 2, перенос молока начинается после перемещения к первому пункту, в котором сырое молоко принимают в переднюю накопительную цистерну 116 через входное отверстие 122. Подающий насос 124 обеспечивает поддержание давления сырого молока. Циркуляционный насос 126 выполняет рециркуляцию сырого молока по системе 106 фильтрации, в которой вследствие процесса обратного осмоса вода начинает отделяться от сухих веществ, содержащихся в сыром молоке. Воду направляют в накопительную цистерну для промывной воды до тех пор, пока указанная цистерна не становится полной или почти полной. Концентрированное молоко, в котором содержание сухого молочного остатка повышено по сравнению с сырым молоком до заданного уровня, который, например, составляет от 13% до 25%, направляют и заливают в заднюю накопительную цистерну 118.
Когда накопительная цистерна 134 для промывной воды наполняется, поток воды направляют или в накопительную цистерну 136 для последующего выпуска или в выпускное отверстие 138 для непосредственного слива. Установка продолжает работать, пока транспортное средство перемещается от одного пункта сбора молока к другому, освобождая пространство в цистернах для принятия дополнительного количества сырого молока. При движении транспортного средства сырое молоко непрерывно забирают из передней накопительной цистерны 116 и сепарируют, при этом воду сливают или запасают, а концентрированное молоко направляют к задней накопительной цистерне 118. Таким образом, объем сырого молока в накопительной цистерне 116 уменьшается, а объем концентрированного молока в накопительной цистерне 118 увеличивается.
В каждой точке сбора молока (на молочной ферме) сырое молоко загружают в накопительную цистерну 116 и затем обрабатывают. Когда уровень в цистерне 118 достигает определенного значения, то есть цистерна заполняется или почти заполняется, концентрированное молоко снова переливают в цистерну 116. Хотя это и уменьшает эффективность системы, поскольку при этом концентрированное молоко смешивается с сырым молоком, содержащимся в цистерне 116, транспортное средство уже завершает объезд пунктов, так что такое уменьшение эффективности является приемлемым. Транспортное средство продолжает собирать сырое молоко до тех пор, пока не наполнятся обе цистерны 116 и 118, либо пока не будет завершен назначенный маршрут. После этого транспортное средство направляют к перерабатывающему заводу для переработки молока, которое содержится в цистернах 116 и 118. Когда транспортное средство направляется к перерабатывающему заводу, мобильную концентрирующую установку 100 можно либо отключить, либо продолжить процесс уменьшения содержания воды в молоке с ее помощью. При отключении установки воду, содержащуюся в накопительной цистерне 134 для промывной воды, направляют в отсек 130 концентрата системы 106 фильтрации для обеспечения проталкивания оставшегося там концентрированного молока в накопительные цистерны 116 и 118. Систему 106 фильтрации затем очищают любым общеизвестным способом. Необходимо отметить, что несмотря на то, что изображены и описаны две цистерны 116 и 118, в альтернативном случае возможно использование одной цистерны с концентрированным молоком, которое возвращают в ту же цистерну, в которую собирают сырое молоко и из которой молоко забирают для сепарации.
Альтернативные варианты выполнения предложенной мобильной концентрирующей установки для молока описаны в соответствии с изображающими их фиг.3-12. Описанные в целом, мобильные концентрирующие установки предназначены для установки на молочную автоцистерну (то есть содержат ее) и используют технологию обратноосмотической фильтрации (OO) для удаления воды из молока, собираемого молоковозом.
Мобильная концентрирующая установка для молока является полностью мобильной съемной системой, которая может быть установлена сзади на существующие молоковозы или встроена в новые молоковозы на стадии их производства. Могут использоваться и другие конструкции фильтрационного элемента, которые обеспечивают возможность монтажа установки на любой части транспортного средства (сбоку, перед цистерной или за ней) и фактически могут быть установлены на прицепе или на грузовике.
В данной заявке приведены и описаны четыре отдельных варианта выполнения данного изобретения:
- Фиг.3 изображает одноконтурную систему с циркуляционным насосом или без него.
- Фиг.4 изображает многоконтурную систему с непрерывным концентрированием молока.
- Фиг.5 изображает многоконтурную систему с непрерывным концентрированием пермеата и его форсированной подачей (известную как двух- (и более) ступенчатая установка).
- Фиг.6 изображает многоконтурную систему модульной конструкции с непрерывным концентрированием пермеата (с бустерным насосом или без него).
Последний контур на каждом чертеже подробно изображает отводной патрубок ультраконцентрата на последнем этапе для каждой установки.
Воду, отделенную от молока, либо сливают на дорогу, либо собирают и возвращают на фермы или к местам слива сточных вод.
В мобильной концентрирующей установке (МКУ) используется технология обратноосмотической фильтрации (00) для обеспечения удаления воды/пермеата из молока, собираемого молоковозом. Основными особенностями подобных установок является следующее:
- МКУ полностью мобильны. Для работы установки используют встроенную систему энергоснабжения,
- В МКУ используется локальная рабочая мощность от двигателя транспортного средства или от мобильного блока питания (гидравлического и/или электрического),
- МКУ обеспечивает возможность концентрирования молока в процессе его транспортирования.
ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ
МКУ для молока может приводиться в действие с помощью любого доступного "мобильного" источника энергии, установленного на транспортном средстве. Например, питание может осуществляться:
- гидравлически от устройства отбора мощности транспортного средства (к гидравлическим двигателям насосов),
- гидравлически от гидравлического источника энергии с дизельным приводом, расположенного на грузовике (к гидравлическим двигателям насосов),
- электрически от электрического источника энергии с дизельным приводом, расположенного на грузовике (к электродвигателям насосов).
МКУ может содержать набор насосных блоков для обслуживания блока мембранных резервуаров. Различные конструкции блока резервуаров требуют различных конструкций модуля (с одним или двумя насосами) и различных производительностей насосов (определяемых присоединенной площадью поверхности мембран). Ограничением по существу является мощность, которая может быть подана к блоку энергосистемой, которая либо установлена на транспортном средстве, либо образована его собственными системами.
Чем выше производительность блока, тем больше размеры насосов и требуемая для их работы мощность и необходимая материально-техническая база.
КОНСТРУКЦИЯ
Мобильная концентрирующая установка (МКУ) для молока может быть сконструирована в соответствии со стандартами Молочной Промышленности, а блоки предпочтительно должны пройти проверку на возможность обеспечения обработки пищевых продуктов.
Материалы
Поверхности МКУ, контактирующие с пищевыми продуктами, могут быть выполнены из нержавеющей стали, хотя могут использоваться и другие материалы (например, на основе пластмасс и углерода). Накопительные цистерны для пермеата выполнены формованием из облегченной пластмассы.
Насосы и клапаны также предпочтительно выполнены из нержавеющей стали, и их конструкция соответствуют гигиеническим стандартам, обычно применяемым в пищевой промышленности.
Варианты компоновки
Основой установки является насосная система, обеспечивающая подачу потока и поддерживающая необходимое давление в установке. К типам насосов, которые могут быть использованы в установке, могут относиться следующие:
- центробежные
- объемные (лопастные или винтовые).
Резервуары высокого давления
Резервуары высокого давления предпочтительно рассчитаны на давление до 70 бар, создаваемое установкой, и имеют модульную конструкцию для обеспечения возможности выполнения любого необходимого компоновочного решения блока резервуаров. В данном документе описаны три различных блока резервуаров, изображенные на фиг.7, 8 и 9. Так как резервуары высокого давления являются модульными, то их число можно легко увеличить или сократить для обеспечения необходимого увеличения или уменьшения емкости установки.
Сосуды высокого давления могут иметь любой размер, обеспечивающий размещение фильтрующей мембраны любого выбранного диаметра. В изображенном варианте выполнения показаны резервуары цилиндрической формы диаметром 200 мм (8 дюймов), но следует отметить, что в рамках идеи и объема данного изобретения возможно использование других диаметров и форм.
Варианты конструкции
Конструкция системы обеспечивает возможность выполнения одно- или многоступенчатой установки. Например, в одном из вариантов выполнения используется пятиступенчатая схема (для установки непрерывного концентрирования). В многоступенчатых схемах пермеат или вода, полученные на предыдущей ступени, накачиваются и под давлением подаются к следующей ступени и т.д.
Каждая ступень, добавленная к схеме установки, требует добавления рециркуляционного насоса. Это приводит к возрастанию затрат и мощности, необходимой для работы МКУ.
На фиг.3-6 изображены четыре предпочтительных варианта выполнения обратноосмотического аппарата МКУ.
Монтаж установки на автоцистерне
Установку монтируют на специальном соединительном механизме, прикрепленном болтами к балкам рамы автоцистерны (при стандартном креплении - в передней и задней частях) или к угловым креплениям цистерны (при конструкции с боковым креплением). При необходимости МКУ может быть легко демонтирована и полностью отделена от выполнения операций загрузки, хранения и выгрузки в нормальном режиме работы автоцистерны.
Установка соединена с молоковозом и цистерной пермеата с помощью гибких шлангов, удовлетворяющих гигиеническим требованиям, через отводящие клапаны с обеспечением приема и передачи молока.
Установка сконструирована с обеспечением работы при перемещении в жестких и суровых условиях окружающей среды, с которыми можно столкнуться при эксплуатации МКУ.
Габариты
3
3
Установка предпочтительно имеет достаточно малый размер, вес и расход энергии, что обеспечивает возможность ее установки на стандартное транспортное средство, такое как автоцистерна для перевозки молока, без какой-либо модернизации или с минимальной модернизацией транспортного средства, а также возможность приведения указанной установки в действие с помощью существующего энергетического оборудования транспортного средства или с помощью дополнительно установленного малого автономного источника энергии. Предпочтительно компоненты установки, смонтированные на стандартном средстве для перевозки молока, занимают объем менее 4 мили даже меньше, например менее 3, 2 или 1,5 м. Малый объем позволяет дополнительно увеличить количество перевозимого транспортным средством молока. Предпочтительно масса компонентов установки, смонтированных на стандартном средстве для перевозки молока, составляет менее 1 тонны (в состоянии, когда компоненты наполнены водой и молоком), а более предпочтительно даже меньше, например менее 0,5 тонны. Предпочтительно наливной объем компонентов установки, смонтированных на грузовике, составляет менее 1000 литров (т.е. количество жидкости, которое может находиться в накопительной цистерне для промывной воды, в фильтрационных элементах и соответствующих трубопроводах, за исключением цистерн для хранения пермеата).
КОНЦЕПЦИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ
Далее приведено описание работы МКУ со ссылкой на фиг.3.
Продукты
Изображенный вариант выполнения идеально подходит для обработки сырого коровьего молока с использованием существующих автоцистерн вместимостью 27000 литров, хотя следует отметить, что указанная установка может использоваться для других продуктов и других количеств.
Эксплуатационные параметры
Эксплуатационные параметры МКУ могут быть повышены или снижены в соответствии с потребностями конечного пользователя.
Диапазон и предельные значения эксплуатационных параметров приведены в таблице 1.
Таблица 1
Узел установки
Параметр
Мин.
Макс.
ед. измерения
Цистерна для отфильтрованной воды
Вместимость
0
50000
л
Температура
0
100
°С
Давление
0
20
бар
Подающий насос и линия подачи
Температура
0
100
°С
Расход
0
100
м<sup>3</sup>/ч
Давление
0
100
бар
Резервуары высокого давления
Температура
0
100
°С
Расход (поток)
0
30
м<sup>3</sup>/ч
Давление
0
100
бар
Диаметр сосуда
100
1000
мм
Трубопроводы пермеата/воды
Температура
0
100
°С
Расход
0
40
м<sup>3</sup>/ч
Давление
0
40
бар
Проводимость
0
6000
мс/см
Линия отвода концентрата
Температура
0
100
°С
Расход
0
100
м<sup>3</sup>/ч
Давление
0
40
бар
Подготовка к работе
Перед началом работы в мобильную концентрирующую установку (МКУ) необходимо установить фильтрующие мембраны. Их устанавливают в соответствии с выбранной конструкцией фильтрационного элемента с помощью антителескопического устройства, отделяющего все мембраны друг от друга, и торцевых крышек резервуаров. Затем МКУ промывают для обеспечения удаления глицеринового состава, защищающего мембраны. После сборки и промывания мембранных блоков система готова к безразборной очистке.
Рециркуляция воды
Этот этап выполняют во время работы МКУ перед началом любого активного процесса (производства, безразборной очистки, промывки и т.д.), а также после его завершения.
Циркуляция воды является абсолютно безопасным процессом в случае, когда установка полностью изолирована от автоцистерны и продолжает использовать для рециркуляции уже имеющуюся в ней воду. Если установка не требуется, она может быть полностью отключена. Не рекомендуется этого делать после загрузки продукта в установку.
Все отводящие клапаны находятся в обесточенном состоянии. Воду забирают из цистерны А1ВТ1000 для пермеата/воды и отводят через клапан A1VV100 в предварительный фильтр A1FL1000. Затем насос A1PU1000 высокого давления подает воду в резервуар высокого давления, расположенный перед насосом A1PU1100 (в случае использования рециркуляции).
Циркуляционный насос A1PU1100 продолжает выполнять рециркуляцию продукта с высокой скоростью по блоку мембранных резервуаров, при этом вода проникает в трубы для пермеата, а концентрат вытекает через клапан A1CV1000 для ультраконцентрата и перепускной клапан A1VV1002, который остается выключенным во время циркуляции воды.
По трубопроводу концентрата вода проходит через закрытый отводящий клапан A1VV1003, установленный на цистерне грузовика или прицепа, и идет обратно к цистерне для пермеата/воды.
По трубопроводу пермеата воду подводят к цистерне для пермеата/воды через моечную головку цистерны. В этой точке измеряют проводимость А1СТ1100 пермеата, которая показывает:
- имеется ли течь в какой-либо из мембран,
- достигнут ли заданный уровень концентрации.
На этой стадии при любых условиях установку необходимо освободить (продуть) и подготовить для осмотра/очистки.
Уровень воды в цистерне для пермеата/воды стабилизируется, и установка продолжает выполнять рециркуляцию до начала процесса обработки.
Система безразборной очистки
Чистка блоков МКУ может производиться любым из следующих способов:
- В контуре с помощью системы безразборной очистки автоцистерны.
Подача воды в автоцистерну должна осуществляться в пределах мембран, при этом необходимо наличие специальных химических веществ в системе безразборной очистки автоцистерны.
- С помощью автономной системы внутренней очистки (требуется местный подвод воды).
Данный способ предпочтителен при работе с меньшим количеством продукта, при этом для подогрева воды используют выхлопную систему автоцистерны, а в цистерну для пермеата/воды добавляют растворяющиеся "таблетки" или дозы жидкости, взаимодействующих с химическими веществами (для получения нужной концентрации).
- С помощью подсоединяемой на месте системы безразборной очистки.
Сконструированную для этого систему безразборной очистки (однократного или многократного использования), подключаемую на месте, соединяют шлангами с МКУ с обеспечением подачи и отвода промывных текучих сред, необходимых для очистки блоков. Можно выбрать различные режимы очистки, от простого ополаскивания до всесторонней многоступенчатой очистки (до 5 циклов очистки).
В зависимости от выбранного способа очистки выполняют следующие операции:
Очистка с помощью автоцистерны
Шланг системы безразборной очистки автоцистерны многократного использования (CIPR) соединяют с выпускным патрубком цистерны CIPR для пермеата/воды МКУ, в результате чего она становится новой автоцистерной CIPR, при этом клапан с ручным управлением выпускного патрубка цистерны (к которому был подсоединен шланг CIPR) закрыт (МКУ подключают непосредственно перед этим клапаном).
При закрытом выпускном поворотном клапане автоцистерны активируют отводящий клапан системы безразборной очистки однократного использования (CIPS) для МКУ и через него вводят чистящий раствор, выходящий из основной цистерны. Циркуляция раствора для безразборной очистки происходит так же, как и рециркуляция воды с возвратом всех текучих сред в цистерну для пермеата/воды. Эти текучие среды затем сливают через сливной патрубок CIPR и возвращают обратно в систему безразборной очистки автоцистерны.
Автономная очистка
МКУ переводят в режим внутренней рециркуляции воды и включают систему нагрева (приводимую в действие выхлопной системой транспортного средства). По мере циркуляции жидкость достигает заданной температуры очистки, и в цистерну для пермеата/воды добавляют "таблетки", которые растворяются и очищают установку.
Через некоторое время система готова к промывке струей жидкости, и воду из местного источника подают в соединительный шланг CIPS, а патрубок CIPR цистерны для пермеата/воды отводят для слива воды.
Очистка с помощью подсоединяемого на месте блока безразборной очистки
Шланг CIPS "блока местной безразборной очистки" (SCU) соединяют с патрубком CIPS МКУ. Шланг CIPR соединяют с выпускным патрубком цистерны системы безразборной очистки для пермеата/воды.
Оператор запускает местную SCU систему, которая начинает очистку МКУ. Оператор может выбрать любой из нескольких режимов очистки, описанных выше.
Общие сведения
Во время операций по очистке установки параметры очистки (предельные значения температуры, уровня рН и давления) поддерживают с помощью местных систем безразборной очистки (автоцистерны или специальной системы очистки) или добавления "таблеток" или доз химических веществ при изолированной очистке.
Очистку выполняют до отправки автоцистерны, при этом система либо выключена, либо работает в режиме рециркуляции до следующей выбранной фазы операции.
Поперек клапана A1CV1000, регулирующего поток ультраконцентрата, устанавливают перепускной клапан A1VV1002, который активируют во время прохода промывочной струи (при извлечении продукта), ополаскивания и циркуляции химических веществ для безразборной очистки.
Производство
Рециркуляция
МКУ работает в режиме рециркуляции до тех пор, пока в цистерну не заливают молоко.
Оператор автоцистерны, как и прежде, продолжает сбор молока.
По команде оператора или автоматически (опять же в зависимости от выбранных параметров) система начинает обработку молока.
Наполнение
При достижении в цистерне заданного уровня активируют клапан A1VV1001 системы CIPS, отводящий молоко к клапану A1VV1000 для пермеата/воды, который также активируют. Затем молоко проходит через предварительный фильтр A1FL1000 в подающий насос установки.
Затем молоко подают под давлением в линию подачи, причем в случае:
a) конструкции с одним насосом - непосредственно через блок резервуаров прямо к регулирующему механизму A1CV1000 ультраконцентрата,
b) конструкции с двумя насосами - прямо на всасывающий вход/впуск рециркуляционного насоса A1PU1000, при этом молоко циркулирует по блоку резервуаров, а затем поступает к регулирующему механизму A1CV1000 ультраконцентрата.
Регулирующий механизм A1CV1000 ультраконцентрата управляет расходом ультраконцентрата, возвращаемого в автоцистерну, таким образом, в трубопроводе резервуара на линии А1РТ1000 может быть установлено заданное рабочее давление (в диапазоне от 0 до 70 бар). Регулирующий механизм ультраконцентрата может представлять собой регулирующий клапан, или же, как вариант, возможно использование насоса нагнетательного типа, механически соединенного с действующей нагрузкой (электрической или гидравлической), которая предназначена для остановки указанного насоса и, следовательно, регулирования расхода ультраконцентрата, поступающего в автоцистерну. Электрическая или гидравлическая энергия, выделившаяся в такой системе, может использоваться снова при работе блоков МКУ и служит для уменьшения требуемой мощности, поступающей от основного источника питания МКУ.
После регулирующего механизма A1CV1000 поток ультраконцентрата подают к клапану A1VV1003 отвода ультраконцентрата (установленному сзади на автоцистерне или, как вариант, на цистерне прицепа) и отводят обратно в основную емкость с молоком.
С увеличением рабочего давления по мере полного концентрирования молока в блоке резервуаров через поверхность мембраны проходит большее количество воды, которую направляют через трубопровод пермеата, через промывочные головки цистерны для пермеата/воды, в цистерну А1ВТ1000 для пермеата/воды. Указанную цистерну продолжают наполнять до переполнения, после чего просто происходит перелив на дорогу или в накопительную цистерну (цистерны) А1ВТ1001-4. Эта вода может быть направлена непосредственно в описанные накопительные цистерны для воды или нагрета с помощью теплообменника, являющегося частью основной системы энергоснабжения транспортного средства, работающей от выхлопной системы, и затем отправлена в накопительные цистерны.
Воду, полученную в начале производства, используют для промывки установки, когда требуется ее отключение (при достижении заданного количества сухих веществ или при начале отключения). Требуемый объем может лежать в пределах от минимальных объемов для малых установок до значения, превышающего 5000 л.
Производство
МКУ продолжает обрабатывать молоко, пока автоцистерна перемещается по маршруту сбора молока. Конструкция установки определяет ее размер, который обуславливает скорость обработки, определяющую, насколько быстро автоцистерна может концентрировать содержащееся в ней молоко.
Обычно установки имеют размеры, обеспечивающие выполнение заданного уменьшения объема молока в течение 6-8 часов, но также могут быть изготовлены на заказ с обеспечением удовлетворения специальных требований.
МКУ использует любой из нескольких технологических сигналов, поступающих от измерительного оборудования, для определения достижения максимального уровня концентрации. Используемые сигналы зависят от уровня оснащения, принятого для МКУ. К указанным сигналам относятся:
1. Значение измерения проводимости пермеата (выполняется во всех моделях): РСТ>SP (заданное значение).
2. Значение измерения расхода потока пермеата: PFT<SP.
3. Значение измерения давления подачи: РРТ>SP.
4. Значение измерения общего содержания сухих веществ при подаче (с помощью рефрактометра и т.д.): QFT<SP.
Когда процесс обработки завершают (при достижении заданной концентрации сухих, веществ или вследствие вмешательства оператора), система переходит к фазе продувки, на которой цистерну грузовика или прицепа опустошают от содержимого МКУ.
Продувка
Система автоматически прекращает забор молока из цистерны грузовика путем деактивации отводящего вентиля A1VV1001 для безразборной очистки/подачи и отводящего вентиля A1VV1000 для воды/продукта, расположенного перед подающим насосом A1PU1000.
Рециркуляционный насос A1PU1100 (если он установлен) и подающий насос A1PU1000 аккуратно выдувают содержимое МКУ через рециркуляционный насос A1PU1100 (который не работает, что обеспечивает возможность закрытия обратного контурного клапана A1NV1100 и корректное выполнение промывки), через мембраны, обратно к перепускному клапану A1VV1002 ультраконцентрата, который был активирован.
Это продолжается до достижения заданного значения низкого уровня в цистерне для пермеата/воды, после чего установка возвращается к выполнению фазы рециркуляции воды до тех пор, пока процесс переработки не включат опять, или пока не инициируют процесс очистки.
ПАРАМЕТРЫ
МКУ использует технологию обратного осмоса для отделения воды от молока, при этом оборудование работает при высоком давлении и скорости продукта/жидкости системы безразборной очистки.
Предельные значения эксплуатационных параметров МКУ следующие:
Таблица 2
Узел установки
Параметр
Мин.
Макс.
ед. измерения
Танк отфильтрованной воды
Вместимость
0
50000
л
Температура
0
100
°С
Давление
0
10
бар
Подающий насос и линия подачи
Температура
0
100
°С
Расход
0
100
м<sup>3</sup>/ч
Давление
0
100
бар
Резервуары высокого давления
Температура
0
100
°С
Расход (поток)
0
50
м<sup>3</sup>/ч
Давление
0
100
бар
Диаметр сосуда
100
1000
мм
Трубопроводы пермеата/воды
Температура
0
100
°С
Расход
0
40
м<sup>3</sup>/ч
Давление
0
20
бар
Проводимость
0
6000
мс/см
Линия подачи концентрата
Температура
0
100
°С
Расход
0
100
м<sup>3</sup>/ч
Давление
0
40
бар
Значения каждого эксплуатационного параметра МКУ отличаются в зависимости от конструкции блока резервуаров и сепарируемого продукта.
Фактические эксплуатационные параметры устанавливаются на указанном уровне, но обычно они находятся в диапазонах, приведенных в таблице 2.
СНАБЖЕНИЕ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЕЙ
Электрические системы, необходимые для МКУ, ограничены низковольтными источниками мощности, обеспечивающими работу всех устройств управления, установленных на системах с гидравлическим приводом.
При использовании дизельного электрогенератора применяют электрические регуляторы, обеспечивающие работу насосных агрегатов с электрическим приводом. К таким регуляторам относятся электрические щитки, пускатели электродвигателей и разводка мощности среднего напряжения по модулю.
Поскольку уровень оснащения и автоматизации растет, то увеличивается потребность в низковольтной мощности, необходимой для работы систем управления, и конструкцию системы энергоснабжения приводят в соответствие с этой особенностью.
Блок управления двигателями
Блок МКУ содержит систему управления и распределения энергии среднего напряжения, питаемую от дизельного электрогенератора.
В случае систем с гидравлическим приводом питание систем автоматизации обеспечивается непосредственно от бортовой сети электропитания (обычно 12 или 24 вольт постоянного или переменного тока).
Приводы с регулируемой скоростью
В МКУ с электрогенератором устанавливают электрический привод с регулируемой мощностью или преобразователь частоты, обеспечивающий работу подающего насоса.
Требования регулирования скорости достигают с помощью жестко смонтированного устройства передачи сигналов с током 4-20 мА или по линии передачи данных, при этом регулирование привода (например, Devicenet, Profibus) выполняют в соответствии с запросами конечного пользователя.
Силовые кабели
В случае применения электрогенератора выполняют укладку силовых кабелей, которые отвечают следующим условиям.
Все кабели на 400 вольт отделяют от управляющих и измерительных кабелей. Силовые и управляющие кабели не должны укладываться в одни и те же каналы или желоба.
Используемые силовые кабели должны быть типа 3C&NS/PVC и иметь сечение, соответствующее требованиям подключаемой нагрузки, длины прокладки и условий окружающей среды. Для всех электродвигателей также применяют 400-вольтовые полевые изоляторы, снабженные обратной связью с ближайшим щитком. Систему силовых кабелей изменяют в случае необходимости для обеспечения удовлетворения технических требований той страны, в которой будет эксплуатироваться установка.
Управляющие и измерительные кабели
Для любого выбранного уровня автоматизации в соответствии с требованиями предусмотрены поставка и установка кабельной проводки для всех новых устройств управления вводом-выводом и измерительных приборов.
В соответствии с требованиями любые передающие устройства, такие как датчики расхода, датчики проводимости, трехпроводные резистивные датчики температуры и предохранители монтируют в щите, установленном на МКУ.
Кабель датчиков температуры представляет собой один непрерывный трехжильный экранированный кабель, проходящий непосредственно от измерительной головки к изолированному датчику.
Типы кабелей, которые могут быть установлены на смонтированных на месте работы устройствах, приведены в таблице 3.
Таблица 3
6-жильный провод в ПВХ изоляции
Клапаны для продукта и оборудования
2- или 3-жильный провод в ПВХ изоляции
Реле уровня, датчики приближения, соленоиды, разъединители, кнопки и т.д.
B5102 ES
2-проводные аналоговые приборы
B5103 ES
Резистивные датчики температуры
В50хх ESCS
Датчики проводимости и потока и т.д.
Блоки питания измерительных приборов и аналоговые предохранители располагают в выносном щитке.
Все кабели измерительных приборов отделяют от силовых кабелей путем их укладки в систему управляющих и соединительных коробов.
Устройства для укладки кабелей
МКУ содержит каналы из нержавеющей стали 304, обеспечивающие защиту всех установленных кабельных проводок.
Щиты управления
Размер щита управления МКУ может изменяться в зависимости от типа конфигурации МКУ. Он может быть достаточно небольшим, если выбран основной комплект приборов с гидравлическим приводом, или достаточно большим, если выбран высокий уровень автоматизации наряду с применением электрогенератора. Щит содержит стойку для программируемого логического контроллера (ПЛК), локальных карт ввода-вывода (при необходимости), блоков питания установки и компьютер с человеко-машинным интерфейсом. В камере размещают оборудование с гидравлическим приводом и пневматическую управляющую аппаратуру.
Щиты управления могут быть изготовлены из панелей из нержавеющей стали класса IР65 с наклонными крышками, произведенных в соответствии с гигиеническими стандартами.
СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ
Обзор
МКУ могут иметь различные уровни автоматизации и управления. Эти параметры устанавливают на этапе конструирования.
Полный уровень оснащенности (как показано на фиг.3 (1.44Р001А)) может быть связан с применением ПЛК (программируемого логического контроллера) и, в свою очередь, человеко-машинного интерфейса. Блок управления МКУ содержит общеизвестные аппаратные и программные средства, которые для краткости не описаны подробно в данном документе.
Для связи с внешними системами МКУ может быть оснащена любыми доступными средствами, например беспроводными средствами, радиосредствами, средствами GPS навигации.
При более простой конструкции установки набор средств автоматизации сокращают до минимально необходимого числа датчиков, требуемых для измерения температуры и проводимости. Все другие средства измерения могут быть заменены индикаторами или отсутствовать. Это зависит от решения пользователя/заказчика.
Система ПЛК
С данном изобретении может использоваться любой известный или разрабатываемый ПЛК.
Интерфейс оператора
С данным изобретением может использоваться любой известный или разрабатываемый интерфейс оператора.
Интерфейс оператора обеспечивает отображение одного или нескольких из следующих типов информации:
- страницы меню,
- страницы обзора технологического процесса и процесса безразборной очистки,
- страницы обзора неисправностей,
- страницы выбора технологического процесса и процесса безразборной очистки,
- страницы графического отображения технологического процесса и процесса безразборной очистки,
- страницы динамики развития процессов,
- диалоговые окна режима ручного управления.
Система отображает графические и текстовые сообщения о состоянии/нарушении технологического процесса и процесса безразборной очистки.
ПЛК может содержать программный код для поддержки всестороннего обмена текстовыми сообщениями в ходе выбора любого отдельного технологического процесса и процесса безразборной очистки. Страницы обзора технологического процесса и процесса безразборной очистки могут быть реализованы с использованием организации очереди. Программный код предпочтительно структурируют и полностью документируют для простоты его чтения и использования.
Функциональное описание
Для проверки правильности работы установки может использоваться моделирование. Для моделирования логики технологического процесса и процесса безразборной очистки может применяться интерфейс оператора и завершенная программа ПЛК. Для облегчения процесса моделирования может быть разработан дополнительный программный код ПЛК, предусматривающий:
- включение обратной связи привода и клапанов и отображение с помощью них выходного состояния с задержкой по реальному времени для обеспечения моделирования отклика клапанов и т.д.,
- включение или выключение всех цифровых входов ПЛК для обеспечения моделирования условий протекания и/или нарушения процесса,
- включение аналоговых входов ПЛК для обеспечения возможности моделирования и настройки с помощью интерфейса оператора. В случае необходимости входы контроллеров доступны для отслеживания переменного параметра, регулируемого контроллером,
- возможность изменения заданных значений срабатывания аналоговых приборов и заданных значений контроллера, а также выходных клапанов, с помощью интерфейса оператора во время моделирования.
Предоставление отчетов
Система может быть выполнена с обеспечением составления эксплуатационного отчета в конце каждого цикла работы.
Приборное оснащение
Уровень оснащения, выбранный для МКУ, может значительно изменяться в зависимости от потребностей пользователей. В следующем списке перечислены многие приборы, которые могут использоваться в МКУ (приведенный список не является ограничивающим).
Полный набор датчиков может содержать следующие приборы:
Блок подачи:
а. Датчик температуры (подаваемый поток).
b. Датчик давления (давление на линии подачи).
с.Датчик расхода (подаваемый поток).
Блок резервуаров:
а. Датчик температуры (температура мембраны).
b. Датчик давления (давление в бустерной системе).
с.Датчик расхода (расход пермеата).
Поток ультраконцентрата:
а. Датчик температуры (температура на линии ультраконцентрата).
b. Датчик давления (давление на линии ультраконцентрата).
с. Датчик расхода (расход ультраконцентрата).
d. Ареометр Брикса или прибор для измерения общего содержания сухих веществ (содержание ультраконцентрата по Бриксу или общее содержание сухих веществ).
Цистерна для пермеата /воды:
а. Реле/датчики уровня (рабочие уровни цистерны для пермеата/воды).
b. Датчики проводимости (проводимость воды).
с. Нефелометр (содержание сухих веществ в воде).
При более простой конструкции набор датчиков сокращают до минимально необходимого числа датчиков, требуемых для измерения температуры и проводимости. Все другие средства измерения могут быть заменены индикаторами или отсутствовать. Количество отслеживаемых параметров выбирается на усмотрение пользователя.
Далее со ссылкой на фиг.22 рассматриваются другие способы, при выполнении которых может применяться МКУ.
Крупногабаритные "многоступенчатые" установки, т.е. обозначенные как Тип 2 на фиг.22, концентрируют молоко за один проход установки потоком и выполняют более одного этапа фильтрации (многоступенчатые установки требуют меньшей площади поверхности мембран, чем одноступенчатые установки). Этот вариант выполнения установки может использоваться в соответствии со способом 1 или может непрерывно работать вдоль маршрута сбора молока, концентрируя молоко в прицепе (этот процесс может продолжаться в течение многих часов, обычно 20 часов). Большегрузные цистерны перерабатывающего завода встречают МКУ, перегружают концентрат и доставляют молоко на завод. Такая система содержит (как минимум) один модуль секции подачи и по меньшей мере два модуля фильтрования и предназначена для перемещения по пути сбора молока, а также сбора молока и его непрерывного концентрирования. Установка содержит накопительную цистерну 116 для молока, МКУ, накопительную цистерну 134 для пермеата и непрерывно производит концентрат с высокой степенью концентрации, который хранится в накопительной цистерне 118. Большегрузные цистерны завода забирают молоко из цистерны 118 и транспортируют его на завод.
Еще более крупногабаритные установки "многоступенчатого" типа, работающие с еще большими объемами молока, чем описанные выше "крупногабаритные установки", обозначены на фиг.22 как Тип 3. Такой вариант выполнения обычно предназначен для поездок к центру области сбора молока, при этом транспортные средства/автоцистерны собирают молоко, доставляют его к мобильной концентрирующей установке для обработки, а большегрузные цистерны заводов переправляют концентрат на перерабатывающий завод. Установка 100 содержит (как минимум) по меньшей мере два модуля секции подачи и по меньшей мере два модуля фильтрования и как правило представляет собой обратноосмотическую (т.е. мембранную) установку. Установка такой конструкции предназначена для поездок к стационарным пунктам, расположенным по пути сбора молока, при этом другие транспортные средства собирают молоко и доставляют его к неподвижной мембранной установке на грузовике или к мобильной концентрирующей установке 100, где оно обрабатывается и запасается в накопительных цистернах 118, подвозимых к месту работы. Установка содержит накопительную цистерну 116, систему 104 подачи, накопительную цистерну 134 для воды или пермеата и непрерывно производит концентрат с высокой степенью концентрации, который хранится в цистернах 118, подвозимых к месту работы. Большегрузные цистерны перерабатывающего завода собирают молочный концентрат из накопительных прицепов и доставляют его на завод. Грузовик с мембранной установкой периодически возвращается на завод для очистки.
Система энергоснабжения может быть выполнена как отдельный компонент МКУ, может быть либо комбинированной, либо представлять собой подсоединяемую электрическую сеть, либо быть автономной, например, с питанием от солнечных или обычных батарей. Термин "транспортное средство" в общем смысле может обозначать любые средства перевозки, которые обеспечивают возможность перемещения или переноса МКУ. Например, "транспортное средство" может представлять собой грузовик, фургон, поезд, вагон или самолет.
В заключении рассмотрены следующие вопросы и проблемы, имеющиеся в молочной обрабатывающей промышленности, применительно к данному изобретению.
(a) Трудности при очистке. Чистка мембранных установок всегда вызывала трудности. В то время как установка предложенной конструкции может быть очищена непосредственно на транспортном средстве, весьма вероятно, что установке потребуется поддержка от стационарной системы очистки, расположенной на заводе. Такая установка обеспечивает подачу химических растворов и промывной воды при значительно больших значениях скорости потока и давления, чем значения, достигаемые в обычных условиях без применения системы очистки, с обеспечением надежной и полной очистки установки.
(b) Эксплуатационные риски. мембраны установки должны быть защищены от повреждения вследствие воздействия давления, температуры и химикатов, что обычно обеспечивают с помощью обширного ассортимента оборудования. Механическая конструкция установок такова, что давления, температуры и степени химического воздействия на мембраны не могут быть превышены. Насосы имеют технические характеристики, обеспечивающие невозможность превышения предельного давления, а система очистки установки оснащена оборудованием, обеспечивающим невозможность превышения предельных значений температуры и химической концентрации.
(c) Высокая потребляемая мощность. Достижения в отрасли создания насосов снизили необходимость в традиционно большой мощности, требуемой для мембранной установки, Были установлены требования, необходимые с точки зрения производительности установки (скорость сбора молока) и проведена оптимизация конструкции установки для достижения этих требований. Это в свою очередь обеспечило выбор правильных насосов для требуемых режимов работы и привело к созданию установки, работающей при мощности, например, 60 кВт, создаваемой приводом грузовика.
(d) Требования к техническому оснащению. Мембранные установки, расположенные на заводе, оснащены широким ассортиментом установленного измерительного оборудования и автоматизированных компьютерных систем управления, которые обеспечивают возможность работы заводской установки в различных режимах. Данное изобретение, которое может содержать этот полный ассортимент измерительного и контрольного оборудования, разработано с обеспечением работы при минимальном уровне измерительного оборудования и средств автоматизации и контроля, что обеспечивает простой и легкий режим работы. Предложенная установка может работать с датчиком проводимости, отслеживающим только содержание сухих веществ (определяющим уровень содержания сухих веществ в конечном продукте), а потоком концентрата, выходящим из установки, можно управлять только путем поддержания постоянного давления в установке (путем контроля противотока/соотношения и общего количества сухих веществ). Это означает, что можно значительно сократить уровень оснащения контрольно-измерительной аппаратурой, необходимой для эксплуатации установки (при этом также значительно сокращается вес установки).
(e) Большие габариты и вес установки. Мембранные установки традиционно имеют большие габариты и вес. Стандартные на сегодняшний день способы конструирования мембранных установок не позволяют использовать их на транспортном средстве, так как слишком большая доля грузоподъемности по молоку уходит на выдерживание веса установки. Данное изобретение относится к способу конструирования установки, который оптимизирует конструкцию и технические характеристики всех ее компонентов, что сокращает общую массу установки и обеспечивает возможность монтажа указанной установки на грузовике. Значительный вес стандартных мембранных установок является наиболее вероятной причиной, препятствующей рассмотрению идеи мембранной фильтрации на подвижном транспортном средстве в прошлом.
Преимущества
Предложенная мобильная концентрирующая установка (МКУ) обладает одним или несколькими из следующих преимуществ:
a) возможность концентрирования молока, пока транспортное средство неподвижно и/или находится в состоянии загрузки или выгрузки молока, или движется,
b) возможность запаса и перевозки сырого продукта для обработки,
c) возможность автономной работы без необходимости внешнего источника питания,
d) возможность работы независимо от бортовой энергосистемы молоковоза,
e) малый объем,
f) сниженный вес,
g) низкое потребление энергии,
h) надежность,
i) простота эксплуатации,
j) значительное увеличение количества сырья, которое может быть собрано,
k) возможность монтажа на стандартном транспортном средстве для перевозки молока без какой-либо модернизации или с минимальной модернизацией указанного транспортного средства,
l) большегрузный транспорт для сбора и концентрирования молока и накопительная установка ежедневно возвращаются на завод для очистки и обслуживания,
m) несколько различных доступных "режимов" работы, конструкций и емкостей,
n) пригодность мобильной установки для любых жидких пищевых продуктов, таких как вино, сок или молоко, которые могут быть отфильтрованы с помощью мембран.
Модификации
Всюду в приведенном описании слово "содержит" и все его варианты, такие как "содержащий", "содержат" не подразумевают исключение иных дополнительных элементов, компонентов или этапов.
Необходимо понимать, что, несмотря на то, что предшествующее описание было приведено в качестве иллюстративного примера, все подобные и прочие модификации и изменения предложенного изобретения, очевидные для специалистов в данной области техники, также находятся в рамках объема изобретения, описанного в данном документе. Данное изобретение, описанное в этой заявке, может также быть применено к процессу опреснения морской и речной воды (для получения воды, пригодной для питья). Такая установка направляется к источнику воды (побережью или реке), забирает сырую воду и производит свежую питьевую воду в цистернах транспортного средства. После заполнения цистерны вода доставляется транспортным средством туда, где она необходима. Система полностью мобильна и приводится в действие от бортового источника энергии.
Хотя в данном подробном описании упоминаются отдельные параметры, например давления, расходы жидкостей, температуры, размеры и т.д., следует понимать, что эти частные параметры приведены в качестве примера и не являются ограничивающими.