СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ГИДРОТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ЗЕРНА ОВСА ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ТОЛОКНА
METHOD OF AUTOMATIC CONTROL OVER HYDROTHERMAL OATS GRAIN TREATMENT IN PRODUCTION OF OAT FLOUR

Изобретение относится к автоматизации технологических процессов и может быть использовано при автоматизации процесса гидротермической обработки зерна овса при производстве толокна.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ производства толокна и технологическая линия для его осуществления [Патент РФ №2329102, МПК В02В 5/02. Способ производства толокна и технологическая линия для его осуществления / С.В.Куцов, С.А.Шевцов, Е.А.Острикова. №2007106339/13; заявлено 19.02.2007; опубликовано 20.07.2008. Бюллетень №20], предусматривающий, что термическую обработку зерна осуществляют в два этапа - сушка и обжарка, сушку осуществляют воздухом, а обжарку осуществляют перегретым паром, причем пар, полученный в парогенераторе и перегретый в пароперегревателе, подают в обжарочный аппарат, а отработанный перегретый пар сначала направляют в паровой калорифер для нагрева воздуха, подаваемого в сушилку, а затем в паровые рубашки томильного аппарата и замочного чана, при этом пары испарившейся из продукта влаги и конденсат из паровых рубашек отводят сначала в емкость для сбора конденсата, а затем для питания парогенератора с последующей подачей в обжарочный аппарат с образованием замкнутого цикла, часть конденсата используют для промежуточного увлажнения продукта в камере обжарки; образовавшиеся неконденсирующиеся газы выводят из контура рециркуляции перегретого пара; воздух, подогретый в паровом калорифере отработанным паром, подают в сушилку, отработанный воздух из камеры сушки направляют в теплонасосную установку для осушения и затем вентилятором нагнетают в сушилку через паровой калорифер с образованием замкнутого цикла.
Однако известный способ имеет следующие недостатки:
- не обеспечивается оперативное управление технологическими параметрами на стадиях процесса гидротермической обработки (включая подачу зерна в замочный чан, замачивание, томление, сушку и обжарку) по информации, получаемой непосредственно с объекта управления в условиях случайных возмущений как со стороны изменения исходных свойств сырья, так и со стороны возможных технологических сбоев оборудования, что в свою очередь не позволяет получить готовый продукт высокого качества;
- не устанавливаются рациональные режимы работы оборудования в зависимости от подаваемых на него нагрузок;
- не обеспечивается точность и надежность управления за счет накладываемых двусторонних ограничений на управляемые параметры и, как следствие, не создаются условия для увеличения выхода готового продукта и экономии теплоэнергетических затрат.
Технической задачей изобретения является повышение качества готовой продукции, энергетической эффективности, экологической безопасности, точности и надежности управления процессом приготовления толокна, снижение удельных теплоэнергетических затрат за счет усовершенствования схемы автоматического контроля и более точного регулирования технологических параметров процесса гидротермической обработки зерна овса.
Поставленная техническая задача достигается тем, что в способе автоматического управления процессом гидротермической обработки зерна овса при производстве толокна, предусматривающем, что термическую обработку зерна осуществляют в два этапа - сушка и обжарка, сушку осуществляют воздухом, а обжарку осуществляют перегретым паром, причем пар, полученный в парогенераторе и перегретый в пароперегревателе, подают в обжарочный аппарат, а отработанный перегретый пар сначала направляют в паровой калорифер для нагрева воздуха, подаваемого в сушилку, а затем в паровые рубашки томильного аппарата и замочного чана, при этом пары испарившейся из продукта влаги и конденсат из паровых рубашек отводят сначала в емкость для сбора конденсата, а затем для питания парогенератора с последующей подачей в обжарочный аппарат с образованием замкнутого цикла, часть конденсата используют для промежуточного увлажнения продукта в камере обжарки; образовавшиеся неконденсирующиеся газы выводят из контура рециркуляции перегретого пара; воздух, подогретый в паровом калорифере отработанным паром, подают в сушилку, отработанный воздух из камеры сушки направляют в теплонасосную установку для осушения и затем вентилятором нагнетают в сушилку через паровой калорифер с образованием замкнутого цикла, новым является то, что все стадии процесса гидротермической обработки зерна овса при производстве толокна контролируются и регулируются датчиками и приборами автоматического управления, так насыщенный пар получают в парогенераторе, оснащенном электронагревательными элементами, предохранительным клапаном давления, датчиком уровня и системой регулируемых кранов; перегрев пара атмосферного давления осуществляют в электрическом пароперегревателе с несколькими контурами ТЭНов, работающими в зависимости от температуры пара, поступающего в обжарочный аппарат, перегретый пар в обжарочный аппарат подают вентилятором, с давлением, регулируемым в зависимости от влажности и температуры подаваемого зерна при загрузке и этапа работы аппарата (загрузка, обжарка, увлажнение, выгрузка), воду для увлажнения зерна в обжарочный аппарат подают насосом из емкости для сбора конденсата с регулировкой напора в зависимости от этапа работы аппарата, температуры и влажности подаваемого на обжарку зерна, отработанный пар из обжарочного аппарата отводят вентилятором в паровой калорифер для нагрева воздуха или частично к пароперегревателю в зависимости от температуры подаваемого в сушилку воздуха, после калорифера пар подают в паровые рубашки замочного чана и томильного аппарата в зависимости от температуры зерна на выходе из аппаратов, образовавшийся конденсат греющего пара в режиме замкнутого контура подают в парогенератор, обеспечивая уровень жидкости, не позволяющий ТЭНам перегреваться; воздух, нагретый в паровом калорифере, подают в сушилку с давлением, регулируемым в зависимости от температуры и влажности зерна, подаваемого в сушилку, из сушилки влажный воздух отводят в теплонасосную установку с системой клапанов и вентилей для осушения, причем часть воздуха выводится или вводится из окружающей среды в зависимости от расхода воздуха на входе в сушилку, и затем вентилятором нагнетают в сушилку через паровой калорифер с образованием замкнутого цикла; зерно подают в замочный чан, на период, зависящий от температуры и влажности на входе, замоченное зерно подают в томильный аппарат, на период, зависящий от температуры и влажности на входе в аппарат, в сушилке зерно сушат воздухом до влажности 14…12% и нагревают не выше температуры 95°С, контролируемой в сушилке и на входе в обжарочный аппарат, из сушилки зерно подают в обжарочный аппарат, где обжаривают до влажности 4…5% с периодическим увлажнением и нагревают не выше температуры 75°С, контролируемой в аппарате и на выходе из обжарочного аппарата.
Технический результат заключается в улучшении вкусовых качеств готовой продукции за счет активизации одорирующих веществ, непрерывного вывода из контура рециркуляции несконденсированных газов, образовавшихся в результате терморазложения клеточной системы зернового сырья и имеющих высокое содержание канцерогенных углеводородов, а также за счет уменьшения массовой доли угара благодаря комбинированной технологии термообработки, обеспечивающей предварительную сушку воздухом и обжарку перегретым паром без чрезмерного воздействия высоких температур с постепенным снижением влажности зернового сырья, и автоматизированному управлению процессами; в увеличении срока хранения готового продукта за счет уменьшения окисления жиров в процессе термообработки; интенсификации процесса за счет более быстрого влагообмена при обжарке; снижении энергозатрат на процесс термообработки за счет использования циклической схемы использования пара с этапами генерации, перегрева, охлаждения, конденсации и замкнутого цикла использования воздуха с применением тепло-насосной установки; создании экологически чистой, ресурсосберегающей технологии получения толокна за счет утилизации и рекуперации теплоты отработанного перегретого пара при обжарке, рационального использования теплоты сушильного агента при сушке за счет своевременного регулирования, использования отработанного перегретого пара и сушильного агента как источников вторичных энергоресурсов для сушки и нагрева.
На фиг.1 представлена схема, реализующая предлагаемый способ автоматического управления процессом гидротермической обработки зерна овса при производстве толокна.
Схема автоматического управления процессом гидротермической обработки зерна овса при производстве толокна содержит замочный чан 1, томильный аппарат 2, сушилку 3, обжарочный аппарат 4, емкость для сбора конденсата 5, парогенератор 6, пароперегреватель 7, испаритель теплонасосной установки 8, дублирующий испаритель 9, конденсатор теплонасосной установки 10, компрессор теплонасосной установки 11, вентиляторы 12, 13 и 14, паровой калорифер 15, вентили 16, насос 17, микропроцессор 18. В состав схемы входят также линии для перемещения рабочих сред: 0.2 - влажный продукт, 0.2.1 - высушенный продукт, 0.2.2 - обжаренный продукт, 1.8 - конденсат, 2.1 - отработанный пар, 2.2 - насыщенный пар, 2.3 - перегретый пар, 3.2 - осушенный воздух, 3.3 - рециркуляционный воздух, 3.4 - горячий воздух, 5.1 - несконденсированные газы. В состав схемы входят также датчики и исполнительные механизмы (А, Б, В, Г, Д, Е, Ж, З, И, К, Л, М, Н, О, П, Р, С, Т, У, Ф, X, Ц, Ч, Ш, Щ, Э, Ю, Я - входные каналы управления, а, б, в, г, д, е, ж, з, и, к, л, м, н, о, п, р, с, т, у, ф, х, ц, ч, ш, щ, э - выходные каналы управления).
Способ автоматического управления процессом гидротермической обработки зерна овса при производстве толокна осуществляется следующим образом.
Подготовленное сырье (овес), вымытое и очищенное, подают в замочный чан 1 по линии 0.2 вместе с водой. За счет подвода отработанного пара температурой 100…105°С по линии 2.1 в паровую рубашку замочного чана 1 продукт нагревается до температуры 35…40°С и выстаивает определенный период, причем продолжительность периода регулируется в зависимости от влажности зерна на входе в чан, а расход пара в паровой рубашке регулируется вентилем в зависимости от температуры зерна на входе в чан.
Далее по линии 0.2 набухший овес поступает в томильный аппарат 2 с паровой рубашкой, в которую по линии 2.1 подается отработанный пар температурой 100…105°С. Томление овса в аппарате 2 продолжается определенный период, причем продолжительность периода регулируется в зависимости от влажности зерна на входе в аппарат, а расход пара в паровой рубашке регулируется вентилем в зависимости от температуры зерна на входе в аппарат, причем на выходе из томильного аппарата зерно достигает влажности 24…26%. Конденсат из паровых рубашек замочного чана 1 и томильного аппарата 2 отводится по линии 1.8 в емкость для сбора конденсата 5. Продукты терморазложения - канцерогены - непрерывно выводят с неконденсированными газами по линии 5.1, создавая при этом экологически безопасные условия в технологии производства толокна высокого качества.
Овес из томильного аппарата 2 поступает в сушилку 3, где сушится воздухом, поступающим по линии 3.4, температурой 85…95°С до влажности 14…12%, причем расход регулируется вентилятором 12, температура воздуха регулируется паровым калорифером 15 в зависимости от температуры и влажности продукта в сушилке. Воздух, подаваемый по линии 3.4 в сушилку 3, нагревается в паровом калорифере 15 отработанным паром температурой 115…120°С, поступающим по линии 2.1, причем расход пара регулируется вентилем, направляя часть потока в пароперегреватель 7 с образованием замкнутого цикла, в зависимости от температуры воздуха на выходе из калорифера. Отработанный рециркуляционный воздух после сушилки по линии 3.3 направляют на осушение в испарители 8 и 9 теплонасосной установки. Выброс или подпитка воздуха осуществляется через линию 3.1 при помощи клапана в зависимости от расходов воздуха на входе в сушилку и входе в теплонасосную установку. Конденсат из испарителей 8 и 9 отводится через линию 1.8. Осушенный воздух после испарителей 8 и 9 подают сначала на конденсатор 10, где он подогревается до температуры 50…60°С, а затем по линии 3.2 вентилятором 12 в паровой калорифер 15, где он нагревается до температуры 85…95°С.
Высушенный продукт по линии 0.2.1 подается в обжарочный аппарат 4, где перегретым паром, поступающим по линии 2.3, температурой 120…125°С обжаривается до влажности 4…5%. Температура продукта в обжарочном аппарате не должна превышать 70…75°С. Перегретый пар в обжарочный аппарат подают вентилятором 13, с давлением, регулируемым в зависимости от влажности и температуры подаваемого зерна и этапа работы аппарата (загрузка, обжарка, увлажнение, выгрузка), причем интенсивность нагрева пара в пароперегревателе 7 зависит от работы вентилятора 13. Воду для увлажнения зерна в обжарочный аппарат подают насосом 17 из емкости для сбора конденсата с регулировкой напора в зависимости от этапа работы аппарата, температуры и влажности подаваемого на обжарку зерна.
Из емкости для сбора конденсата 5 конденсат по линии 1.8 поступает в парогенератор 6 с электронагревательными элементами, предохранительным клапаном давления, датчиком уровня и системой регулируемых кранов через кран в зависимости от уровня воды и давления в парогенераторе. Электронагревательные элементы работают в зависимости от давления пара в парогенераторе и расхода пара на выходе из пароперегревателя 7. Перегрев пара атмосферного давления осуществляют в электрическом пароперегревателе 7 с несколькими контурами ТЭНов, работающими в зависимости от температуры пара, поступающего в обжарочный аппарат.
Обжаренный продукт по линии 0.2.2 поступает на зерновой постав.
Дальнейшая обработка овса при производстве толокна ведется по костромскому способу, сущность которого заключается в следующем. При замочке, томлении и главным образом при высушивании овса оболочка его (пленка) и ядро набухают и теряют влагу неравномерно, в связи с чем в зерне создаются напряжения, способствующие отделению пленки от ядра. Это облегчает процесс обрушивания овса - снятие с него пленки. С постава обрушенный овес направляют на центрифугальную щеточную машину для отделения мучели и с нее на лузговейку для отбора лузги (пленки). Освобожденный от мучели и пленки овес поступает на крупоотделительную машину, где от него отбирают необрушенные зерна. Очищенный овес размалывают по схеме простого повторительного помола на вальцовом станке с вымолом последней фракции на жерновом поставе. Для размола применяют первую пару валков, имеющих 10 рифлей на 1 см, и вторую пару - гладкие валки. Продукты размола разделяют на рассеве с шелковыми ситами №29 и 32. Готовый продукт расфасовывают в коробки из картона по 250-300 г.
Способ автоматического управления процессом гидротермической обработки зерна овса при производстве толокна представим на примере технологической линии производства толокна [Патент РФ №2329102, МПК В02В 5/02. Способ производства толокна и технологическая линия для его осуществления / С.В.Куцов, С.А.Шевцов, Е.А.Острикова. №2007106339/13; заявлено 19.02.2007; опубликовано 20.07.2008. Бюллетень №20].
Поступающий на переработку овес I-го типа II-го подтипа, произрастающий в Воронежской области, содержащий 7% зерен другого типа, подается на очистку. Подготовленное сырье (овес), вымытое и очищенное, подают в замочный чан 1 по линии 0.2 вместе с водой. За счет подвода отработанного пара температурой 100…105°С по линии 2.1 в паровую рубашку замочного чана 1 продукт нагревается до температуры 35…40°С и выстаивает 1,5 часа, причем продолжительность процесса уменьшается, если влажность зерна на входе в чан выше 12%, а расход пара в паровой рубашке увеличивается при помощи вентиля, если температура зерна с водой на входе в чан менее 18°С.
Далее по линии 0.2 набухший овес поступает в томильный аппарат 2 с паровой рубашкой, в которую по линии 2.1 подается отработанный пар температурой 100…105°С. Томление овса в аппарате 2 продолжается 1 час, причем продолжительность периода увеличивается, если влажность зерна на входе в аппарат менее 18%, а расход пара в паровой рубашке увеличивается, если температура зерна на входе в аппарат менее 35°С, причем на выходе из томильного аппарата зерно достигает влажности 24…26%. Конденсат из паровых рубашек замочного чана 1 и томильного аппарата 2 отводится по линии 1.8 в емкость для сбора конденсата 5. Продукты терморазложения - канцерогены - непрерывно выводят с неконденсированными газами по линии 5.1, создавая при этом экологически безопасные условия в технологии производства толокна высокого качества.
Овес из томильного аппарата 2 поступает в сушилку 3, где сушится воздухом температурой 85…95°С до влажности 14…12%, причем расход воздуха увеличивается при помощи вентилятора 12 и температура воздуха увеличивается при помощи парового калорифера 15, если температура продукта в сушилке менее 70°С и влажность зерна на входе в сушилку менее 24%. Воздух, подаваемый по линии 3.4 в сушилку 3, нагревается в паровом калорифере 15 отработанным паром температурой 115…120°С, поступающим по линии 2.1, причем расход пара регулируется вентилем, направляя часть потока в пароперегреватель 7 с образованием замкнутого цикла, если температура воздуха на выходе из калорифера менее 85°С. Отработанный рециркуляционный воздух после сушилки по линии 3.3 направляют на осушение в испарители 8 и 9 теплонасосной установки. Выброс воздуха осуществляется через линию 3.1 при помощи клапана, если расход воздуха на входе в сушилку выше, чем на входе в теплонасосную установку. Подпитка воздуха осуществляется через линию 3.1 при помощи клапана, если расход воздуха на входе в сушилку меньше, чем на входе в теплонасосную установку. Конденсат из испарителей 8 и 9 отводится через линию 1.8. Осушенный воздух после испарителей 8 и 9 подают сначала на конденсатор 10, где он подогревается до температуры 50…60°С, а затем по линии 3.2 вентилятором 12 в паровой калорифер 15, где он нагревается до температуры 85…95°С.
Высушенный продукт по линии 0.2.1 подается в обжарочный аппарат 4, где перегретым паром температурой 120…125°С обжаривается до влажности 4…5%. Температура продукта в обжарочном аппарате не должна превышать 70…75°С. Перегретый пар в обжарочный аппарат подают вентилятором 13, причем расход пара уменьшается, если влажность подаваемого зерна менее 12% и температура более 75°С, и вентилятор отключается, если аппарат работает в режиме загрузки, увлажнения или выгрузки, причем интенсивность нагрева пара в пароперегревателе 7 увеличивается (работает большее число электронагревательных элементов), если расход пара возрастает. Воду для увлажнения зерна в обжарочный аппарат подают насосом 17 из емкости для сбора конденсата, когда аппарат работает в режиме увлажнения, с более высоким давлением, если температура зерна в аппарате более 75°С и влажность подаваемого на обжарку зерна менее 12%.
Из емкости для сбора конденсата 5 конденсат по линии 1.8 подается в парогенератор 6 с электронагревательными элементами, предохранительным клапаном давления, датчиком уровня и системой регулируемых кранов, если уровень воды меньше минимально допустимого и прекращается подача при наполнении до максимально допустимого уровня. Избыточное давление в парогенераторе сбрасывается предохранительным клапаном давления. Электронагревательные элементы работают, если давление пара в парогенераторе меньше максимально допустимого и расход пара на выходе из пароперегревателя 7 создается вентилятором 13.
Обжаренный продукт по линии 0.2.2 поступает на зерновой постав. Дальнейшая обработка овса при производстве толокна ведется по костромскому способу, сущность которого заключается в следующем. При замочке, томлении и главным образом при высушивании овса оболочка его (пленка) и ядро набухают и теряют влагу неравномерно, в связи с чем в зерне создаются напряжения, способствующие отделению пленки от ядра. Это облегчает процесс обрушивания овса - снятие с него пленки. С постава обрушенный овес направляют на центрифугальную щеточную машину для отделения мучели и с нее на лузговейку для отбора лузги (пленки). Освобожденный от мучели и пленки овес поступает на крупоотделительную машину, где от него отбирают необрушенные зерна. Очищенный овес размалывают по схеме простого повторительного помола на вальцовом станке с вымолом последней фракции на жерновом поставе. Для размола применяют первую пару валков, имеющих 10 рифлей на 1 см, и вторую пару - гладкие валки. Продукты размола разделяют на рассеве с шелковыми ситами №29 и 32. Готовый продукт расфасовывают в коробки из картона по 250-300 г.
В табл.1 приведены некоторые показатели толокна, полученного по прототипу и предлагаемому способу.
Таблица 1
Характеристики толокна
Прототип
Предлагаемый способ
Влажность, %
5,00
5,00
Органолептические свойства:
вкус
свойственный толокну, сладковатый
свойственный толокну, равномерно сладковатый
цвет
кремовый, однотонный
стабильный кремовый, однотонный
запах
солодовый
солодовый
Срок хранения, мес
6
7
Таким образом, предлагаемый способ автоматического управления процессом гидротермической обработки зерна овса при производстве толокна имеет следующие преимущества:
- улучшение вкусовых качеств готовой продукции за счет равномерной активизации одорирующих веществ, непрерывного вывода из контура рециркуляции несконденсированных газов, образовавшихся в результате терморазложения клеточной системы зернового сырья и имеющих высокое содержание канцерогенных углеводородов, а также за счет уменьшения массовой доли угара благодаря комбинированной технологии термообработки, обеспечивающей предварительную сушку воздухом и обжарку перегретым паром без чрезмерного воздействия высоких температур с постепенным снижением влажности зернового сырья, и автоматизированному управлению процессами;
- увеличение срока хранения готового продукта за счет уменьшения окисления жиров в процессе регулируемой автоматически термообработки;
- интенсификация процесса за счет более быстрого влагообмена при обжарке с автоматическим поддержанием заданной температуры продукта;
- снижение энергозатрат на процесс термообработки за счет применения циклической схемы использования пара с этапами генерации, перегрева, охлаждения, конденсации, регулируемой автоматически, и замкнутого цикла использования воздуха с применением теплонасосной установки;
- создание экологически чистой, ресурсосберегающей технологии получения толокна за счет утилизации и рекуперации теплоты отработанного перегретого пара при обжарке, рационального использования теплоты сушильного агента при сушке за счет своевременного регулирования, использования отработанного перегретого пара и сушильного агента как источников вторичных энергоресурсов для сушки и нагрева.