ФИЛЬТРАЦИОННЫЙ АВТОМАТ
AUTOMATED FILTRATION DEVICE

Изобретение относится к автоматизации производственных процессов, а именно к автоматизации процесса фильтрации затора при производстве пивного сусла.
Известно многофункциональное управление фильтрованием, экспериментально применяемое на немецких пивоваренных заводах при получении пивного сусла, при этом производят непрерывное считывание и анализ текущих параметров: скорости потока, глубины погружения разрыхлителя слоя дробины над фильтрационными ситами, числа оборотов разрыхлителя, плотности профильтрованного сусла, мутности сусла и его уровня в фильтрационном аппарате, которые вначале обрабатываются в отдельных модулях программного обеспечения, затем данные поступают в устройства центрального управления, где в соответствии с заданными приоритетами определяют необходимые воздействия [Меледина Т.В., Дедегкаев А.Т., Баланов П.Е. «Технология пивного сусла», 2006 г., Ростов-на Дону, Санкт-Петербург, изд-во «Феникс», с.121-124]. Автоматизация процесса приготовления сусла и фильтрация затора до сих пор находятся в стадии опытов [http://pivovod.ru/e107plugins/content/content.php?content.114].
В качестве прототипа принят известный фильтрационный автомат, который должен регулировать под фильтрационным ситом сток сусла и контролировать его прозрачность. Автомат установлен на линии напорного трубопровода между сборником отфильтрованного сусла и сусловарочным котлом и содержит маностат с регулирующим клапаном и указателем давления, создаваемого роторным насосом перекачки сусла; причем напорный трубопровод содержит смотровые стекла и фотометр, снабженный сигнализирующим устройством, через регулирующий клапан и трехходовый кран возвращающим поток мутного сусла в фильтрационный чан; при этом напорный трубопровод дополнительно снабжен расходомером и указателем протекания сусла в сусловарочный котел [Journ. Amer. Chem. Soc., 77, 1955, 2828: Citovano podle 2, цит. по Ф.Главачек, А.Лхотский, Пивоварение, М., Пищпром, 1977, с.183].
Таким образом, основным предназначением фильтрационного автомата было предотвращение перекачки мутного сусла в сусловарочный котел. При этом фотометр в зависимости от мутности протекающего сусла выдавал сигнал на трехходовый кран, который направлял поток либо обратно в фильтрационный чан, либо в сусловарочный котел; при этом оператор контролировал визуально прозрачность потока через смотровые окна в напорном трубопроводе. Таким образом, порции мутного сусла возвращались на повторную фильтрацию, что предотвращало потери полезных компонентов и самого сусла. Общеизвестно [Кунце В. «Технология солода и пива», СПб., Изд-во «Профессия», 2003 г., с.270-280; Меледина Т.В., Дедегкаев А.Т., Баланов П.Е. «Технология пивного сусла», Ростов-на-Дону, Санкт-Петербург, изд-во «Феникс», 2006 г., с.121-124], что помутнение сусла определяется количеством мелкодисперсной составляющей помола зернопродуктов. На этом основании во всех технологиях пивоварения дробление ориентировано на получение помола средних размеров. Однако укрупнение размеров неизбежно удлиняет процесс выщелачивания полезных компонентов из дробины, тогда как мелкодисперсный помол в процессе фильтрации слеживается, формируя так называемые «тестовые лепешки», останавливающие фильтрацию. Для ее продолжения технологи применяют мешалки, ножи, скребки и другие средства разрушения слежавшихся слоев. При этом применяют специальные устройства для откачки верхнего слоя, так называемого первого (прозрачного) сусла. Для его формирования технологическим регламентом предусмотрены фильтрационные паузы (циклично по 30 минут).
Таким образом, прототип обладает двумя существенными признаками: наличие контура управления эвакуацией сусла из сборника (в виде маностата с регулирующим клапаном и указателем давления) и контура переключения мутного сусла из напорного трубопровода на повторную фильтрацию (фотометр, взаимосвязанный с трехходовым краном).
Фильтрационный автомат не нашел применения из-за несовершенства аппаратно-приборной базы мониторинга и невозможности его использования для управления технологическим процессом фильтрации затора.
Заявляемый фильтрационный автомат предназначен для использования на пивоваренных предприятиях при проведении процесса фильтрации затора и получения пивного сусла.
Технический результат изобретения - автоматизация управления процессом фильтрации затора при постоянном контроле параметров качества сусла, при ускорении процесса фильтрации пивного сусла путем регулируемой прочистки пор фильтрационного сита и при контроле полноты выщелачивания дробины.
Техническая задача решается тем, что фильтрационный автомат, включающий контур управления процессом эвакуации сусла из сборника и контур переключения потока мутного сусла из напорного трубопровода, согласно изобретению фильтрационный автомат снабжен контуром управления скоростью фильтрации в фильтрационном чане и контуром контроля полноты выщелачивания дробины затора, взаимосвязанных через микропроцессор с исполнительными механизмами коррекции технологического процесса.
Устройство подключается к заводским линиям электроснабжения, водоснабжения и канализации, а также к линии обеспечения инертным газом, причем имеет канал информационного выхода на персональный компьютер или на пульты общезаводской автоматизированной системы управления технологическими процессами. При их отсутствии устройство может применяться относительно одиночного фильтрационного чана и перенастраиваться на любую мощность его загрузки подготовленным затором.
На фиг.1 изображена схема фильтрационного автомата, на фиг.2 - схема подводящих линий воды, пара и инертного газа.
Фильтрационный автомат включает микропроцессор 1, соединенный с уровнемером высоты затора 2 в фильтрационном чане 3 и уровнемером высоты отфильтрованного сусла 4 в сборнике 5, датчиком температуры 6 фильтрационного сита 7, датчиком плотности сусла 8 в сборнике 5, расходомером перекачиваемого отфильтрованного сусла 9, фотометром отстоявшегося сусла 10 в сепараторе 11, а также с исполнительными механизмами, включающими отсечные клапаны линий подачи промывных вод 12, подачи инертного газа и пара 13, линии стока сусла 14 в сборник 5, насосом 15 перекачки сусла из сборника 5 в сепаратор 11 и насосом 16 перекачки отстоявшегося сусла из сепаратора 11 через трехходовой клапан 17 в сусловарочный котел 18 или в заторный чан 19. При этом линия подачи промывных вод 20 дооснащена электрическим бойлером 21 с регулятором температуры 22, расходомером промывных вод 23, исполнительным механизмом перемещения 24 разбрызгивателя промывных вод 25, а линия подачи пара и инертного газа под дно фильтрационных сит 7 содержит расходомер воды 26, поступающей в парогенератор 27, регулятор давления и расхода инертного газа 28, переключающий линии пара и газа трехходовой клапан 29, газовое сопло 30 с механизмом его перемещения 31 под дном сит 7, а линия перекачки отфильтрованного сусла из сборника 5 в сепаратор 11 оснащается отсечным клапаном 32. При этом сборник отфильтрованного сусла 5 и сепаратор 11 оснащены автоматизированными спускными клапанами воздуха 33, 34 соответственно, а микропроцессор 1 имеет внешний канал ввода технологом установочной информации 35.
Причем в отличие от прототипа контур управления процессом эвакуации сусла из сборника 5 включает уровнемер высоты отфильтрованного сусла 4, установленный с возможностью подачи информационного сигнала в микропроцессор 1 при накоплении определенного объема сусла в сборнике 5 (например, каждые 100 литров), при этом микропроцессор 1 подает управляющие сигналы на отсечной клапан 14 линии стока сусла и на насос 15 перекачки сусла из сборника 5 в сепаратор 11.
В прототипе заявляемого устройства регуляция количества отфильтрованного сусла, подаваемого в напорный трубопровод, осуществляется по принципу поддержания так называемого «равновесного состояния», когда количество сусла, протекающего через фильтрационный слой, равно количеству истекающего из сборника, что реализуется закрытой регулирующей схемой, включающей маностат, регулирующий клапан и роторный насос. При нарушении этого соотношения, по мнению Леберле [цит. по Ф.Главачек, А.Лхотский «Пивоварение», М., Пищпром, 1977, с.182], фильтрация затрудняется. Причем соотношение давлений при фильтрации изменяется как в слое дробины, так и под фильтрационным ситом и зависит от многих факторов (например, параметров затора) и поэтому поддерживать непредсказуемо изменяющееся «равновесное состояние» довольно затруднительно, поскольку количество сусла, стекающего в сборник, существенно изменяется во времени по ходу процесса фильтрации. Поэтому примененная в прототипе регулирующая система не переходит в установившийся режим работы, что снижает качество управления процессом. По Якобу [цит. по Ф.Главачек, А.Лхотский «Пивоварение», М., Пищпром, 1977, с.179-182] даже при нормальной фильтрации дробина так плотно прилегает к дну, что для свободного прохождения остается едва ли 1% от общей поверхности фильтрационного сита. Таким образом, в заявляемом устройстве взамен управления по принципу «равновесного состояния» применен «принцип дозатора»: когда при достижении заданного объема (например, каждые 100 литров) по сигналу уровнемера 4 включается механизм перекачки сусла (насос перекачки сусла 15, отсечной клапан 32) из сборника 5. При этом управляющий микропроцессор 1 закрывает отсечный клапан 14. При этом измерение давления сусла в сборнике 5, так же как и регулирование стока сусла в сборник 5, становятся излишними.
В отличие от прототипа контур переключения потока мутного сусла, настроенный на перекачку порций сусла с мутью, отстоявшейся в сепараторе 11 в заторный чан 19, включает фотометр 10 и трехходовый клапан 17, взаимосвязанный с насосом перекачки 16, причем сигнал с фотометра 10 в микропроцессор 1 о появлении прозрачных порций сусла инициирует переключение трехходового клапана 17 и насоса 16 на перекачку сусла в сусловарочный котел 18.
В отличие от прототипа контур управления скоростью фильтрации в фильтрационном чане 3 включает схему регуляции и поддержания оптимальной температуры зоны фильтрации затора; схему контроля верхнего и нижнего уровней жидкой составляющей фильтрующегося затора, информирующую о динамике процесса фильтрации; схему управления подачей инертного газа для очистки забивающихся пор фильтрационного сита 7 и придания дробине свойств «кипящего слоя». При этом схема регуляции и поддержания оптимальной температуры зоны фильтрации затора включает датчик температуры 6 фильтрационного сита 7, на основании показаний которого микропроцессор 1 подает сигналы корректирующего воздействия на исполнительные механизмы линии промывных вод 20, включающие регулятор температуры 22 бойлера 21, и на парогенератор 27, через исполнительные механизмы, воздействующие паром (инертным газом) на нижнюю поверхность фильтрационного сита 7. Схема контроля верхнего и нижнего уровней жидкой составляющей фильтрующегося затора включает уровнемер 2, по сигналам которого микропроцессор 1 прекращает подачу промывных вод, подавая команду на отсечной клапан 12 либо прекращает процесс фильтрации при резком снижении уровня жидкой части затора. Схема управления подачей инертного газа для очистки забивающихся пор фильтрационного сита и придания дробине свойств «кипящего слоя» включается при повышении уровня затора или явно медленном снижении уровня жидкой части затора в фильтрационном чане 3, что свидетельствуют о блокаде процесса фильтрации. Информация с уровнемера 2 в микропроцессор 1 приводит в действие механизм очистки пор фильтрационного сита 7 путем включения регулятора давления и расхода инертного газа 28 и подачи через газовое сопло 30 струй инертного газа под давлением на нижнюю поверхность фильтрационного сита 7.
В отличие от прототипа контур контроля полноты выщелачивания дробины затора содержит датчик плотности 8 каждой порции отфильтрованного сусла в сборнике 5 и расходомер 9 перекачиваемого отфильтрованного сусла. Эти данные, сопоставленные в микропроцессоре 1 с прогнозными величинами объема и плотности всей порции отфильтрованного затора, дают представление о полноте выщелачивания дробины данной порции затора.
Устройство работает следующим образом.
1. Настройка микропроцессора.
1.1. Управление качеством фильтрации по контролю суммарной экстрактивности отфильтрованного сусла. В программу микропроцессора 1 оператор по каналу 35 ввода данных установочной информации вводит номограммы, регламентирующие рабочие параметры газовых и бойлерных линий в зависимости от параметров затора, подаваемого на фильтрацию (объем, величина нагрузки на фильтрационные сита, температура), а также объемы и ожидаемую плотность отфильтрованного сусла (экстрактивность). Так как эти параметры для каждой варки затора различны, а количество циклов фильтрации в сутки изменяется в зависимости от планируемой загрузки сусловарочного котла, то в микропроцессор 1 закладывают диапазон количественных и качественных критериев процесса, которые и обеспечивают расчет ожидаемых затрат объемов промывных вод, расход инертного газа и конечный объем отфильтрованного сусла. Практически рассчитывается ожидаемый вес всего прокаченного объема отфильтрованного в каждой порции сусла, например, по формуле
1
1
2
2
m
m
∑
∑
пр
пр
[V·ρ+V·ρ+…+V·ρ]=V·ρ≅0,8V·ρ,
1,…,m
1,…,m
∑
∑
пр
пр
где V; ρ - объемы и плотности перекаченного в сусловарочный котел сусла; V - суммарный объем перекаченного сусла; ρ - суммарная плотность; V - прогнозируемый объем сусла; ρ - прогнозируемая плотность сусла.
Коэффициент 0,8 (от 1,0 - теоретически возможного извлечения из сырья растворимых компонентов) корректируется оператором-технологом по фактическим параметрам качества зернового сырья конкретной порции затора (использование ячменя и солода более низкого класса снижает прогнозируемый коэффициент извлечения, тогда как применение амилолитических ферментов на стадии затирания увеличивает процент осахаривания и ожидаемую экстрактивность начального сусла). Например, на каждые 100 кг зернового сырья при приготовлении затора и промывки дробины при фильтрации необходимо затратить 727 литров воды; при этом, если извлекаемость растворимых веществ не превысит 80%, то прогнозируемая экстрактивность отфильтрованного сусла составит 11%, а его общее количество на каждые 100 кг затора не должно превышать 700 литров. Таким образом, если планировать перекачивание из сборника в сусловарочный котел каждых 100 литров отфильтрованного сусла измеряемой, но различной плотности, то уже после седьмого цикла перекачки выяснится суммарная плотность всего объема перекаченного сусла. Подача промывных вод на слой дробины будет продолжаться, пока суммарная плотность перекаченного сусла будет превышать прогнозируемую. Следовательно, решается вопрос о судьбе последних 100 литров жидкости, потраченных на промывание дробины: при превышении прогнозной суммарной экстрактивности перекаченного сусла восьмая порция будет перекачена в сусловарочный котел, при снижении суммарной плотности возникает необходимость использовать последнюю порцию для промывки сита после удаления порции (ожидается 20 кг с каждых 100 кг затора) использованной дробины.
2
1.2. Управление скоростью фильтрации. В программу процессора закладываются также режимы работы и скорость перемещения под фильтрационными решетками сопел газо-пароподающих устройств. При больших объемах затора, подаваемого на фильтрацию (нагрузка может составлять от 150 до 300 кг на каждый квадратный метр фильтрационных сит) регулируется повышение давления истечения газа из сопел (от 2 до 5 атм) при более частом порционном пульсировании (от 10 до 30 выбросов в минуту порциями от 2,0 до 5,0 литров одновременно). Применение максимальных из указанных параметров будет способствовать более эффективной очистке постоянно забивающихся в процессе фильтрации пор сита, что максимально ускорит процесс фильтрации. Например, при нагрузке затором в 150 кг/м постоянное освобождение 10% «живого сечения» каждого квадратного метра сит перемещаемыми струями газа ускорит процесс фильтрации более чем в 10 раз и сократит его до 18 минут.
1.3. Температурный контроль качества фильтрации. В программу заложен контроль фильтрации процесса по температурному параметру. Оптимальным считаем диапазон фильтрации от плюс 50 до плюс 80°С. Охлаждение затора (контроль по показаниям термодатчиков фильтрационных сит) ниже плюс 50°С приводит к повышению вязкости затора и коагуляции ряда уже растворенных веществ, что кроме потерь экстрактивности сусла замедляет фильтрацию. Для предотвращения этих нарушений в программе заложено автоматическое повышение температуры промывных вод (на бойлерной линии), а также подача пара снизу сита. Повышение температуры сита свыше плюс 80°С снижает вязкость раствора и ускоряет фильтрацию, но может привести к инактивации ферментной составляющей затора, что также нежелательно. При возникновении такого сигнала отключается подача пара и снижается температура промывных вод.
1.4. Технологический контроль. Нарушение скорости фильтрации затора при включенных системах орошения промывными водами неизбежно приведет к повышению уровня жидкой составляющей в фильтрационном чане 3. В программу микропроцессора 1 заложен сигнал отключения канала подачи промывных вод по сигналам уровнемера 2 о приближении уровня жидкости к критическому (сверхвысокому). Аналогичным образом сигнал уровнемера 4, установленный в сборнике 5 отфильтрованного сусла, свидетельствующий о его переполнении, включает насос 15 эвакуации сусла в сепаратор 11. Сигналы с расходомера 9 сопоставляются с общим ожидаемым ресурсом и могут инициировать блокировку линии 20 подачи промывных вод. Резкое снижение уровня жидкой части затора над фильтрационным ситом 7 расценивается как сигнал о завершении процесса фильтрации, подготовке к удалению выщелоченной дробины и промывки сита перед очередной загрузкой новых порций затора.
Таким образом, в микропроцессор 1 закладываются параметры взаимосвязанных режимов подачи промывных вод сверху фильтрующего и выщелачивающегося слоя дробины, подачи пара или газа снизу фильтрационного сита 7 с режимами перекачивающих сусло насосов 15, 16 при контроле качества (плотномер 8) сусла и уровней затора 4 в фильтрационном чане 3. Программы микропроцессора «приспосабливаются» к использованию заявляемого фильтрационного автомата как вспомогательного оборудования основного технологического процесса.
Канал информационного выхода на персональный компьютер инженера-технолога (дежурного оператора-технолога) или на пульты общезаводской автоматизированной системы управления технологическими процессами могут быть представлены линиями связи, например, типа RS 485.
2. Подключение устройства к инженерным коммуникациям и основному технологическому оборудованию.
Заявляемое устройство относится к вспомогательному оборудованию, не может функционировать независимо от основных технологических составляющих процесса производства сусла и требует подключения к инженерным коммуникациям и оборудованию фильтрационного чана. Его подключение не требует капитальных затрат и носит характер технического дооснащения действующего основного технологического оборудования, в основном, фильтрационного чана конкретно, применяемой на данном производстве конструкции. Однако заявляемый фильтрационный автомат приспособлен к использованию традиционного фильтрационного чана с горизонтальным расположением фильтрационного сита.
2.1. Монтаж мониторинговой линии. В заявляемом устройстве использованы в основном датчики, оснащенные проводной связью с измерительными блоками и управляющим процессором. Датчики беспроводной связи использованы только для взаимосвязи микропроцессора и дистанционного регулятора температуры промывных вод (входит в комплектность бойлерной линии). Сложные влияния температуры затора на процессы выщелачивания дробины и фильтрации, а также и на химический состав сусла привели нас к необходимости регистрировать средневзвешенную температуру процесса путем установки датчиков температуры (например, терморезисторного типа) не в проточную часть затора, а на фильтрационное сито. Именно в этой зоне могут происходить процессы низкотемпературной коагуляции, или наоборот, высокотемпературного растворения уже коагулированных компонентов сусла, ранее выщелоченных из дробины. Уровнемеры (магнитного типа или электроконтактные) также встраиваются в стенки фильтрационного чана на уровнях: в непосредственной близости над ситом, над уровнем максимально допустимого уровня верхней поверхности затора в фильтрационном чане, а также на верхнем уровне сборника отфильтрованного сусла. В стенки последнего встраиваются и дублируются датчики плотномеров.
2.2. Расходомер 9 и отсечные клапаны 32, 12 на линиях перекачки сусла и подачи промывных вод, также как и пускатели насосов, находятся вне емкости фильтрационного чана 3. При монтаже заявляемого устройства обеспечивается проводная связь с управляющим микропроцессором 1. Все они проходят регулярный технический (и метрологический) надзор. Регулятор 28 используемых газоподающих устройств имеет технические характеристики, регламентированные (разрешенные) для сосудов, работающих под давлением, поэтому используются только в предусмотренных заводом-изготовителем пределах.
2.3. Фильтрационный автомат предусматривает использование специально подготовленной воды (опресненной или обессоленной), традиционно применяемой для приготовления затора и его фильтрации. При этом линия подвода промывных вод 20, используемая для промывки дробины, дооснащается бойлером 21 и парогенератором 27 с отсечными клапанами 12, 13, расходомерами 23, 26 и регулятором температуры 22 подаваемой воды (диапазон - от плюс 5 до плюс 98°С). При этом внутри фильтрационного чана 3 ниже каждой его секции устанавливаются устройства перемещения 31 сопел пара 30, специально предназначенных для очистки забивающихся в процессе фильтрации пор сита 7. Причем устройство перемещения обеспечивает перемещающуюся обработку всей площади сит (по кругу, спиралевидно или змейкой), но так, чтобы одномоментной обработке подвергались, в среднем, 10% площади сит, тогда как остальная площадь участвовала в процессе фильтрации. Как вариант использования по этому назначению, для устройства разработаны инженерные конструкции поочередного подвода инертного газа, пара или подогретой воды через один и тот же подводящий патрубок, разъединяемый (соединяемый) с источниками, дистанционно управляемым микропроцессором 1.
3. Работа устройства начинается с подачи струй пара 30 на нижнюю поверхность фильтрационного сита 7, после прогрева которых навстречу пару сверху на сито подается затор. В соответствии с температурным режимом и показаниями верхнего уровнемера 2 подача пара заменяется на подачу инертного газа (по заложенной в микропроцессоре программе). При этом подача инертного газа через газовые сопла 30 под давлением приводит к формированию «кипящего слоя» дробины и очистке пор сита 7, неизбежно забивающихся в процессе фильтрации. При заполнении отфильтрованным суслом уровнемер 4 сборника 5 подает сигнал микропроцессору 1 на выдачу управляющего сигнала насосу 15 и включении перекачки порции сусла в сепаратор 11. При этом в микропроцессоре 1 суммируются показания плотномера 8 и расходомера 9 (объема перекачанной жидкости).
В заявляемом фильтрационном автомате порции мутного сусла, т.е. с большим количеством неосахаренных зернопродуктов, возвращаются не в фильтрационный чан 3, а направляются в сепаратор 11. Этим предотвращаются потери полезных компонентов, т.к. отстой нижней порции мутного сусла из сепаратора 11 по показаниям фотометра 10 перекачивается в заторный чан 19 и используется для приготовления следующей порции затора. При этом светлая порция отстоявшегося сусла перекачивается в сусловарочный котел 18.
Сигнал с уровнемера высоты отфильтрованного сусла 4 о достижении верхнего уровня в сборнике 5 поступает в микропроцессор 1, управляющий процессом фильтрации, там фиксируется и на его основе выдается сигнал перекачки очередной порции сусла в сепаратор 11, который поступает на исполнительные механизмы: отсечной клапан линии стока сусла 14 (он закрывается), отсечной клапан 32 линии перекачки сусла в сепаратор 11 (он открывается), насос перекачки отфильтрованного сусла 15 (начинает работать). После чего в микропроцессор 1 поступает сигнал о количестве перекачанного сусла с установленного на данной линии расходомера 9. Параллельно с сигналом уровня в микропроцессор 1 поступает сигнал о плотности перекачиваемого сусла с установленного в сборнике 5 отфильтрованного сусла датчика плотности 8.
По окончании перекачки порции отфильтрованного сусла (определяется по сигналу уровнемера 4, установленного в сборнике 5 отфильтрованного сусла, о достижении нижнего уровня) микропроцессор 1 выдает управляющие сигналы на исполнительные механизмы: насос перекачки отфильтрованного сусла 15 (он останавливается), отсечной клапан линии перекачки отфильтрованного сусла 32 (он закрывается), отсечной клапан 14 (он открывается) линии стока сусла.
Таким образом, все датчики, измерительные приборы, средства автоматики и инженерного воздействия используются по своему прямому назначению, но в новом сочетании и в оригинальной композиции, что позволяет получить больший полезный производственный эффект, улучшить качество контроля над технологическим процессом, резко ускорить процесс фильтрации затора и приготовления сусла, приводя к значительным экономическим выгодам. При этом критерии качества промежуточного и конечного продукта находятся под постоянным автоматизированным контролем, что исключает возможность брака. Для использования устройства не требуется дополнительных капиталовложений.