Кристаллизация сахара является одним из самых трудных физико-химических процессов сахарного производства, оказывающим огромное влияние на качество и выход сахара, энергоемкость и экономические результаты. Теория кристаллизации хорошо представлена в литературе, но разница между теорией и практикой очень велика.
Исходя из необходимости снижения удельного расхода топлива, содержание сухих веществ в сиропе (клеровке) после выпарной станции должно быть 72-75%. В таких условиях возникают дополнительные трудности при варке сахара. При управлении процессом кристаллизации приходится чаще прибегать к водным или соковым подкачкам, для ликвидации вторичных центров кристаллообразования (муки). Однако, в это же время, неизбежно размывается "полезный" кристалл. При этом увеличиваются время варки и расход пара. Получение сахара в вакуум аппарате является периодическим процессом1. Это единственный процесс на сахарном заводе, который имеет большой субъективный фактор, что не может гарантировать постоянное, высокое качество конечного продукта.
В последнее время наметились следующие подходы к интенсификации кристаллизации в производстве:
1. Заводка кристалла при помощи затравочной суспензии.
2. Наличие механического циркулятора.
3. Использование маточного утфеля.
Многие фирмы занимаются автоматизацией процесса варки утфеля.
Фирмой "Техинсервис" разработаны и внедрены на сахарных заводах Украины (Чортков, Пальмира), Болгарии (Горна Оряховица), России (Новокубанск) системы автоматической варки утфеля первого продукта в вакуум аппаратах. При этом использовались вакуум аппараты различных производительностей (40, 60, 90 т) и конструкций.
Кристаллизация сахара в испарительных вакуум-аппаратах периодического действия состоит из ряда последовательно выполняемых стадий (шагов). Переход к очередному шагу происходит при достижении определённых заданных параметров. При автоматизированной варке эти параметры определяются с помощью датчиков: аналоговых, дискретных, временных. Управление процессом автоматической варки осуществляется с помощью дискретных и аналоговых клапанов.
Нами выделены такие стадии процесса:
- набор;
- уваривание;
- стабилизация;
- затравка;
- кристаллизация;
- истощение;
- выгрузка;
- пропарка.
Наиболее сложным этапом варки утфеля является заводка кристаллов и начальное их наращивание. Для качественного ведения процесса, на этой стадии, разработан алгоритм стабилизации. Суть его заключается в том, что заводка центров кристаллообразования производится при стабильных условиях, когда коэффициент пересыщения находится в метастабильной зоне. Заводка осуществляется суспензией, приготовленной в специальном устройстве, количество которой определяется объемом аппарата и желаемым конечным размером кристаллов. Таким образом, не допускается спонтанное возникновение центров кристаллизации. Для стабилизации необходимых параметров используется аналоговое регулирование давления пара в греющей камере и вакуума в аппарате. На стадии затравки и кристаллообразования важным фактором ведения процесса является наличие механической циркуляции. Так, на Чортковском сахарном заводе, где установлены 90-то тонные вакуум аппараты с механическими циркуляторами стало возможно значительно уменьшить давление пара в греющей камере для снижения скорости изменения коэффициента пересыщения, что бы не допустить перехода к лабильной зоне (зоне выпадения кристаллов). В то же время, на аппаратах без мешательных устройств (например, Пальмира, Горна Оряховица) уменьшение интенсивности кипения в аппарате приводит к плохому перемешиванию, неоднородности поля параметров. В этих случаях уменьшение коэффициента пересыщения достигается кратковременным, незначительным снижением вакуума в аппарате. При этом повышается температура и растворимость сахарозы.
После формирования кристаллов процесс ведется по вязкости, заданное значение которой поддерживается, в зависимости от стадии, подачей продуктов в аппарат аналоговым клапаном. Выбор продукта, подаваемого в аппарат, производится автоматически, дискретными заслонками. При достижении необходимого уровня в аппарате в него подается патока. После завершения кристаллизации утфель истощается до содержания СВ 92- 93 % и выгружается в утфелемешалку.
Программное обеспечение, разработанное фирмой "Техинсервис", имеет достаточное количество настроек для наладки качественного процесса варки утфеля. При изменении внешних факторов, особенно доброкачественности сиропа, операторы корректируют эти настройки. Влияние этих факторов можно существенно уменьшить, используя технологию "маточного утфеля".
Один из аппаратов (или отдельный аппарат), с механическим циркулятором, выделяется для приготовления маточного утфеля. Этот аппарат может использоваться для варки товарного сахара с затравкой маточным утфелем. В нем варится утфель до СВ 87,0 - 88,0% с большим, расчетным количеством кристаллов, размером 0,3-0,4 мм. Полученный утфель выгружается в отдельную мешалку и с помощью утфельных насосов перекачивается в верхнюю мешалку-дозатор (рис.1). В мешалке-дозаторе, дискретным клапаном на циркуляционной коммуникации с некоторым гистерезисом, поддерживается заданный уровень, возвращая утфель в приемную мешалку маточного утфеля.
В аппаратах первого продукта уваривается сироп до вязкости затравки и после этого подается определенное количество маточного утфеля. Масса маточного утфеля рассчитывается в зависимости от заданного размера конечного кристалла. После введения маточного утфеля идет быстрый рост кристаллов. В результате, сокращается время варки, увеличивается однородность кристаллов, повышается управляемость процесса.
В 2001г. на Чортковском сахарном заводе была внедрена схема варки белого сахара с маточным утфелем. Время варки 90-то тонного вакуум аппарата уменьшилось на 1 час и составило 2,5 - 3,5 часа. После внедрения системы на сахарном заводе г. Горна Оряховица (2002 г.) время варки 50-ти тонного аппарата (без механического циркулятора), с затравкой маточным утфелем, составило в среднем 1 час. 40 мин (при переработке тростникового сахара).
Учитывая периодический режим работы вакуум аппаратов, одной из главных задач системы управления продуктовым отделением является ритмичная загрузка оборудования. Для этого выделен один центральный контроллер, который выполняет координирующие функции. В нем анализируются уровни в сборниках сиропа, паток перед аппаратами, мешалках маточного утфеля, а также в утфелемешалках продуктов. При достаточных условиях контроллер, по сети, передает команду на запуск вакуум аппарата. Контролируется общий вакуум в коллекторе и давление в паровой коммуникации. Открытие вакуумной и паровой заслонок осуществляется так, что бы давление (вакуум) в коммуникациях не изменялось больше заданных пределов. Во время варки, постоянно анализируется уровень в сборнике сиропа. Если он опускается ниже заданного минимального значения, центральный контроллер подает команды на переключение подачи в аппарат других продуктов, в зависимости от стадии варки в том или ином аппарате.
Измерительные приборы. Для измерения уровня в аппарате используется гидростатический метод. Давление в греющей камере и вакуум в аппарате измеряются мановакуумметрами, температура - термометрами сопротивления. Для определения вязкости утфеля - вискозиметр, с вращающимся диском.
В аппарате приготовления маточного утфеля дополнительно, микроволновым способом, измеряется содержание сухих веществ.
Исполнительные механизмы. Для управления и регулирования процессом варки используются заслонки с аналоговыми исполнительными механизмами: поступление пара в греющую камеру, создание вакуума в аппарате, подача продукта. Дискретными исполнительными механизмами: подача продуктов в коллектор, пропарки, подача маточного утфеля и т.д.
Программно-технический комплекс системы управления состоит из управляющих контроллеров Momentum (Schneider Electric (SE)), операторских графических панелей Magelis (SE) и рабочих станций на базе Monitor Pro (SE).
Управляющие контроллеры связаны промышленной сетью Modbus Plus. Отдельный контроллер обслуживает 2 аппарата и может работать самостоятельно, что повышает надежность системы.
Операторские панели находятся в щитах, которые расположены непосредственно возле вакуум аппаратов. Все панели Magelis объединены по сети Modbus Plus. Это дает возможность c одной панели проводить управление различными вакуум аппаратами. Система управления в Чорткове включает 2 операторские панели (ОП) для 4 вакуум аппаратов 1-го продукта. В Горно Оряховице установлены 2 ОП для 4 аппаратов 1-го продукта, одна - для управления аппаратом приготовления маточного утфеля и по одной панели на 3 аппарата 2-го продукта, 3 аппарата 3-го, 4-го продуктов, а также одна ОП - возле центрифуг, для контроля уровней в сборниках паток после сегрегаторов и перед вакуум аппаратами.
Pис.1. Общая мнемосхема 1-го продукта.
В операторском помещении установлены 2 операторские станции с приложениями визуализации на базе SCADA-программы Monitor Pro для мониторинга и управления продуктовым отделением. На этих станциях также отображена общая информация по заводу (уровни в буферных сборниках после технологических участков, расходы, качественные показатели). У оператора есть возможность изменять параметры варки в автоматическом режиме. Например, использовать или не использовать при варке белую патоку; зеленую патоку после истощения; режим следующей варки и т.д.
Структурно приложение построено следующим образом. Есть общая мнемосхема (рис.1), на которой показаны состояния аппаратов (стадия процесса, уровень, температура, давление, вакуум, вязкость), уровни в сборниках перед вакуум аппаратами, состояния основных механизмов (насосов маточного утфеля, центрифуг, мешательных устройств и т.д.). На мнемосхеме аппарата (рис.2), кроме отображения состояния аппарата, имеются элементы управления (включение/отключение автоматического режима, запуск аппарата в работу, включение режима автоматического запуска и т.д.)
Еще одна рабочая станция установлена в центральном диспетчерском пульте завода. На ней отображается информация о работе продуктового отделения.
Pис.2. Мнемосхема вакуум аппарата.
В составе системы автоматического управления фирмой "Техинсервис" разработана и внедрена база знаний нештатных ситуаций для продуктового отделения. Она описывает действия системы при резком уменьшении вакуума в коллекторе, отсутствии сиропа в сборнике, свободного объема в утфелемешалках, пневмо-электропитания и т.д. Это позволяет системе адекватно реагировать на возникающие обстоятельства.
Таким образом, фирмой "Техинсервис" созданы автоматические системы управления продуктовыми отделениями, оснащенные различными вакуум аппаратами, работающие с маточным утфелем (и без него). Они дают возможность работать с более густым сиропом, снижают время варки утфеля, повышают качество сахара, синхронизируют работу отделения.
За более подробной информацией необходимо обращаться в "Техинсервис".
1 в статье не рассматривается непрерывная кристаллизация
