Автоматизации процесса приготовления диффузионного сока свеклосахарного производства

Введение

Производство сахара является одной из важнейших отраслей пищевой промышленности страны. Сахарное производство базируется на непрерывности  технологического процесса с использованием основного непрерывно действующего оборудования, что создает предпосылки для комплексной и полной автоматизации процесса. Однако специфичность технологических сред (наличие механических включений, смолообразование, отложение твердых осадков, накипеобразование, пенообразование, высокая вязкость, повышенная цветность и др.), высокая влажность и температура окружающей среды, создают определенные трудности при внедрении общепромышленных приборов и устройств и требуют создания специальных средств контроля, особенно состава и свойств полупродуктов и продуктов.

Широкое использование автоматики в промышленности с середины 50-х годов привело к созданию постоянной службы КИПиА на сахарных заводах, повышению уровня эксплуатации, созданию организаций по разработке, изготовлению и внедрению средств автоматизации.

Рост производительности труда на сахарных заводах, увеличение единичной мощности оборудования, разработка новой технологии, направленной на улучшение качества и повышение эффективности свеклосахарного производства, требуют непрерывного обновления и совершенствования средств автоматизации и систем управления. В связи с этим проектные, исследовательские, учебные институты и предприятия сахарной промышленности непрерывно обновляют технические решения по автоматизации.

Автоматизация технологических  процессов является едва ли не решающим фактором повышения производительности и улучшения условий  
труда, а также улучшения экономических показателей.

Сегодня, существующие целевые комплексные программы автоматизации пищевой промышленности предусматривают обеспечение следующих технико-экономических показателей: увеличение годового объема выпуска продукции; снижение себестоимости продукции в результате сокращения расхода сырья, материалов, энергетических и трудовых затрат; увеличение выхода продукции.

Учитывая, что большинство  сахарных заводов России так или иначе входит в сферу влияния крупных торгово-промышленных компаний, все 
более актуальным становится внедрение АСУТП с единой системой управления и контроля сахарного производства на базе современных вычислительных средств и технологий.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.1 Анализ технологического процесса

 

Современный свеклосахарный завод - это крупное, хорошо оснащенное современной техникой предприятие, работающее круглосуточно в основном по непрерывной технологической  схеме. Работают свеклосахарные заводы сезонно: начинают 10-20 сентября, в зависимости от начала периода уборки сахарной свеклы, и заканчивают в конце ноября - в начале декабря, в зависимости от количества, принятой, сахарной свеклы. Поэтому, период работы завода, длится около трех месяцев и в среднем составляет 100 дней.

Производство сахара из свеклы состоит из следующих основных стадий:

• очистка свеклы от примесей (земли, песка, остатков ботвы),
• изрезание её в стружку и получение из неё диффузионного сока (свеклоперерабатывающее отделение);
• очистка диффузионного сока известью и диоксидом углерода от несахаров (сокоочистительное отделение);
• сгущение сока выпариванием - получение сиропа (выпарное отделение);
• выкристаллизовывание сахарозы из сиропа, отделение сахара - песка от межкристального раствора, сушка и упаковка (продуктовое отделение).

К вспомогательным процессам  относятся: получение извести, известкового молока, сатурационного и сульфитационного газа, прессование, сушка и брикетирование жома.

Описание  метода очистки диффузионного сока:

Известно много способов очистки диффузионного сока, но на практике применяют только один, обработку сока известью (дефекация) и осаждение  
ее избытка диоксидом углерода (сатурация) – дефекосатурация.

Процесс дефекосатурации  заключается в следующем. В диффузионный сок из сахарной свеклы переходит почти вся сахароза и  
около 80 % растворимых несахаров. В присутствии большого количества несахаров сахароза кристаллизуется медленно, и содержание ее в мелассе резко увеличивается. Это обусловлено тем, что одна часть несахаров при 
кристаллизации способна удерживать в растворе 1,3-1,5 части сахарозы.

Для получения высокого выхода товарного сахара, диффузионный сок подвергается очистке с целью удаления из него как можно большего количества несахаров и доведения его до слабощелочной реакции.

Известно много способов очистки диффузионного сока, но в производстве применяется только один - обработка диффузионного сока известью (дефекация) с последующим удалением избытка извести диоксидом углерода (сатурация). При простоте этих технологических операций и дешевизне реагентов этот способ обеспечивает достаточно высокий эффект очистки диффузионного сока, а сахароза при этом почти не разлагается.

Существуют различные  схемы дефекосатурации. Наибольшее распространение получили схемы, включающие предварительную дефекацию, основную дефекацию, 1-ю и 2-ю сатурации.

В процессе преддефекации  выделяется максимальное количество коллоидов  из диффузионного сока; соку придается  щелочная реакция; укрупняются нерастворимые кальциевые соли и удаляется большая часть микроорганизмов,  адсорбируемых осадком.

Процесс осуществляется с добавление к диффузионному  соку известкового молока или не фильтрованного сока 1-й сатурации и дефекованного сока, из расчета получения раствора с рН 10,8-11,0. Процентное соотношение между добавляемым известковым молоком или не фильтрованным соком 1-й сатурации и диффузионным соком зависит от используемой технологической схемы и параметров оборудования.

В процессе основной дефекации  к соку добавляется небольшое количество извести в виде известкового молока для образования на 1-й сатурации карбоната кальция, осадок которого служит для фильтрации сока, а также адсорбции несахаров, происходит разложение некоторых веществ (инвертного сахара, глутамина) и осаждение ряда кислот (щавельной, лимонной, винной и др.).

Основная дефекация  проводится в течение определенного  времени, зависящего от вида технологической  схемы. При этом из общего количества извести в соке (14%-ный раствор  сахара) растворяется только 0,25%, чего достаточно для химических реакций в дефекаторе. Остальная известь транспортируется через аппарат на 1-ю сатурацию. Известь в виде известкового молока дозируют с помощью различных дозаторов и регулирующих устройств. Контроль процесса основной дефекации осуществляют по щелочности, определяемой титрованием с помощью прибора Кампуса в присутствии фенолфталеина (свободная известь) или метилоранжа (общее количество извести). Щелочность сока после основной дефекации поддерживают на уровне 1,2-1,4% СаО, что соответствует 1,2-1,4г СаО на 100 мл сока.

На 1-й сатурации происходит адсорбция  известковых солей, красящих веществ  и коллоидов, оставшихся в растворе после предварительной дефекации; осадок приобретает структуру, облегчающую  фильтрацию.

При сатурации сока, полученного в процессе основной дефекации, различают 2 этапа, во время которых наступают характерные изменения структуры осадка и раствора. На первом этапе (щелочность сока выше 0,1% СаО) при обработке дефекованного сока СО₂, рН раствора падает, а осадок приобретает зернистую консистенцию, способствующую хорошей фильтрации сока. Одновременно карбонат кальция адсорбирует на своей поверхности соли кальция и красящие вещества, что способствует понижению цветности сока (рисунок 1.1). При дальнейшем снижении рН наступает второй этап (щелочность сока ниже 0,09% СаО), когда повышается фильтрующая способность осадка (скорость фильтрации растет), но качество отфильтрованного сока падает (повышаются цветность и содержание солей кальция). Между этими двумя этапами сатурации вблизи рН=11 находится зона (щелочность сока 0,09-0,1% СаО), где цветность и количество солей кальция минимальны. Эта область 1-й сатурации количественно соответствует оптимальному рН предварительной дефекации. Обычно оптимальная точка 1-й сатурации колеблется в зависимости от условий конкретного завода, в частности от производительности станций фильтрации.

Рисунок. 1.1 Зависимость скорости фильтрации V и

цветности Ц сока 1-й  сатурации от pH

 

Значительное влияние  на процесс 1-й сатурации оказывают  температура и его продолжительность. При быстрой сатурации получается более мелкий осадок, что обеспечивает снижение цветности сока и повышение скорости фильтрации за счет удержания на поверхности мелких частиц осадка СаСO₃ с большой суммарной поверхностью коллоидов (белки, пектиновые вещества), содержащихся в осадке. Кроме того, осадок получается более равномерным, что также облегчает фильтрацию.

В настоящее время  продолжительность 1-й сатурации  составляет 10 мин., что позволяет поддерживать равномерную щелочность сока. Температура сока на 1-й сатурации также влияет на дисперсность осадка СаСО₃ и по типовой схеме составляет 85-90 градусов. Контроль в процессе 1-й сатурации предусматривает определение щелочности методом титрования или рН сока, качества сатурационного газа, измерение температуры сока, наблюдение за уровнем сока в аппарате, определение фильтрующей способности осадка по фильтрационному коэффициенту или скорости фильтрации и качества сока (цветность, содержание солей Са, доброкачественность фильтрата).

Задачей второй сатурации  является снижение щелочности сока и  содержания в нем солей кальция. В процессе сатурации сока содержание солей кальция в растворе поддерживается минимальным, чему соответствует определенный рН. Это значение рН носит название оптимальной щелочности и зависит от состава оставшихся в соке несахаров (рисунок 1.2).

 

Рисунок 1.2 Зависимость оптимальной щелочности

сока 2-й сатурации  от содержания CaO

 

Контроль в процессе 2-й сатурации предусматривает определение щелочности или рН сока, измерение температуры, наблюдение за уровнем сока, нахождение оптимальной щелочности и соответствующего ей рН по минимальному количеству солей кальция.

Сульфитация не является частью процесса дефекосатурации, однако она используется для дальнейшей очистки диффузионного сока, поэтому есть смысл кратко её охарактеризовать. Автоматизация оборудования участка сульфитации не рассматривается в данном дипломном проекте. Очистка продуктов на сульфитации состоит в обесцвечивании сока путем добавления в него диоксида серы (SO₂), что приводит к обесцвечиванию и снижению щелочности и вязкости сиропа. Щелочность сока и сиропа при сульфитации снижается до 0,005% СаО. В свеклосахарном производстве сульфитируют фильтрованный осадок 2-й сатурации и сироп после выпарной установки, для чего используют серу в количестве 0,025% к массе свеклы. При повышении температуры газа растворимость диоксида серы SO₂ значительно снижается. Для максимального использования SO₂ в процессе сульфитации сока температура его должна быть ниже 40 градусов.

Технологическое оборудование отделения дефекосатурации является непрерывно действующим, что облегчает  автоматизацию этих процессов. Вместе с тем подготовку технологических  участков к автоматизации следует  проводить с учетом того, что характерные возмущения (неритмичность, основного и вспомогательного, технологических потоков и их параметров) составляют около 30%. Следовательно, при автоматизации процессов дефекосатурации требуется соответствующий запас регулирующей среды: сатурационного газа, известкового молока и др.

При подготовке отделения  дефекосатурации к автоматизации  следует предусмотреть, прежде всего, автоматизацию подогревателей сока после диффузионной установки и  перед 2-й сатурацией, а также упорядочить  подачу жидкости из сборника разливов на преддефекатор. Необходимо все разливы направлять в один сборник. Важное значение имеет правильно выполненный слив сока из преддефекатора в дефекатор. Перелив сока в эту коммуникацию должен происходить равномерно по всему периметру входного отверстия, так как в противном случае движущаяся жидкость захватывает газ (воздух, пар), который, проходя затем через коммуникацию подачи известкового молока, способствует появлению пены в дозаторе известкового молока, затрудняя его работу.

 

1.2 Анализ функциональной схемы

 

Схема очистки диффузионного  сока состоит из следующих основных операций: предварительная дефекация (преддефекация); основная дефекация; первая сатурация, вторая сатурация.

В приложении 1 приведена широко применяемая в производстве аппаратурно-технологическая схема очистки диффузионного сока с горячей оптимальной предварительной дефекацией. По этой схеме диффузионный сок нагревается в трубчатых подогревателях 1 до температуры 85-90 градусов и подается  в преддефекаор 2, куда добавляется 100-150% (к массе свеклы) не фильтрованного сока 1-й сатурации и 15-30% (к массе свеклы) дефекованного сока. При этом рН диффузионного сока повышается от 5,5-6,5 до 10,8-11,5, и под действием извести происходит нейтрализация кислот, коагуляция макромолекул веществ в коллоидном состоянии и осаждение органических кислот в виде солей кальция.

Преддефекованный сок поступает  в дефекатор 3 на основную дефекацию, куда добавляется 12-15% (к массе свеклы) известкового молока (2,5-3,0% СаО), рН сока при этом повышается до 12,2-12,3 (щелочность 1,0-1,8% СаО), ряд несахаров разлагается, продолжаются реакции осаждения солей кальция некоторых органических кислот.

Из дефекатора 3 сок поступает  в аппарат 4 на 1-ю сатурацию газом, содержащим диоксид углерода. При  обработке диоксидом углерода рН сока снижается до 10,8-11,5 (щелочность 0,08-0,11% СаО), а на поверхности образующихся кристаллов карбоната кальция адсорбируют несахара. На 1-й сатурации не вся свободная известь связывается диоксидом углерода, часть ее остается в соке, чтобы не допустить растворения осажденных на преддефекации не сахаров.