Разработка системы управления процессом фильтрации пива

Содержание

Введение

Глава 1 Анализ принципа фильтрации пива

1.1 Приготовление пивного сусла

1.2 Сбраживание пивного сусла и фасование пива

1.3 Определение входных и выходных параметров при

фильтрации пива

1.4 Проведение процесса фильтрации и мойки фильтра

1.5 Технические проблемы при фильтрации

1.6 Проблемы при нанесении предварительных слоев

1.7 Проблемы при текущем дозировании

Глава 2 Разработка математической модели фильтрации пива

Глава 3 Разработка алгоритма управления

3.1 Описание схемы управления

3.2 Описание алгоритма управления

3.3 Реализация алгоритма управления

Глава 4 Исследование эффективности алгоритма управления

Заключение

Список литературы

Приложение А Экономическое обоснование технического

решения дипломной работы

Приложение Б Экологичность и безопасность работы

Приложение В Эскизный проект

ВВЕДЕНИЕ

Одним из многообразных производственных процессов в мире является процесс: фильтрация. Для большинства производств фильтрация является вспомогательным или подготовительным этапом, однако существуют и такие, где она является одним из основных технологических процессов. Одним из таких производств является нефтегазодобыча, а также производство прохладительных напитков, в том числе и пива.

Существует множество определений фильтрации и фильтрования. Самым общим из них, можно назвать следующее: Фильтрация это движение жидкости или газа сквозь пористую среду. В промышленности фильтрацию называют фильтрованием, понимая под ним – разделение суспензий или аэрозолей при помощи фильтров – пористых перегородок, пропускающих жидкость или газ, но задерживающих твердые частицы.

Для пивоварения определение будет следующим. Фильтрование — процесс разделения, при котором из пива удаляются еще оставшиеся дрожжевые клетки и другие взвешенные частицы мути. При фильтровании отделяются также вещества, которые могут выделиться в пиве в ближайшие недели или месяцы с появлением мутности. Цель фильтрования — сделать пиво настолько стойким, чтобы в нем на протяжении длительного времени не возникло бы никаких видимых изменении и пиво сохраняло бы свой внешний вид. Основной задачей стоящей в настоящее время является увеличение объемов отфильтрованного пива за время между намывками.

Целью данной работы является разработка системы управления процессом фильтрации пива.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Произвести анализ принципа фильтрации пива.

2. Разработать математическую модель процесса фильтрации.

3. Разработать алгоритм управления процессом фильтрации.

4. Реализовать алгоритм управление в контроллере ADEM 9000

1 анализ принципа фильтрации пива

Технологический процесс производства пива состоит из следующих основных операций: приема, хранения, очистки и дробления солода, приготовления пивного сусла, приготовления чистой культуры дрожжей, сбраживания пивного сусла, осветления и розлива.

1.1 Приготовление пивного сусла

Свежеприготовленный сухой солод, очищенный от ростков, подают в приемный бункер 1, откуда норией 2 поднимают на весы 4, взвешивают и шнеком 5 распределяют по силосам 6, где выдерживают его от 4 до 5 недель. При этом влажность солода от 3% , 4% повышается до 5% , 6%. Отлежавшийся солод из силосов пневматическим транспортером направляют на дальнейшую переработку. Под действием вакуум-насоса в разгрузителе и трубопроводах создается разрежение. Атмосферный воздух засасывается через воронки, увлекая с собой солод, и поднимает его в разгрузитель. Из разгрузителя через шлюзовой затвор солод поступает в полировочную машину, где очищается от пыли, других примесей и норией подается через магнитный сепаратор на автоматические весы. Для ускорения процесса экстрагирования компонентов зерна солод после взвешивания измельчают в вальцовой дробилке и накапливают в бункере. Дробленый солод смешивают с горячей водой температурой около 54°С в заторном аппарате. После тщательного перемешивания (затирания) часть затора (смесь солода с водой) насосом перекачивают в другой заторный аппарат, где нагревают до температуры от 68 до 70°С. При таком режиме происходит осахаривание – ферментативный гидролиз крахмала с образованием растворимых, не окрашиваемых йодом сахаров и декстринов. Большая часть нерастворимых веществ под действием ферментов становятся растворимыми. Затем затор доводят до кипения и после кратковременного кипячения (для разваривания крупных частиц солода - крупки) затор (первую отварку) насосом возвращают в аппарат. При смешивании кипяченой части затора с затором, оставшимся в аппарате, температура всей массы устанавливается примерно 70°С, что необходимо для его осахаривания.

По окончании осахаривания часть затора снова перекачивают насосом в котел (вторая отварка) для нагревания до кипения и разваривания крупки. Вторую отварку возвращают в аппарат, где после смешивания обеих частей затора температура повышается до 75°С , 78°С . После этого всю массу из аппарата насосом перекачивают в один из фильтрационных аппаратов, где отделяют сусло от дробины. Сусло-водный раствор экстрактивных веществ, получаемых при затирании солода. Мутное сусло, получаемое в начале цикла фильтрования, насосом возвращают обратно в фильтрационный аппарат. Прозрачное сусло (первое сусло), проходя через фильтрационную батарею или через регулятор давления, стекает в один из сусло-варочных аппаратов. Промытую солодовую дробину (гущу, оставшуюся после фильтрования затора и промывания его горячей водой) из фильтрационного аппарата насосом перекачивают в бункер для продажи на корм скоту. Промывная вода, содержащая небольшое количество экстрактивных веществ, стекает в сборник, откуда насосом перекачивается в аппарат для приготовления следующего затора. В сусловарочном аппарате сусло кипятят с хмелем. При кипячении в сусло переходят горькие и ароматические вещества хмеля, выпаривается некоторое количество воды, происходит частичная денатурация белков и стерилизация сусла. Горячее сусло спускают в хмелеотделитель, где задерживаются вываренные хмелевые лепестки, а сусло насосом 15 перекачивается в сборник горячего сусла. Этот способ приготовления горячего сусла не является единственным, но он получил наибольшее распространение. Из сборника горячее сусло стекает в центробежный сепаратор, в котором очищается от взвешенных частиц белка. После сепаратора сусло пропускается через пластинчатый теплообменник (где охлаждается до 6°С) в сборник, откуда его перекачивают в бродильные аппараты . Осветленное и охлажденное сусло со стандартной концентрацией экстрактивных веществ называется «начальным суслом».

1.2 Сбраживание пивного сусла и фасование пива

Для обеспечения чистоты брожения семенные дрожжи периодически заменяют дрожжами чистой культуры, получаемыми из одной клетки в стерильных условиях. Для размножения дрожжей чистой культуры охмеленное сусло после осветления его в сепараторе стерилизуют в аппарате и перекачивают в бродильные аппараты, в которые вводят чистую культуру дрожжей (из лаборатории). Дальнейшее размножение дрожжей происходит в аппарате. Охлажденное (начальное) сусло заливают в закрытые бродильные аппараты , сюда же добавляют дрожжи для разбраживания. По окончании главного брожения, протекающего в течение от 6 до 8 суток, молодое пиво насосом перекачивают в аппараты для дображивания. Дрожжи, остающиеся на дне бродильных аппаратов, посредством вакуума, создаваемого вакуумнасосом, направляются в сборник для повторного использования или в сборник для продажи. Из сборника давлением сжатого диоксида углерода дрожжи перемещают в фильтр-пресс. Пиво, отфильтрованное в фильтрпрессе, сливается в танк для переработки. Отмывание дрожжей от остатков пива и охлаждение их производят водой, охлаждаемой в баке.

Дображивание молодого пива происходит в аппаратах для дображивания в течение от 15 до 90суток в зависимости от типа приготовляемого пива и принятой технологии. По окончании дображивания пиво под давлением диоксида углерода стекает в смеситель, затем насосом нагнетается в сепараторы.

В сепараторе пиво освобождается от взвешенных в нем дрожжей, других микроорганизмов и мелких частиц. Для придания готовому напитку полной прозрачности и блеска его после сепарирования фильтруют в специальном кизельгуровом фильтре. Осветленное пиво охлаждается пропиленгликолем в пластинчатом теплообменнике, насыщается диоксидом углерода в карбонизаторе и сливается в фарфасы.

Отфильтрованное пиво из фарфасов под давлением СО2 подают в отделение розлива. Ящики с грязными бутылками поступают из склада к автомату, который извлекает бутылки из ящиков. Пластинчатым транспортером бутылки направляются в бутылкомоечную машину с щелочным раствором, поступающим из бака.Пустые ящики после очистки от мусора в автомате ленточным транспортером подаются к автомату для укладки в них бутылок с продукцией. Вымытые бутылки из моечной машины пластинчатым транспортером передаются к световому экрану для отбраковки, а затем к линии машинавтоматов: разливочному, укупорочному, бракеражному полуавтомату, этикетировочному и упаковщику в термопленку. Готовая продукция транспортерами передается в экспедицию.

1.4 Технические проблемы при фильтровании

При фильтровании зачастую возникают те или иные проблемы, и небольшая ошибка может иметь крупные последствия. Основными источниками проблем при фильтровании могут быть;

- высвобождение газа; это означает появление воздушных подушек в фильтре или фонарях;

- слишком низкая или слишком высокая скорость потока;

- неравномерное нанесение предварительных слоев;

- дефекты в уплотнении вала, или неплотно установленные свечи;

- применение неподходящих вспомогательных фильтрующих средств;

- микробиологические причины;

- трудно фильтруемое пиво;

- ошибки в проведении процесса (например, попадание О2).

1.5 Проблемы при нанесении предварительных слоев.

Задача нанесения предварительных слоев состоит в формировании устойчивого к изменению давления первичного слоя, что возможно при правильно подобранном соотношении грубого и тонкого кизельгура. Па первый слой необходимо потратить около 70% общего количества грубого кизельгура. Второй слой наносится в виде тонкого кизельгура — приблизительно такого же, через который в дальнейшем будет происходить фильтрование.

В ряде случаев, однако, отказываются — и это нельзя назвать нарушением — от двух отдельных предварительных слоев, и наносят слой, состоящий из смеси из грубого и тонкого кизельгура, в один прием. Расход кизельгура в этом случае составляет от 800 до 1200 г/м2 (толщина слоя от 1,5до 3 мм).

Объемный расход жидкости при нанесении слоев должен быть при давлении 2 бара от 1,5 до 2 раз выше объемного расхода жидкости при фильтровании.

Нанесение предварительных слоев длится около 10 мин. При слишком быстром наполнении и опорожнении возникают трещины и завихрения, которые сносят слой в сторону, и, тем самым, ухудшают работу фильтра

1.6 Проблемы при текущем дозировании

При фильтрования разность давлений между входом и выходом из фильтра постоянно увеличивается, так как фильтрующий слой становится все толще и создается большее сопротивление.

При текущем дозировании необходимо поддерживать рост разности давлений на постоянном уровне от 0,1 до 0,2 бар/ч. Если работают со смесью кизельгуров, можно изменить соотношение кизельгуров в смеси. Если же используют один сорт кизельгура, то нужного роста давления можно добиться только путем изменения скорости дозирования.

Нормальный расход кизельгура составляет в течение всего фильтрования от 80 до 120 г/гл.

При правильном дозировании разность давлений повышается линейно со скоростью 0,2 бар/ч. При слишком низком дозировании линейного повышения давления не происходит, и дрожжи постепенно закупоривают слой кизельгура. Это приводит к необратимой потере пористости фильтрующего слоя и, в конце концов, к стремительному росту давления (блокированию). Прорыв дрожжей, то есть так называемый «дрожжевой удар», также имеет следствием более или менее сильное блокирование, как и недостаточное по времени текущее дозирование. Слитком высокое дозирование имеет следствием медленное повышение разности давлений и преждевременное заполнение рабочего объема фильтра кизельгуром.