Технология купажирования в потоке

Процесс купажа является одним из важнейших в ликёро-водочном производстве и заключается в получении однородной водно-спиртовой смеси с заданной крепостью - сортировки, а также – её последующей фильтрации (с целью удаления нежелательных примесей – альдегидов и т.п.) и подмешивании к этой смеси дополнительных ингредиентов. Физика процесса достаточно примитивна: по раздельным трубопроводам в отделение поступает питьевая вода и спирт-ректификат. Жидкости равномерно перемешиваются одним из общепринятых способов:

Технологический процесс купажа может быть как прерывистым, так и непрерывным. В первом случае процесс смешения выполняется в одной, а чаще - сразу нескольких купажных емкостях, заполняемых необходимыми ингредиентами в соответствии с заданием. Перемешивание выполняется при помощи ручных или механических мешалок, принудительной циркуляции посредством насоса либо барботажа сжатым воздухом. После достижения сортировкой требуемых крепости и объёма процесс прекращается. В зависимости от разновидности получаемой продукции в бак выливаются вкусовые добавки (сахарный сироп, экстракты, ароматизаторы и т.п.), раствор дополнительно перемешивается и откачивается из ёмкости на окончательную очистку в угольных или иных фильтрах. После чего продукт направляется (самотёком или насосами) в приёмную продуктовую ёмкость. Второй, непрерывный способ, подразумевает смешение ингредиентов, подаваемых под высоким давлением и со строго выверенной скоростью в специальный потоковый смеситель. Как явствует из названия, процесс смешения происходит безостановочно, вплоть до полного выполнения производственного задания по требуемому продукту.

Прерывистый процесс (далее - ПП) используется на большинстве ликёро-водочных предприятий с классическим циклом производства и несложным технологическим оборудованием. Среди немногочисленных его достоинств следует отметить то, что:

В то-же время, непрерывный процесс (далее - НП), внедряемый в настоящее время на большинстве современных производств, обладает рядом гораздо более существенных преимуществ. В частности, НП:

Тем не менее, следует учитывать, что качественное смешение жидкостей в потоке, с точностью, необходимой для соответствия продукции действующим стандартам, является довольно трудоёмкой задачей автоматического управления. Ввиду этого непременным условием проектирования установок, использующих НП, является наличие:

Далее вкратце обрисованы 2 системы управления, спроектированные для автоматизации установок купажирования в чанах и при непрерывным способом.


Автоматизация установки прерывистого купажа

В настоящее время, прерывистый купажный процесс в чанах пока ещё используется на многих не очень крупных ЛВЗ. Он может быть реализован или вручную, или при помощи специальной автоматизированной установки. Одна из таких установок была внедрена в начале 2000хх на Московском ЛВЗ "Кристалл". Рассмотрим её более подробно (рис. 1):

M33d378f6
Рис.1. Обобщённая схема технологической установки прерывистого смешения

Каждый чан имел ёмкость около 1500 дал. К верхним крышкам были подведены трубопроводы для подачи воды, спирта-ректификата и сжатого воздуха. Спирт поступал самотёком из дозирующей ёмкости, которая заполнялась каждый раз в соответствии с производственным заданием - из емкостей для промежуточного хранения. Откачка смеси из купажных емкостей производилась через их нижнюю часть при помощи насосов. До внедрения описываемой АСУ процесс купажа выполнялся вручную. Эта процедура выглядела следующим образом: После получения задания и заполнения дозирующей ёмкости необходимым количеством спирта, оператор полностью открывал спиртовую задвижку и выполнял операцию грубого намешивания, полностью сливая спирт в требуемую ёмкость. Для сокращения времени заливки и при наличии у оператора должного навыка работы, одновременно со спиртовой задвижкой открывалась водная, с таким расчётом, чтобы гарантированно не допустить снижения крепости смеси сверх допустимого. Поскольку спирт стекал в ёмкость «самотёком», то его напор уменьшался по экспоненте, а давление воды сохраняется приблизительно постоянным, однако его точное значение заранее было не известно. Таким образом, при отсутствии на трубопроводах расходомерных приборов, оценка количества вылитой воды (а следовательно - прогнозируемой крепости) могла быть определена лишь в конце выливки – по общему объёму жидкости в баке, либо при помощи приблизительного прогноза на основании предыдущих заданий. На следующем этапе происходило постепенное приведение крепости смеси в соответствие с заданием опытным путём последовательных измерений плотности и последующей доливки нужного количества воды. Этот этап назывался точной доводкой. Перед каждым измерением оператор производил барботирование смеси путём открытия задвижки магистрали сжатого воздуха (ЗБ). Когда смесь становилась достаточно однородной, оператор прекращал подачу воздуха и производил отбор пробы.

Плотность смеси является сложной функцией её крепости и температуры: D = F(vol%, ToC) (1)

Для измерения крепости оператор измерял плотность пробы ареометром, одновременно фиксируя температуру и вычисляя скорректированное значение крепости по номограммам или таблицам. У опытного сотрудника процесс взятия пробы и выполнения всех измерений занимал 2-3 минуты. Далее, производилась приблизительная оценка необходимого объёма воды и её долив. После чего цикл повторялся. На начальном этапе доводки время барботирования выбиралось с таким расчётом, чтобы достичь однородности раствора, достаточной для получения точности замера в 4-5%. Ход долива контролировался по мернику. Конечный этап подразумевал получение точности замеров в 0.1%, а доливаемые объёмы составляли единицы декалитров. Такие объёмы уже не могли быть отслежены при помощи механического мерника, поэтому расход контролировался «на глазок», по времени открытия задвижки водяной магистрали - на последней итерации – 3-4 секунды. В аварийных ситуациях (при переливах воды) допускалось добавление спирта. Однако такие случаи не приветствовались и приводили к остановкам в работе и сбоям механизмов спиртового учёта.

[p]Квалифицированный оператор купажа мог выполнить замеры и оценить требуемые объёмы достаточно точно, однако даже у него процесс доводки занимал 5-6 итераций, что приблизительно равно 20-30минутам. Как мы видим, при отсутствии автоматизации процесс выглядел весьма архаично и был подвержен многим субъективным факторам. Причём, одновременная работы единственного человека с 2мя емкостями практически невозможна, или по крайней мере вероятность ошибок возрастает многократно. Вышесказанное обусловило необходимость внедрения на АСУ купажного отделения (АСУ КО). Что и было сделано в середине 2002г.

Основными отличительными особенностями данной АСУ КО являлись:

Нижний уровень КИПиА был представлен приборами измерения уровня жидкости в каждом баке, 1 расходомером, выполняющим функции измерения плотности и температуры, электропневматическими задвижками и пускателем насоса измерительного тракта. Для измерения уровня применялись поплавковые уровнемеры производства Endress Hauser. В зависимости от требований метрологической службы, уровень пересчитывался в объём при помощи коэффициента пересчёта - средствами самого уровнемера с учётом таблицы, записанной в памяти системы управления и показаний встроеннойго температурного датчика. Измерение крепости смеси осуществлялось непрерывно, в потоке, при помощи прибора измерения массового расхода PROMASS-63 производства всё той-же компании Endress Hauser. Как во всех подобных системах, данный расходомер непосредственно измеряет лишь плотность и температуру. Крепость вычисляется программно.

[p]Хотя эта операция может выполняться и самим прибором, но он делает это весьма приближённо – ввиду того, что крепость, температура и плотность смеси связаны достаточно сложной зависимостью. Поэтому, для вычисления крепости в реальном масштабе времени используются специальные таблицы. В описываемой системе, ввиду относительно низкой производительности вычислителя приборов учёта, этот алгоритм реализовывался с привлечением программного обеспечения внешних контроллеров.[.p]

Как уже было сказано, крепость, температура и плотность смеси связаны достаточно сложной зависимостью. Для вычисления крепости в реальном масштабе времени используются специальные таблицы (разработанные в своё время Менделеевым), которые дают значение плотности водно-спиртовой смеси, в зависимости от процента содержания алкоголя и температуры. Шаг таблиц, используемых в ликёро-водочном производстве – 1оС по шкале температуры и 1% по шкале крепости. В промежуточных точках решётки значение вычисляется при помощи двумерной линейной интерполяции:

vol%[D0,T] = (vol%[D0,T1] – vol%[D0,T0]) * (T – T0) / 1oC (2)

vol%[D1,T] = (vol%[D1,T1] – vol%[D1,T0]) * (T – T0) / 1oC (3)

vol%[DT,] = (vol%[D1,T] – vol%[D0,T]) * (D–D0) / (D1 – D0) (4)

где:
vol%[D0T0], vol%[D0T1], vol%[D1T0], vol%[D1T1] – значения крепостей в узлах решётки,
T – значение измеренной температуры смеси,
D – значение «приборной» плотности смеси,
vol%[D,T] – значение крепости, соответствующее «приборной» плотности при заданной Т

Этого упрощённого метода вполне достаточно для достижения нужной точности (0.1%). Одновременно, на основании значения "вычисленной" крепости формируется некоторый поправочный коэффициент, который записывается в прибор и корректирует индицируемое им значение крепости "приборной".

Для подключения расходомера к технологическому оборудованию использовался измерительный тракт оригинальной конструкции (см. рис.1). Кориолисов расходомер является дорогим и достаточно сложным в настройке и обслуживании оборудованием, поэтому с целью уменьшения стоимости КИПиА, а также для упрощения эксплуатации АСУ - при разработке было принято решение об использовании такой измерительной схемы, при которой единственный прибор разделяется несколькими КЕ. Подобный подход является вполне допустимым, поскольку ситуация при которой в одно и тоже время в разных емкостях выполняется этап точной доводки крепости (требующий постоянных измерений) - практически исключён.

Установка могла обеспечивать 3 технологических режима намешивания:

В установке также был применён специально разработанный адаптивный алгоритм "точной доводки", который позволял оптимизировать этот процесс по скорости или точности. Система эксплуатировалась таким образом, что одна (любая) ёмкость могла заполняться в автоматическом режиме, а прочие – в ручном или полуавтоматическом, под контролем оператора.


Автоматизация установки непрерывного купажа

M1a1b53b9
Рис.2. Обобщённая схема технологической установки непрерывного смешения в потоке

В условиях современного уровня автоматизации, купажирование в ёмкостях является малоэффективным. При наличии малейших возможностей, предприятия стараются как можно шире использовать непрерывную технологию, как более эффективную экономически. Первые линии непрерывного смешивания появились ещё в СССР. Примером может служить установка типа "Полтовчанка". Однако, это были достаточно примитивные системы, которые не могли поддерживать заданные параметры смеси ввиду отсутствия достаточно точных средств для измерения и поддержания в потоке нормализованных расходов сырья и крепости спирта с необходимой точностью.По-настоящему автоматизированные смесители, обеспечивающие получение смеси с заданными параметрами (не требующей существенной доводки) появились лишь в 1990хх. Именно тогда промышленности стали доступны расходомеры классов точности 0.2-0.3 (действующие по принципу непосредственных измерений массы и плотности), а также недорогие преобразователи частоты и прецизионная быстродействующая регулирующая арматура. Примером такого смесителя может служить технологическая установка производства бывшей немецкой фирмы Dissel (см. рис. 3).

M4631df93
Рис.3. Установка Dissel на ликёро-водочном производстве бывшего Новомосковского спиртового завода в первой половине 2000х

Как такового, купажного отделения на предприятиях использующих такие установки не существует. Смеситель может монтироваться рядом со спиртовыми или водяными емкостями и занимает не более 2-3 кв.м. Через специальные мерники спирт отпускается в приемные емкости водочного производства объемом по 1000 д. л. каждая, после чего подается в автоматическую установку смешивания. Сюда же подводится осмотическая вода из отделения водоподготовки. Установка оборудована измерителями массового расхода, которые, как и в установке прерывистого действия измеряют температуру жидкости, ее плотность, а следовательно – крепость. Смешивание в установке происходит под давлением порядка 3-6 бар (в зависимости от производительности). С помощью специальных профилей, размещенных в поточном смесителе под определенным углом в трубе, создаются турбулентные завихрения, за счет которых вода и спирт в нужных пропорциях перемешиваются быстро и эффективно. Помимо упомянутой выше установки Dissel, мировая промышленность производит ряд аналогичных по назначению устройств.

Тем не менее, необходимость разработки оригинальной купажной установки была вызвана следующими причинами:

Чрезмерно высокой для небольших производств ценой импортных установок, что по мнению разработчиков, особенно значимо в российских условиях. Желанием создать в едином конструктиве функционально завершённый комплекс, включающий в себя собственно купажную установку, оригинальное компактное фильтрующее устройство, механизм дозирования добавок и систему управления Стремлением достичь высоких органо-лептических показателей за счет оригинального гомогенного смесителя, новых спасобов фильтрации и обработки сортировок При этом, упомянутый комплекс должен поставляться заказчику как конечный продукт, который может быть установлен и привёдён в рабочее состояние в кратчайшие сроки при минимуме монтажных и пуско-налодочных работ. Следует выделить ряд значимых проблем, с которыми сталкиваются технологи и разработчики систем управления технологическим процессом купажирования: прецизионный и быстрый расчёт реальной крепости спирта на основании показаний массового расходомера о его плотности и температуре; важность минимизация суммарной ошибки и времени переходного процесса при регулровании потоков спирта и воды на основании вычисленной крепости спирта – что играет особенно значительную роль при больших скоростях потоков; пересчёт объёмных расходов водно-спиртовой смеси, которые как известно, уменьшаются по сравнению с суммарными расходами воды и спирта необходимость минимизации объёмов жидкостей, требуемых для заполнения мерного тракта и возможность прогнозирования нестабильности потоков с целью уменьшения ошибок дозирования при небольших объёмах задания.


Получение водно-спиртовой смеси (сортировок) в производстве алкогольных напитков не так примитивно, как кажется на первый взгляд. Это достаточно сложный процесс, который опеределяет качество водки. Выделяют два основных способа получения сортировок: классический периодический (в чанах) и непрерывный (в потоке). Наиболее популярным долгие годы являлся периодический (или прерывистый) способ. Среди его безусловных достоинств стоит упомянуть:

Однако, было замечено, что добавление воды или спирта после купажирования с целью доведения полученной сортировки до нужной крепости ухудшает органолептические показатели продукции. Идеальным считается однократное взаимодействие конкретных пропорций этих компонентов. Это имеет ещё и экономический эффект, поскольку позволяет сократить время купажирования и увеличить скорость производства. Также ему свойственны и другие недостатки, как то:

По этой причине, второй способ - непрерывный - все больше привлекает производителей ликёроводочных изделий. Такой способ может похвастаться следующими преимуществами:

[list] Большая производительность при меньшей инерционности; [*]Возможность объединить купажирование и фильтрацию в единый процесс; [*]Высокая стабильность потока жидкости через фильтры, улучшающая качество фильтрации и снижает расход фильтров; [*]Отсутствие необходимости в больших производственных помещениях с купажными ёмкостями; [*]Меньшая пожароопасность системы за счёт перекачки спирта через герметичные и заполненные трубопроводы; [*]Снижение безвозвратных потерь спирта благодаря герметичности процессов; [*]Оперативность смены сортамента при подготовке к новому производственному циклу.