способ автоматического управления процессом сушки продукта в сублимационной сушилке

Формула изобретения

1. Способ автоматического управления процессом сушки продукта в сублимационной сушилке с камерой, соединенной с секционным десублиматором и вакуум-насосом, путем измерения остаточного давления в сублимационной камере и параметра, характеризующего состояние обезвоживаемого продукта, и формирования по нему управляющих сигналов, отличающийся тем, что измеряют начальную и конечную влажность продукта соответственно на входе и выходе из сушилки, расход отводящихся из сублимационной камеры водяных паров, расход хладагента в десублиматор, температуру хладагента на входе и выходе из десублиматора, непрерывно определяют текущее значение теплового потока, отводимого от поверхности охлаждающего элемента десублиматора, и по начальной влажности продукта путем воздействия на расход отводящихся из сублимационной камеры водяных паров устанавливают остаточное давление в сублимационной камере, текущее значение которого корректируют по конечной влажности продукта, а расход хладагента в десублиматор устанавливают по расходу отводящихся из сублимационной камеры водяных паров, причем соотношение расходов отводящихся водяных паров и хладагента корректируют по текущему значению теплового потока, отводимого от поверхности охлаждающего элемента десублиматора, путем воздействия на расход хладагента.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при отклонении конечной влажности продукта от заданного значения в сторону увеличения увеличивают расход отводящихся из сублимационной камеры водяных паров, а при отклонении конечной влажности продукта от заданного значения в сторону уменьшения уменьшают расход отводящихся из сублимационной камеры водяных паров, при отклонении текущего значения теплового потока, отводимого от поверхности охлаждающего элемента десублиматора, от заданного значения в сторону уменьшения увеличивают расход хладагента в десублиматор, а при отклонении текущего значения теплового потока от заданного значения в сторону увеличения уменьшают расход хладагента в десублиматор.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что подключение следующей секции десублиматора с отключением на регенерацию предыдущей осуществляют при достижении текущего значения теплового потока, отводимого от поверхности охлаждающего элемента десублиматора, предельно минимального значения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к автоматизации технологических процессов и может быть использовано при автоматизации при автоматизации сублимационной сушки ферментных препаратов в микробиологической, медицинской, фармацевтической и пищевой промышленности.

Известны способы управления процессов сублимационной сушки по различным сигналам, характеризующим состояние обезвоживаемого материала [5, 6].

Недостатком известных способов является отсутствие управления процессов десублимации, что не может обеспечить условий для рационального использования хладагента, а следовательно, снижение энергозатрат на процесс сушки.

Известен способ определения момента переключения секций конденсатора сублимационной сушки по разности температур между поверхностью десублиматора и замороженной частью продукта [7].

В известном способе предлагается управление процессом десублимации, а процесс собственной сублимационной сушки не рассматривается. Два этих процесса следует рассматривать в совместном сочетании, так как они в равной степени влияют на качество высушиваемого продукта и экономичность процесса сушки в целом. Кроме того, данный способ сложен в реализации. В частности, установка датчиков температуры в намерзающий слой льда на охлаждающем элементе десублиматора сопряжена с известными трудностями [1, 2].

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ автоматического управления процессом сушки продукта в сублимационной сушилке, в которой в качестве параметра, характеризующего состояние обезвоживаемого продукта, используется соотношение температуры продукта к температуре сублимации [8]. По этому соотношению формируются управляющие воздействия и устанавливается строгая упорядоченность их подачи из условий ограничений, накладываемых на управления.

Однако известный способ не позволяет обеспечить точность и надежность управления. Это связано с тем, что сформированное соотношение по измеренной температуре продукта на выходе из сушилки и температуре сублимации, определяемой по остаточному давлению в сублимационной камере, не может оперативно скорректировать режим сушки из-за возможной инерционности процесса, обусловленной изменением начальной влажности исходного продукта, темпом его подачи в рабочий объем сушилки, возникающими подсосами в тракте подачи продукта через вакуумные затворы и другими случайными возмущениями. Отсутствие управления процессом десублимации по соотношению расходов, отводящихся из сублимационной камеры в десублиматор водяных паров хладагента на входе с десублиматор с коррекцией этого соотношения по текущему значению теплового потока, отводимого от поверхности охлаждающего элемента десублиматора, путем воздействия на расход хладагента не создает реальных перспектив в рациональном использовании хладагента и как следствие не обеспечивает снижения энергозатрат на единицу массы высушенного продукта.

Технической задачей изобретения является снижение энергозатрат, повышение точности и надежности управления процессом сублимационной сушки.

Поставленная задача достигается тем, что в способе автоматического управления процессом сушки продукта в сублимационной сушке путем измерения остаточного давления в сублимационной камере и параметра, характеризующего состояние обезвоживаемого продукта, и формирования по нему управляющих сигналов измеряют начальную и конечную влажность продуктов соответственно на входе и выходе из сушилки, расход отводящихся из сублимационной камеры водяных паров, расход хладагента в десублиматор, температуру хладагента на входе и выходе из десублиматора, непрерывно определяют текущее значение теплового потока, отводимого от поверхности охлаждающего элемента десублиматора, и по начальной влажности продукта путем воздействия на расход отводящихся из сублимационной камеры водяных паров устанавливают остаточное давление в сублимационной камере, текущее значение которого корректируют по конечной влажности продукта, а расход хладагента в десублиматор устанавливают по расходу отводящихся из сублимационной камеры водяных паров, причем соотношение расходов отводящихся водяных паров и хладагента корректируют по текущему значению теплового потока, отводимого от поверхности охлаждающего элемента десублиматора, путем воздействия на расход хладагента; при отклонения конечной влажности продукта от заданного значения в сторону увеличения увеличивают расход отводящихся из сублимационной камеры в десублиматор водяных паров воздействием на мощность привода вакуум-насоса, а при отклонении конечной влажности продукта от заданного значения в сторону уменьшения уменьшают расход отводящихся из сублимационной камеры водяных паров; при отклонении текущего значения теплового потока, отводимого от поверхности охлаждающего элемента десублиматора, от заданного в сторону уменьшения увеличивают расход хладагента в десублиматор, а при отклонении в сторону увеличения - уменьшают расход хладагента в десублиматор, причем подключение последующей секции десублиматора с отключением предыдущей на регенерацию осуществляют при достижении текущего значения теплового потока, отводимого от поверхности охлаждающего элемента десублиматора, предельно минимального значения.

На чертеже представлена схема, реализующая предлагаемый способ автоматического управления процессом сушки продукта в сублимационной сушилке.

Схема содержит сублимационную сушилку 1; вакуум-насос 2; нагреватель 3; секционный десублиматор 4; поршневой компрессор 5; вакуумные затворы 6, 7; линии: подачи влажного продукта на сушку 8, отвода высушенного продукта 9, отводящихся из сублимационной камеры в десублиматор водяных паров 10, подачи хладагента в секции десублиматора 11, отвода хладагента 12; датчики влажности 13, 14 давления 15, расхода 16, 17, температуры 18, 19; вторичные приборы 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26; локальные регуляторы 27, 28; вычислительное устройство 29; блоки переключения 30, 31; исполнительные механизмы 34, 35, 36, 37.

Способ осуществляется следующим образом.

По информации о текущем значении начальной влажности продукта, измеряемой датчиком 13 в линии 8 и вторичным прибором 20, локальный регулятор 28 посредством исполнительного механизма 33 устанавливает необходимую мощность регулируемого привода вакуум-насоса 2, который в зависимости от начальной влажности продукта создает требуемое (заданное) остаточное давление в сублимационной камере сушилки 1. С помощью датчика 15 и вторичного прибора 22 сигнал, соответствующий текущему значению остаточного давления в сублимационной камере, подается на локальный регулятор 28, который вырабатывает сигнал отклонения текущего значения остаточного давления от заданного и корректирует мощность привода вакуум-насоса 2. Коррекция мощности привода вакуум-насоса по остаточному давлению в сублимационной камере обеспечивает изменение режима сушки в случае возможных колебаний начальной влажности продукта, темпа его подачи на сушку, а также технологических сбоев в работе вакуумного затвора 6 в линии подачи влажного продукта 8. Информация о текущем значении конечной влажности продуктов, измеряемой датчиком 14 и вторичным прибором 21 в линии 9, используется для повторной коррекции задания локальному регулятору 28. Причем при отклонении текущего значения конечной влажности в сторону увеличения от заданного значения регулятор 28 увеличивает расход отводящихся из сублимационной камеры в десублиматор водяных паров воздействием на увеличение мощности привода вакуум-насоса с помощью исполнительного механизма 33, снижая при этом остаточное давление в сублимационной камере, а при отклонении текущего значения конечной влажности в сторону уменьшения от заданного значения регулятор 28 уменьшает расход отводящихся из сублимационной камеры водяных паров путем снижения мощности привода вакуум-насоса с помощью исполнительного механизма 33 и соответственно увеличивает остаточное давление в сублимационной камере. Коррекция мощности привода вакуум-насоса по конечной влажности продукта компенсирует воздействия случайных возмущений из-за возможных подсосов в вакуумном затворе 7 и обеспечивает стабилизацию влажности продукта, а следовательно, и его качество.

За счет оперативного использования информации с датчиков 14 и 15 в качестве корректирующих сигналов значительно снижается инерционность управления, т. е. интервал времени с момента получения информации о ходе сушки до подачи управляющего воздействия с регулятора 28 на исполнительный механизм 33. При этом повышается чувствительность системы управления процессом на случайные возмущения как со стороны работы оборудования, большую часть которых удается полностью компенсировать.

Сигнал, пропорциональный текущему значению расхода отводящихся из сублимационной камеры водяных паров в десублиматор с датчика 16 и вторичного прибора 23, передается в локальный регулятор 27, который в соответствии с текущим расходом отводящихся водяных паров в линии 10 в заданном соотношении устанавливает расход хладагента в линии 11 посредством исполнительного механизма 32 регулируемого привода поршневого компрессора 5. Получаемая информация о текущем расходе хладагента в линии 11, а также информация о текущих значениях температур хладагента на входе и выходе из десублиматора с датчиков 18, 19 и вторичных приборов 25, 26 соответственно передается в вычислительное устройство 29.

Вычислительное устройство 29 ведет непрерывное вычисление текущего значения теплового потока, отводимого от поверхности охлаждающего элемента десублиматора по формуле [3]: Q=c_pG(T₂-T₁)/F, где c_p - теплоемкость хладагента, кДж/кгK; G - массовый расход хладагента, кг/с; T₁ и T₂ - температура хладагента соответственно на входе и выходе из десублиматора, K; F - площадь поверхности охлаждающего элемента, м².

Расчетное значение теплового потока, отводимого от поверхности охлаждающего элемента, в вычислительном устройстве 29 сравнивается с заданным. По сигналу рассогласования текущего и заданного значения вычислительное устройство корректирует задание локальному регулятору 27 и посредством исполнительного механизма 32 корректирует работу привода поршневого компрессора 5 (изменяя либо величину хода поршня, либо число ходов поршня). Причем при отклонении текущего значения теплового потока от заданного в сторону уменьшения вычислительное устройство 29 выдает корректирующий сигнал локальному регулятору 27 на увеличение расхода хладагента в линии 11 с помощью исполнительного механизма 32 привода поршневого компрессора 5, а при отклонении текущего значения теплового потока от заданного в сторону увеличения вычислительное устройство корректирует задание локальному регулятору 27 на уменьшение расхода хладагента в линии 11.

При достижении текущего значения теплового потока, отводимого от поверхности охлаждающего элемента десублиматора, предельно минимального значения вычислительное устройство 29 выдает команду блокам переключения 30 и 31 на подключение следующей секции десублиматора с отключением на регенерацию предыдущей. При этом исполнительные механизмы 34 и 36 перекрывают подачу хладагента и отводящихся из сублимационной камеры паров в предыдущую секцию десублиматора, а исполнительные механизмы 35 и 37 соответственно открывают подачу хладагента и водяных паров в следующую секцию.

Управление процессом десублимации в последующей секции осуществляется аналогичным образом.

В качестве конкретного примера по реализации способа ниже приводятся технико-экономические показатели непрерывнодействующей сублимационной сушилки.

Способ осуществления в сублимационной сушилке непрерывного действия, выполненной по а.с. N 1553807, установленной в научно-исследовательской лаборатории кафедры МАПП Воронежской государственной технологической академии.

Производительность сушилки по сухому продукту - 1.8-3.0 кг/ч.

Остаточное давление в сублимационной камере - 62-70 Па.

Частота вращения перфорированного барабана - 0.1 с^-1.

Источники нагрева - кварцевые лампы типа КГ-220-1500-5 - 2 шт.

Степень заполнения барабана продуктом - 0.1-0.2.

Тип десублиматора - выносной.

Площадь охлаждающей поверхности десублиматора - 8 м².

Тип компрессора десублиматора - поршневой двухступенчатый.

Хладопроизводительность - 90 кВт.

Хладагент (фреон 22) - R 22.

Температура хладагента на входе в десублиматор - 230 K.

Температура хладагента на выходе из десублиматора - 236-239 K.

Массовый расход хладагента на входе в десублиматор - 0.35-0.58 кг/с.

Теплоемкость хладагента (R 22) - 2/09 кДж/кK.

В качестве объекта сушки использовался ферментный препарат кератиназы ГЗ^х, предназначенный для гидролиза белка кератина [4]. Начальная влажность препарата может изменяться в пределах W_н=85-96% к общей массе продукта, что связано прежде всего с изменяющимся составом исходного сырья - отходов мясо- и птицекомбинатов, а также с условиями хранения и транспортировки фермента, фермент замораживается до температур 254-249 K и подается на сушку в виде гранул. Как показали предварительные эксперименты, для начальной влажности фермента W_н= 93% экономически целесообразно остаточным давлением в сублимационной камере следует принять давление P = 66 Па. В соответствии с этим давлением массовый расход отводящихся из сублимационной камеры в десублиматор водяных паров при установившемся режиме энергопровода с излучателей (кварцевых ламп) принимает значение G_в.п.= 1.40.05 кг/ч, а влажность и температура препарата на выходе из сушилки соответственно равны: W_k= 1.5%, T_n= 313 K, что отвечает требованиям, предъявляемым к стандартному качеству готового порошка. Реализация процессов сушки в заданном режиме полностью зависит от работы десублиматора. Конденсация водяных паров, отводящихся из сублимационной камеры, сопровождается образованием на охлаждающем элементе десублиматора ледяной корки от 3 до 15 мм (толщина более 15 мм недопустима), что ведет к постепенному снижению коэффициента теплообмена на межфазной поверхности охлаждающего элемента и как следствие к уменьшению текущего значения теплового потока, отводимого от поверхности охлаждающего элемента. В результате процесс конденсации водяных паров на поверхности охлаждающего элемента десублиматора замедляется, уменьшается расход водяных паров в линии вакуумирования, увеличивается остаточное давление в сублимационной камере и, наконец, снижается скорость влагоудаления. Поэтому в процессе сушки необходимо поддерживать текущее значение теплового потока, отводимого от поверхности охлаждающего элемента в заданном интервале.

Учитывая эксплуатационные характеристики сублимационной сушилки и десублиматора, находим верхнюю и нижнюю границы интервала изменения текущего значения теплового потока, отводимого от поверхности охлаждающего элемента:

Q^в=c_pG_max (T^m₂^ax-T₁) /F=2,090,58(239-230)/8 = 1,36 кВт/м²;

Q^н=c_pG_min (T^m₂ⁱⁿ-T₁) /F=2,090,35(236-230)/8 = 0,55 кВт/м²

Итак, применительно к сублимационной сушке ферментного препарата кератиназы ГЗ^х способ осуществляется следующим образом.

Пусть начальная влажность исходного препарата составляет W_н = 93%, информация о которой с помощью датчика 13 и вторичного прибора 20 передается в локальный регулятор 28. Путем воздействия на регулируемый привод вакуум-насоса 2 посредством исполнительного механизма 33 для W_н = 93% локальный регулятор 28 устанавливает заданное остаточное давление в сублимационной камере P_зад = 66 Па, которому соответствует расход водных паров в линии 10 G_в.п. = 1,40,05 кг/ч.

Сравнивается текущее значение остаточного давления P, измеряемое датчиком 15 и вторичным прибором 22, с заданным: если P > 66 Па, то регулятор 28 выдает корректирующий сигнал на увеличение мощности привода вакуум-насоса 2 с помощью исполнительного механизма 33;

если P < 66 Па, то регулятор выдает корректирующий сигнал на уменьшение мощности привода вакуум-насоса 2 посредством исполнительного механизма 33;

если P = 66 Па, то корректирующий сигнал с регулятора 28 на исполнительный механизм 33 не подается.

С момента получения первой порции высушенного фермента через вакуумный затвор 7 в линии 9 осуществляется непрерывное сравнение текущего значения конечной влажности препарата W_к, измеряемой датчиком 14 и вторичным прибором 21, с заданным W^з_к^ад = 1,8%;

если W_к > 1,8%, то регулятор 28 подает корректирующий сигнал на увеличение мощности привода вакуум-насоса 2 с помощью исполнительного механизма 33;

если W_к < 1,8%, то регулятор 28 подает корректирующий сигнал на уменьшение мощности привода вакуум-насоса;

если W_к = 1,8%, то корректирующий сигнал с регулятора 28 на исполнительный механизм 33 не подается.

В соответствии с расходом отводящихся из сублимационной камеры в десублиматор водяных паров G_в.п. = 1,4 0,05 кг/ч, измеряемого датчиком 16 и вторичным прибором 23, локальный регулятор 27, получая также информацию о текущем значении расхода хладагента на входе в десублиматор 4 с датчиком 17, устанавливает заданное соотношение расходов "водяные пары - хладагента, например, 1:1000. Отсюда расход хладагента составляет G_x 1400 кг/ч. При отклонении соотношения G_в.п./G_х от заданного значения локальный регулятор 27 посредством исполнительного механизма 32 воздействует на производительность поршневого компрессора, изменяя расход хладагента в линии 11 до достижения G_в.п./G_х заданного значения.

По информации, получаемой с датчиков 17, 18 и 19 соответственно, через вторичные приборы 24, 25 и 26 вычислительное устройство 29 определяет текущее значение теплового потока, отводимого от поверхности охлаждающего элемента десублиматора Q, и сравнивает его с заданным интервалом значений 0,55 < Q_зад < 1,36 кВт/м²;

если Q 1,36 кВт/м², то вычислительное устройство 29 корректирует задание локальному регулятору 27 на уменьшение расхода хладагента в линии 11 с помощью исполнительного механизма 32 привода поршневого компрессора 5;

если 0,55 < Q < 1,36 кВт/м², то вычислительное устройство 29 не выдает сигнал на коррекцию задания локальному регулятору 27;

если Q 0,55 кВт/м², то вычислительное устройство 29 подает корректирующий сигнал регулятору 27 на увеличение расхода хладагента в линии 11. Увеличение расхода хладагента будет осуществляться до тех пор, пока будет выполняться условие Q > 0,55 кВт/м² или расход хладагента не достигнет своего верхнего предельного значения G_х=0,58 кг/с. Если же увеличение расхода хладагента не позволяет выполнить эти условия, ресурс управления по расходу хладагента будет исчерпан, т.е. текущее значение теплового потока, отводимого от охлаждающей поверхности десублиматора, выходит на нижнюю границу интервала заданных значений, а именно Q 0,55 кВт/м², то вычислительное устройство 29 с помощью блоков переключения 30 и 31 и исполнительных механизмов 35, 36, 37, 38 включает в работу следующую секцию десублиматора и отключает предыдущую с осуществлением регенерации последней.

В таблице приводятся сравнения некоторых показателей процесса сублимационной сушки ферментного препарата кератиназы ГЗ^х по известному и предлагаемому способам управления.

Из таблицы следует, что при одной и той же производительности сушильной установки в сравниваемых способах в предлагаемом способе достигается снижение расхода хладагента на 3,6%, удельных энергозатрат на 3,3%, за счет повышения точности управления сужается интервал отклонения конечной влажности от заданного значения на 0,5%.