книги из ГПНТБ / Смирнов А.А. Основы автоматизации целлюлозно-бумажного и лесохимического производств учебник для техникумов

Наибольшая распределенность температур наблюдается при мяг­ ком режиме, наименьшая — при жестком.

На стадии перколяции, когда горячая варочная жидкость по­ ступает в гидролизаппарат через перфорированную трубу, теплота варочной жидкости в основном передается верхним слоям гидроли­ зуемой массы, вследствие чего они при этом прогреваются более энергично, чем нижние. Происходит, во-первых, общее увеличение температуры в гидролизаппарате и, во-вторых, уменьшение пере­ пада температур по его высоте. Окончание перколяции характери­ зуется равенством температур подаваемой варочной жидкости и гидролизуемой массы, что могло бы служить критерием оптималь­ ности перколяционного гидролиза. Попыток осуществления управ­ ления процессом по этому показателю пока не предпринималось.

Для стабилизации процесса выравнивания температуры по вы­ соте гидролизаппарата производится автоматическое программное регулирование температуры горячей воды, поступающей в гидро­ лизаппарат (поз. 5). При этом используется ПИ-регулятор, пер­ вичный измерительный преобразователь которого в виде малоинер­ ционного термометра сопротивления устанавливается на выходе воды из подогревателя 20, а исполнительное устройство — на трубо­ проводе подачи греющего пара в подогреватель. Термометр сопро­ тивления устанавливается на расстоянии примерно 1,5 м от подогревателя, так как большее удаление увеличивает транспорт­ ное запаздывание, а приближение термометра к подогревателю может привести к погрешностям измерения в случае недостаточно хорошего смешения пара и воды в подогревателе.

Крайне важно правильно согласовать работу вышеуказанных регуляторов в соответствии с графиком времени прохождения ста­ дий процесса приготовления гидролизата в гидролизаппарате.

Гидролизат по выходе из гидролизаппарата проходит через ис­ парители I, II и III ступеней (4, 5 и 6), где под влиянием резко понижающегося ступенями давления он вскипает и охлаждается. Образовавшийся вторичный пар, пройдя пароосушитель, поступает в решоферы 7, 8 и 9, где, конденсируясь, отдает свое тепло воде, поступающей затем в гидролизаппарат. При самоиспарении гидро­ лизата одновременно вместе с паром удаляются фурфурол, скипи­ дар, метанол и летучие органические кислоты.

В испарителях ПИ-регулятором стабилизируется высота уровня гидролизата (поз. 6, 7 и 8). Во избежание ухудшения сепарации паров уровень должен располагаться ниже патрубка, через кото­ рый гидролизат поступает в испаритель. Уровень также не должен быть ниже патрубка для отвода гидролизата, так как в противном случае возможен проскок пара и снижение эффективности исполь­ зования тепла паров самоиспарения для подогрева воды в решо­ ферах.

Давление в испарителях каждой ступени контролируется обыч­ ными показывающими техническими манометрами (на схеме не приведены).

В инверторе 11 контролируется температура, а в промежуточ­

327

ном сборнике гидролизата — высота уровня (на схеме не пока­ зано).

С целью контроля работы решоферов всех трех ступеней пока­ зывающими техническими манометрами измеряется давление в па­ ровой фазе, а термометрами сопротивления в комплекте с элект­ ронными мостами — температура конденсата и подогреваемой воды до и после решоферов (на схеме не показано).

ПИ-регулятором в испарителе-конденсаторе стабилизируется вы­ сота уровня фурфуролсодержащего конденсата (поз. 9).

Высота уровня в баке оборотной воды 21 измеряется пьезомет­ рическим уровнемером (на схеме не показано). Кроме того, необ­ ходимо установить многочисленные сигнализирующие и блокиру­ ющие устройства (на схеме не показаны), например сигнализаторы предельного верхнего уровня сырья при загрузке в гидролизаппарат, блокирующие устройства, отключающие насосы при достиже­ нии предельного давления и т. д.

Приготовленный гидролизат из промежуточного сборника 12 поступает на нейтрализацию и очистку, задачей чего является: ос­ вобождение гидролизата от избытка серной кислоты (нейтрализа­ ция), снижение температуры до 26—40° С, уменьшение содержания фурфурола (до 0,03—0,04%) и полисахаридов, способных инвентироваться в моносахара, максимальное удаление коллоидных и взвешенных веществ. Из промежуточного сборника 12 гидролизат поступает в головной 13, а затем в хвостовой 14 нейтрализаторы, где посредством нейтрализации известковым молоком кислотность гидролизата снижается до необходимого минимума.

Кислотность гидролизата в головном нейтрализаторе контроли­ руется pH-методом и стабилизируется ПИ-регулятором, исполни­ тельное устройство которого устанавливается на линии подачи из­ весткового молока (поз. 10). Возрастание кислотности отрица­ тельно влияет на активность ферментов дрожжей, сопровождаю­ щуюся изменением электрического заряда коллоидов, входящих в состав цитоплазмы клетки, и приводящую к гибели дрожжей; низкая кислотность вредна, так как приводит к уменьшению содер­ жания сахаров в гидролизате.

В хвостовом нейтрализаторе из мерников в раствор вводится аммиачная вода. С аммиачной водой поступает азот для питания дрожжевых клеток и, кроме того, аммиачной водой производится дальнейшая нейтрализация раствора в случае, если в головном нейтрализаторе раствор не был в должной мере нейтрализован. При этом образуется сульфат аммония, способствующий образова­ нию в растворе двухводного гипса, имеющего кристаллы наиболь­ шего размера, что, в свою очередь, в дальнейшем улучшает отста­ вание (осветление) нейтрализата. Нейтрализация происходит в сотни раз быстрее процесса вызревания кристаллов гипса. По­ этому необходимо выдерживать растворы в нейтрализаторах в те­ чение определенного времени. Это достигается стабилизацией уров­

3 2 8

ваны лопастными мешалками для непрерывного перемешивания нейтрализата, вследствие чего при установке пьезометрической трубки внутри нейтрализатора возникает пульсация давления, за­ висящая от частоты вращения мешалки. Для предотвращения пульсации к нейтрализаторам пристраивается уровнемерное устрой­ ство (вертикальная труба), являющаяся сообщающимся сосудом. В это устройство и устанавливается пьезометрическая трубка. Уст­ ранение гипсации этого устройства достигается, например, непре­

ный нейтрализат в охладитель.

Для отделения гицса, частичек лигнина и коагулированных кол­ лоидов нейтрализат поступает в отстойник 15, в котором устанав­ ливается пьезометрический уровнемер (поз. 14). Осветленный ней­ трализат поступает в сборник 16, где его уровень поддерживается ПИ-регулятором (поз. 13). Из сборника осветленный нейтрализат, имеющий температуру 75—80° С, поступает для охлаждения в пла­ стинчатый теплообменник или же в четырехступенчатую вакуумохладительную установку (на схеме не показано).

Стабилизация уровней в нейтрализаторах и в сборнике освет­ ленного нейтрализата позволяет получить стабилизированный рас­ ход нейтрализата на входе в пластинчатый теплообменник или в вакуумохладительную установку, что способствует стабилизации процесса охлаждения нейтрализата, или сусла.

Автоматизация процессов выращивания и сушки дрожжей. Ос­ новным веществом питания выращиваемых дрожжей является са­ хар, содержащийся в растворе нейтрализата гидролизата или суль­ фитного щелока. В производственных условиях выход дрожжей на­ ходится в прямой зависимости от количества утилизированного са­ хара, что, в свою очередь, зависит от протекания технологического процесса. При несоблюдении требований технологического режима возникают потери питательного сахара за счет появления исполь­ зующих сахар посторонних микробиологических процессов, а также возрастают потери дрожжей на различных стадиях производствен­ ного процесса. Кроме того, по разного рода причинам, связанным в основном также с нарушениями технологического режима, замедля­ ется рост дрожжей, что сопровождается снижением расхода сахара.

Выход дрожжей учитывают по размеру утилизации сахара от­ носительно потребленных редуцирующих веществ (сахар и не усва­ иваемые дрожжами вещества — неутилизируемые сахара, фурфу­ рол, метилпентозы, некоторые органические кислоты и др.), содер­ жащихся в растворе.

Технологические процессы выращивания, сепарации, плазмолизации и сушки дрожжей являются непрерывными и высокопроиз­ водительными и поэтому отклонение того или иного показателя технологического режима .от оптимального значения приводит

кухудшению качества и количества вырабатываемых дрожжей. Применяемые для сушки дрожжей установки с распылитель­

ными сушилками взрывоопасны, вследствие чего они располага­

329

ются вне здания. Расположение части оборудования дрожжевого цеха внутри здания, а части вне его усложняет обслуживание ап­ паратов.

Для облегчения обслуживания оборудования, повышения про­ изводительности аппаратов, повышения качества изготовляемых дрожжей, почти полного устранения возможности образования взрыва осуществляется автоматическое регулирование параметров технологических процессов.

В х о д н ы м и п е р е м е н н ы м и в е л и ч и н а м и процесса вы­ ращивания дрожжей в дрожжерастильном чане'с эрлифтной систе­ мой воздухораспределения являются: качественные показатели чи­ стой культуры дрожжей, расход воздуха на аэрирование, расход сусла, концентрация и качество сахара в поступающем сусле, со­ держание питательных веществ (азота, фосфора, калия и других элементов) в сусле в растворенном состоянии, содержание в сусле вредных веществ — ингибиторов роста (фурфурола, сернистого ан­ гидрида, продуктов разложения органических и других веществ), температура дрожжевой суспензии в чане, высота уровня дрожже­ вой суспензии в чане, высота уровня пены в чане и др.

чество редуцирующих веществ), pH дрожжевой суспензии.

Таким образом, содержание дрожжей в дрожжевой 'суспензии на выходе из чана является сложной функцией количества саха­ ров в сусле, поступающем в дрожжерастильный чан, расхода воз­ духа, подаваемого в чан, времени пребывания питательной среды в дрожжерастильном чане, размера pH среды и ее температуры, степени освоения кислорода, степени обогащения сусла питатель­ ными солями и т. д.

В х о д н ы м и п е р е м е н н ы м и в е л и ч и н а м и процесса сушки дрожжевого концентрата в распылительной сушилке явля­ ются: начальная температура и влажность концентрата, содержа­ ние сухих веществ в концентрате, расход концентрата, темпера­ тура и влажность входящего агента сушки, расход агента сушки, скорость вращения распылительного механизма, разрежение в га­ зовой топке, разрежение в сушилке, расход подсасываемого в агент сушки холодного воздуха, температура и расход холодного воз­ духа, поступающего на охлаждение в кожух воздушной трубы.

В ы х о д н ы м и п е р е м е н н ы м и в е л и ч и н а м и процесса сушки дрожжевого концентрата в распылительной сушилке явля­ ются: температура и влажность агента сушки в состоянии после сушилки, влажность дрожжей на выходе из сушилки.

Оптимальным вариантом автоматизации процесса выращивания кормовых дрожжей является управление этим процессом по раз­ меру содержания дрожжей в дрожжевой суспензии на выходе из дрожжерастильного чана. Время выращивания дрожжей в чане при эрлифтной системе воздухораспределения зависит от соответ­ ствия входных переменных величин их оптимальным значениям и составляет примерно 4 ч. В случае установки измерителя концент­

330

рации дрожжей в дрожжевой суспензии на выходе из чана это время будет являться временем запаздывания.

Как видим, размер запаздывания настолько велик, что обычная система автоматического регулирования применительно к регули­ рованию концентрации дрожжей в дрожжевой суспензии окажется неработоспособной. Возможно лишь применять пневматическую или электронную вычислительные управляющие машины, которые на принципе прогнозирования будут управлять процессом.

В настоящее время автоматическое управление процессом вы­ ращивания дрожжей основывается на использовании локальных систем автоматического регулирования, т. е. на стабилизации раз­ личных параметров, определяющих оптимальное протекание про­ цесса.

На стадии приготовления засевных дрожжей чистой культуры в малой и большой дрожжанках, а также в стерилизаторе-нейтра­ лизаторе осуществляется контроль температуры, pH и расходов различных применяемых веществ и рабочих сред. Автоматическое регулирование этих параметров обычно не применяется вследствие периодичности приготовления засевных дрожжей. При непрерыв­ ной работе указанных аппаратов чистая культура может утратить свои основные свойства из-за накопления в ней различных приме­ сей грибов и диких дрожжей. Непрерывная работа установки чи­ стой культуры дрожжей указывает на неустойчивость внедряемой в производственных условиях культуры.

Упрощенная функциональная схема автоматизации технологи­ ческих процессов выращивания, сепарации и сушки кормовых дрожжей приведена на рис. 114.

Нормальная жизнедеятельность дрожжевых клеток возможна при температуре от 32 до 40° С. Каждому виду дрожжевых культур свойственна оптимальная температура выращивания: при темпе­ ратуре ниже 32° замедляется процесс обмена веществ, снижается активная жизнедеятельность дрожжевой клетки; с повышением температуры возрастает скорость синтеза, но при некотором значе­ нии температуры наряду с этим возрастают процессы распада. На­ ибольшая активность дыхания у большинства культур дрожжей наблюдается при 38—40° С, а при дальнейшем повышении темпе­ ратуры активность поглощения кислорода резко падает, снижа­ ется выход биомассы и уменьшается содержание белка в дрожжах, что говорит о начавшемся распаде, омертвлении дрожжевых клеток.

При выращивании кормовых дрожжей происходит значитель­ ное выделение тепла. Поэтому, как правило, во избежание омерт­ вления клеток сусло перед входом в чан и дрожжевую суспензию в чане приходится охлаждать. В холодных районах страны иногд; бывает необходимо подогревать как сусло, так и дрожжевую сус­ пензию вследствие их охлаждения в природных зимних условиях района.

Температура сусла, охлаждаемого или нагреваемого в пластин­ чатом теплообменнике 1, поддерживается на заданном значении И-регулятором или ПИ-регулятором (поз. 1) пневматического или

331

электрического действия. Малоинерционный термометр сопротив­ ления устанавливается на трубопроводе после пластинчатого теп­ лообменника, а исполнительное устройство — на вводе охлаждающей воды или греющего пара в теплообменник. Предпочтение сле­ дует отдать электрическому (электронному) регулятору, у которого исполнительное устройство легко переводится с прямого на обрат­ ное действия простым переключением электрических проводов.

Температура дрожжевой суспензии в дрожжерастильном чане 2 стабилизируется ПИ-регулятором (поз. 2), изменяющим в летнее время расход охлаждающей воды, проходящей через внутренний теплообменник-диффузор и поступающей на орошение наружной поверхности чана, а в зимнее время изменяющим подачу греющего пара. Переключение осуществляется переброской пневматической линии от исполнительного устройства, установленного на линии по­ дачи охлаждающей воды, на исполнительное устройство, установ­ ленное на паропроводе. Для улучшения качества регулирования в системе ПИ-регулятора применяется малоинерционный платино­ вый термометр сопротивления. Как объект регулирования темпе­ ратуры дрожжерастильный чан обладает самовыравниванием, боль­ шим коэффициентом емкости и передаточным, а также переходным запаздыванием; по динамическим свойствам приближенно может быть аппроксимирован колебательным звеном.

Даже незначительное отклонение температуры дрожжевой сус­ пензии внутри дрожжерастильного чана от номинального значения сильно сказывается на производительности чана.

Важнейшее значение при комплексной автоматизации дрожже­ растильного чана придается регулированию расхода сусла, посту­ пающего в чан. Оно необходимо для поддержания требуемого, строго определенного количества редуцирующих веществ в пита­ тельной среде (сусло и питательные соли), что является одной из причин, способствующих нормальной жизнедеятельности дрожжей. При повышенном содержании редуцирующих веществ в поступаю­ щем сусле выращивание дрожжей в чане будет происходить замед­ ленно из-за неполной утилизации углеводов. При недостатке реду­ цирующих веществ в сусле выращивание дрожжей в чане также замедляется, так как дрожжам не хватает питательных веществ.

На основании качественных показателей выходящей из дрожже­ растильного чана дрожжевой суспензии (концентрация биомассы, недоброд) оператор установки изменяет задание регулятору рас­ хода сусла, поступающего в дрожжерастильный чан. При недоброде выше нормы концентрация биомассы обязательно будет ни-

Рис. 114. Упрощенная функциональная схема автоматизации процессов выра­ щивания, сепарации и сушки кормовых дрожжей:

333

же своей нормы и, поскольку редуцирующих веществ имеется из­ быток, расход сусла подлежит уменьшению. В случае когда недоброд ниже нормы, т. е. при недостатке редуцирующих веществ, рас­ ход сусла следует увеличить.

Изменение расхода сусла, т. е. его уменьшение или увеличение должно сопровождаться соответствующим изменением (регулиро­ ванием) расхода дрожжевой суспензии из чана. В противном слу­ чае соответственно изменится высота уровня дрожжевой суспензии в баке и расстроится эрлифтное воздухораспределение (нарушится толщина слоя пены, что повлечет за собой срабатывание ряда ре­ гуляторов).

Поскольку высота уровня останется неизменной, а расход сус­ ла изменится, это приведет к увеличению или уменьшению вре­ мени пребывания дрожжевой суспензии в чане, что и повлияет в конечном счете на качественные показатели дрожжевой суспен­ зии, выходящей из чана (концентрация биомассы, недоброд).

Такая система регулирования расхода сусла имеет существен­ ный недостаток — она сказывается на производительности дрожжерастильного чана по выходу дрожжевой суспензии.

Устранение этого недостатка достигается оттяжкой отработав­ шей суспензии из нижней части чана при приподнятой кювете. В этом случае находящаяся в нижней части чана, уже почти не содержащая редуцирующих веществ суспензия непрерывно слива­ ется для направления в очистные сооружения. В результате возра­ стает расход сусла через чан и, следовательно, увеличивается по­ ступление редуцирующих веществ в чан и соответственно улучша­ ются условия для роста дрожжей в пене в верхней части чана. Для поддержания заданного расхода отработавшей суспензии устанав­ ливается ПИ-регулятор (поз. 3), измерительным первичным пре­ образователем которого является расходомер постоянного пере­ пада.

Настроив ПИ-регулятор на поддержание соответствующего рас­ хода отработавшей суспензии, добиваются необходимых качествен­ ных показателей дрожжевой суспензии — продукта. При этом наб­ людается увеличение производительности чана по выходу дрожже­ вой суспензии.

Поскольку расход сусла, поступающего в чан из пластинчатого теплообменника или вакуумохладительной установки, ранее стабилиризуется при нейтрализации и осветлении нейтрализата, не­ обходимо изменить задание соответствующему регулятору расхода.

Для автоматического регулирования высоты уровня дрожжевой суспензии в дрожжерастильном чане применяется ПИ-регулятор (поз. 4) пневматического или электрического действия. Высота уровня дрожжевой суспензии измеряется пьезометрическим мето­ дом путем продувки воздухом, подаваемым через специальную трубку. Для этих целей не следует пользоваться сигналом, по дав­ лению технологического воздуха, поступающего в дрожжерастильный чан. Исполнительное устройство регулятора высоты уровня ус­

334

танавливается на выходе дрожжевой суспензии из дрожжерастильного чана во флотатор 3.

Установка двухпозиционного регулятора вместо ПИ-регулятора резко сказывается на внутренних связях объекта (через параметры регулирования), вследствие чего ухудшается качество регулиро­ вания. Применение двухпозиционного регулирования уровня не ис­ ключается при частичной автоматизации, когда автоматически ре­ гулируется только высота уровня, а другие параметры поддержи­ ваются дистанционным управлением.

В продуваемом воздухом объеме дрожжевой суспензии плот­ ность суспензии уменьшена за счет большого числа пузырьков воз­ духа в ее объеме и составляет примерно 350 кг/м3, что необходимо учитывать при расчете высоты уровня в чане по показаниям пье­ зометрического уровнемера.

Заметим, что снижение задания регулятору уровня одновремен­ но приводит к уменьшению времени выращивания дрожжей и, на­ оборот, повышение задания регулятору уровня увеличивает время пребывания дрожжевой суспензии в дрожжерастильном чане.

Наряду с установкой измерителя высоты уровня дрожжевой суспензии в дрожжерастильном чане целесообразна установка сиг­ нализатора максимально допустимой высоты уровня суспензии, принцип работы которого основан на электропроводности (поз. 5). В верхней части чана устанавливаются два или три электрода, изо­ лированных друг от друга. К электродам подключено электриче­ ское питание. При замыкании дрожжевой суспензии соответствую­ щих электродов дается световой сигнал.

Эрлифтная система воздухораспределения исключает примене­ ние мешального механического устройства. Вводимый в жидкость воздух способствует энергичному перемешиванию жидкости. При этом в значительной степени устраняется распределенность регу­ лируемых параметров по объему чана (концентрация дрожжей, температуры, pH, концентрация сахара).

Воздух является источником кислорода для дыхания дрожжей, т. е. достаточное количество воздуха способствует накоплению ми­ кробного белка. Колебания расхода воздуха неблагоприятно от­ ражаются на жизнедеятельности дрожжей. Поэтому система регу­ лирования расхода воздуха должна иметь очень небольшой коэф­ фициент передачи для осуществления плавного регулирования. По ценообразованию, или по уровню пены, дрожжерастильный чан об­ ладает самовыравниванием, т. е. его динамические свойства ап­ проксимируются свойствами апериодического звена.

И-регулятор осуществляет автоматическое регулирование рас­ хода воздуха, подаваемого в дрожжерастильный чан (поз. 6). Пенообразование в чане является функцией содержания питательных солей, размера pH и расхода воздуха. Поскольку содержание пи­ тательных солей и размер pH регулируются соответствующими ав­ томатическими регуляторами, то пенообразование оказывается за­ висящим только от одной переменной величины — от расхода воз­ духа, вдуваемого в дрожжевую суспензию,

335

В качестве чувствительных элементов в И-регуляторе расхода воздуха используются, например, три электрода, расположенных на разной высоте в верхней зоне пены. Расстояние между край­ ними электродами соответствует зоне нечувствительности, оно должно быть невелико, но достаточно для того, чтобы при опуска­ нии уровня пены электроды не оставались в замкнутом состоянии. При подъеме уровня пены выше нижнего электрода исполнитель­ ное устройство отключается; при подъеме уровня пены до вы­ соты верхнего электрода исполнительное устройство реверсируется; при опускании уровня пены до высоты нижнего электрода испол­ нительное устройртво вновь реверсируется. Оно будет находиться в покое все -то время, пока уровень пены по высоте занимает положение, соответствующее зазору (зоне нечувствительности) ме­ жду нижним и верхним электродами.

При эксплуатации регуляторов расхода сусла и воздуха (наб­ людаются пульсации регулируемых параметров, крайне вредно влияющие на работоспособность реле, исполнительных устройств, а также ухудшающие качество регулирования. Путем увеличения зоны нечувствительности регуляторов удается устранить пульса­ цию параметров. При этом несколько снижается точность регули­ рования.

Вследствие недостаточной надежности электродной системы из­ мерения высоты уровня лучшие результаты достигаются при ста­ билизации расхода воздуха ПИ-регулятором с расходомерной ди­ афрагмой, исполнительное устройство которого и диафрагма уста­ навливаются на воздухопроводе. В этом случае для уменьшения влияния пульсации на измерительное устройство регулятора перед вводом воздуха в чан с промежутком в 2—3 м устанавливаются запорные вентили (задвижки, заслонки) для сужения потока, а ди­ афрагма и исполнительное устройство размещаются на участке воз­ духопровода, расположенном возможно дальше от этих вентилей. Возрастание сопротивления потоку воздуха необходимо сочетать с мощностью воздуходувки.

Повышение pH дрожжевой суспензии до 5—-6 ед. ускоряет рост дрожжей, но практически неприемлемо для интенсификации про­ цесса, так как при этом создаются благоприятные условия для раз­ вития бактериальной инфекции. Чувствительность дрожжей к ин­ гибиторам роста (фурфурол, уксусная кислота и т. д.) при сниже­ нии pH повышается. Допустимыми значениями pH, при которых кормовые дрожжи разных культур более или менее нормально мо­ гут жить и размножаться, являются 3,5—5,5.

При размножении дрожжей на гидролизате или сульфитном ще­ локе возрастает кислотность дрожжевой суспензии в чане. Под­ держание pH в заданных пределах осуществляется вводом аммиач­ ной воды в дрожжевую суспензию через трубу в нижней части ча­ на. Аммиачная вода одновременно доставляет дрожжам азотное питание.

Размер pH стабилизируется ПИ-регулятором (поз. 7), первич­ ный измерительный преобразователь которого устанавливается на

336