Модернизация сушки молочной сыворотки для повышения эффективности сушки

  Считается, что сушка молочной сыворотки – это ответственный технологический процесс, от результата которого зависят качество конечного продукта и рентабельность производства. Устаревшие системы управления сушки сыворотки не позволяют с необходимой точностью и эффективностью выполнять техпроцесс, что может приводить к:

• браку, когда пересушенный порошок пригорает или недосушенный порошок комкается,
• низкой эффективности осушки, что снижает производительность сушильной установки,
• налипанию продукта на стенки с последующей остановкой производства,
• сверхнормативным потерям готовой продукции,
• перерасходу тепловой энергии.

  ООО «КУБТРОНИКС» имеет опыт эффективной модернизации автоматизированных систем управления сушки, гарантируя дальнейшую безаварийную работу, повышение производительности производства.

  На современном предприятии конвективная сушка молочной сыворотки является многостадийным технологическим процессом, во время которого удаление влаги из подготовленной сыворотки происходит за счет контакта распыленного продукта с нагретым воздухом внутри сушильной башни. Распылительная форсунка сушилки, расположенная в верхней части башни, превращает концентрированную сыворотку в мелкодисперсный туман, который в потоке горячего воздуха, нагретого существенно выше температуры закипания воды, мгновенно высыхает. Точное выполнение технологических требований на каждом этапе: от предварительной подготовки сыворотки до финального охлаждения высушенного порошка – гарантирует высокое качество готового продукта, энергоэффективность всего процесса.

  Первичная обработка начинается с фильтрации подготовленной жидкой сыворотки, после которой продукт поступает на выпарную установку. На выходе установки концентрация содержания сухих веществ в растворе достигает 45–55%. Этот подготовительный этап важен для повышения энергоэффективности сушки: чем выше концентрация сухих веществ на входе в сушильную башню, тем меньше воды на единицу готового продукта требуется испарить. Значит, будет ниже расход теплоносителей для испарения и экономически эффективнее производство.

  В сушильной камере концентрированная сыворотка подается под избыточным давлением на распылительную форсунку, которая создает облако мельчайших капель диаметром от 50 до 150 мкм. Воздух, нагретый до температуры свыше 160°C, подается на вход в башню, движется навстречу или параллельно потоку распыляемого продукта. Дополнительно поддерживаемое разрежение воздуха в башне обеспечивает мгновенное испарение влаги с поверхности капель. Время контакта продукта с теплоносителем – нагретым воздухом - составляет всего несколько секунд, что минимизирует температурное воздействие на белковые фракции, лактозу сыворотки. Таким образом сохраняется питательная ценность готовой сухой сыворотки.

  Автоматическое поддержание технологических параметров распылительной сушилки включает:

• регулирование температуры теплоносителя,
• регулирование производительности подачи сыворотки,
• поддержание минимально возможного разрежения воздуха,
• регулирование процесса подмешивания холодного воздуха для охлаждения.

  Непрерывный контроль температуры позволяет косвенно отследить остаточную влажность готового продукта. Модернизированный алгоритм управления сушки сигнализирует о следующем:

• повышение температуры на выходе является признаком либо недостатка влаги в продукте, либо избыточного нагрева продукта – что в обоих случаях снижает энергоэффективность техпроцесса,
• понижение температуры на выходе ниже установленного порога является признаком переувлажнения готового продукта.

  Контроль влажности позволяет своевременно корректировать условия проведения техпроцесса, обеспечивая целевое значение влажности от 3,5% до 4,5%, что предотвращает комкование продукта как во время производства, так и при фасовке в мешки.

  Существует несколько типов сушильных установок:

• Распылительная сушка - считается наиболее распространенным методом сушки сыворотки благодаря высокой производительности, а именно от 500 до 5000 кг испаренной влаги в час. Она позволяет получить мелкодисперсный порошок с хорошими потребительскими свойствами.
• Вакуумная сушка. Зачастую такой вид применяется для термочувствительных специализированных фракций, когда требуется отсутствие температурного воздействия на сыворотку и максимальное сохранение биологически активных компонентов.

  Модернизация сушильной установки — это комплексные работы, связанные с обновлением технологического процесса и затрагивающее как механическую часть оборудования, так систему автоматизации. Наш опыт – это модернизация АСУ ТП сушилки, введенной в эксплуатацию 15 лет назад. Используемые силовые элементы не соответствовали фактическим нагрузкам, регулярно выходили из строя. Алгоритмы автоматического регулирования не были настроены оптимальным образом, то есть имели временное запаздывание, что приводило к перерегулированию. Установка не обеспечивала стабильность параметров конечного продукта, требовала постоянных вмешательств оператора в техпроцесс. Комплексная квалифицированная модернизация системы автоматического управления распылительной сушилки в итоге позволила:

1. повысить надежность системы управления,
2. стабилизировать качество продукции,
3. увеличить производительность без существенных капитальных затрат.

  Основываясь на свой опыт, мы можем отметить следующие основные направления модернизации:

• Во-первых, замена критичных узлов сушильной башни сыворотки:
  • распылительных форсунок,
  • воздухораспределительных систем,
  • рукавных фильтров сушильной установки,
  • виброотбойников.

    Изношенные форсунки формируют неравномерное облако распыления. В итоге это приводит к:

  • налипанию порошка на стенки камеры, остановке сушки сыворотки,
  • снижению выхода продукта,
  • снижению качества готовой продукции.

    Известно, что современные гидравлические форсунки обеспечивают стабильный размер капель от 50 до 150 мкм, что гарантирует равномерное высушивание, снижение потерь сырья, поэтому замена всегда целесообразна.

• Во-вторых, внедрение энергоэффективных решений:
  • рекуперация тепла отработанного воздуха,
  • использование частотно-регулируемого привода распылителя, вентиляторов, насосов,
  • корректировка режимов нагрева воздуха.

  Применение частотно-регулируемого привода для управления электроприводами воздуходувок снижает энергопотребление на 20-30%. Рекуперация тепла с помощью дополнительно установленных теплообменников сокращает расход теплоносителя до 15% от значения номинального режима.

  Внедрение автоматизированной система управления технологическим процессом - основа современной модернизации установки осушки. АСУ ТП имеет в своем составе датчики:

• температуры сушильной камеры, продукта на входе и выходе,
• температуры теплоносителя,
• давления/разрежения воздуха,
• расхода продукта,

  которые подключаются к ПЛК, обеспечивая непрерывный контроль, управление и регулирование параметрами техпроцесса.

  ПЛК выполняют функции в соответствии с алгоритмами работы, которые помимо ведения техпроцесса также включают программы запуска, плановой остановки, аварийного отключения.

  АСУ ТП установки осушки выполняется по классической схеме и включает три уровня:

• нижний - полевые датчики, исполнительные механизмы,
• средний – контроллеры, шкафы управления,
• верхний – АРМ – автоматизированное рабочее место оператора на базе персонального компьютера.

  Оператор не только контролирует актуальные значения технологического процесса, но в соответствии с параметрами поступающего сырья изменяет режимы работы установки.

• сбор информации с датчиков,
• анализ собранных массивов данных,
• применение аналитики для прогнозирования,
• удаленный контроль и диагностика,
• принятие управленческих решений.

  Современные SCADA-системы, в том числе российского производства, позволяют технологу или главному инженеру предприятия дистанционно отслеживать параметры, влияющие на сушку молочной сыворотки:

1. текущую загрузку,
2. производительность,
3. расход теплоносителя,
4. режимы функционирования,
5. состояние оборудования.

  Распылительная форсунка сушилки представляет собой центральный узел, определяющий дисперсность частиц и однородность конечного продукта. Именно от качества распыления подготовленной сыворотки зависит площадь испарения жидкости с поверхности частиц, скорость испарения и, непосредственно, энергозатраты на этот процесс. Зачастую проблемы с качеством сухой сыворотки связаны с износом или неправильным подбором распылительных форсунок, что приводит к:

• неравномерному размеру частиц,
• налипанию частиц (продукта) на стенки сушильной башни,
• повышенному уровню влажности готового продукта.

  Необходимо отметить, что в сушильной башне может применяться три основных типа распылителей:

1. во-первых, механические форсунки высокого давления (работают при давлении 15…30 МПа), которые обеспечивают тонкое распыление и минимальный расход энергии, при этом форсунки требуют качественной фильтрации подготовленной сыворотки,
2. во-вторых, пневматические форсунки за счет распыления сжатым воздухом, позволяющие регулировать дисперсность за счет объема подаваемого воздуха, в-третьих, центробежные дисковые распылители с частотой вращения до 20 000 об/мин, используемые в крупнотоннажных установках осушки, где важна производительность, при этом сложнее обеспечить равномерность размера частиц.

  Выбор типа распылителя в первую очередь зависит от производительности линии. Далее принимается во внимание характеристики сырья и требования к гранулометрическому составу порошка.

  Модернизация установки сушки сыворотки в части распылительного узла может включать:

• замену форсунок на современные модели из износостойких материалов,
• установку частотных преобразователей для насосов высокого давления,
• установку частотных преобразователей для центробежных дисковых распылителей,
• внедрение системы автоматической очистки распылительного узла.

  Частотное регулирование насосов высокого давления обеспечивает непрерывное изменение давление распыления в диапазоне от 10 до 25 МПа, что позволяет адаптировать размер капель под заданные параметры сырья, а именно: концентрацию сухих веществ, вязкость, температуру подачи.

  Внедрение автоматизированной промывки форсунок деминерализованной водой между рабочими циклами позволяет предотвратить образование белковых и минеральных отложений на элементах, что продлевает межремонтный ресурс до 8, а иногда до 10 месяцев. Такие изменения также положительно сказываются на экономических показателях производства.

  Бюджет проекта модернизации сушильной установки за счет внедрения новой или улучшения существующей автоматизированной системы формируется индивидуально и зависит от:

• производства,
• технического состояния оборудования,
• целей модернизации АСУ ТП.

  Затраты на такую модернизацию автоматизированной системы управления состоят из затрат на выполнение работ:

1. обследование существующего оборудования,
2. анализ потребностей заказчика,
3. разработка, согласование технического задания,
4. подбор оборудования,
5. замена отдельных «старых» элементов на «новые»,
6. оснащения технологического оборудования дополнительными датчиками, регуляторами, клапанами, иными исполнительными механизмами,
7. изменения алгоритмов работы программного обеспечения,
8. пуско-наладочные работы,
9. тестирование,
10. ввод в промышленную эксплуатацию.

  При этом средства, вложенные в такую модернизацию АСУ ТП комплекса сушки, окупаются в диапазоне от одного года до двух лет за счет:

• увеличения производительности,
• повышения энергоэффективности,
• сокращения потерь сырья,
• уменьшения брака готовой продукции.

  Для завода производительностью более 1500 кг/час сухой сыворотки положительный экономический эффект составляет десятки миллионов рублей в год.