DE2311231C3 - Verfahren zur Regelung des Kristallisationsprozesses von Zuckerlösungen in einem diskontinuierlich arbeitenden Kochapparat - Google Patents

Description

Aus der DE-OS 18 12 457 ist ein Verfahren zur Regelung des Kristallisationsprozesses von Zuckerlösungen in einem diskontinuierlich arbeitenden Kochapparat bekannt, bei dem bis ca. 25% Kristallgehalt der Einzug abhängig von der Übersättigung und anschließend abhängig vom Kristallgehalt regelbar ist. Bei diesem Verfahren wird in einer Anfangsphase zur Regelung der Übersättigung nur der Wassereinzug verändert und bei Erreichen eines bestimmten Kristallgehalts der Füllmasse abhängig vom Kristallgehalt nur der Safteinzug verstellt. Wenn auch diese seinerzeitigen Anordnungen im allgemeinen befriedigend arbeiten, so war doch nicht in jedem Zeitpunkt das energiegünstige und kochzeitsparende Einhalten eines Gleichgewichts zwischen Entzuckerung und Verdampfungsleistung gewährleistet.

Es ist ferner bereits eine Kochautomatik bekannt, bei der das Widerstandsmoment eines in der Kochmasse bewegten Meßfühlers zur Regelung benutzt wird. Diese Meßgröße ist eine komplexe Größe, die nicht nur die Viskosität, sondern auch den Kristallgehalt einschließt. Der gemessene Wert wird mit einem höhenstandsabhängig veränderbaren Sollwert in einem Regler verglichen und abhängig davon der Sirupeinzug geregelt. Gleichzeitig wirkt der Regler über ein Additionsrelais auch auf ein Kondensat-Regelventil. Durch die Einstellung des Relais läßt sich das Verhältnis von Sirup zu Kondensat ändern. Zusätzlich wird bei dieser Anordnung auch noch mit steigendem Niveau der Kochmasse die Kondensatzufuhr automatisch verringert.

Es ist ferner bereits bekannt, zur Regelung des Kochprozesses die Leitfähigkeit zu benutzen, die bei unreinen Produkten als Ersatzgröße für die Übersättigung dienen kann (vgL DE-OS 15 67 316). Analog der Rege-Jung des Kochprozesses bei reinen Produkten nach der DE-OS 18 12 457 wird bei dem bekannten Verfahren in der Anfangsphase das Niveau durch Wassereinzug konstant gehalten und erst in der späteren Phase des eigentlichen Kristallwachstums das Niveau durch Safteinzug programmiert angehoben und entsprechend dem Istniveau der Leitfähigkeitssollwert verändert Eilt in dieser

ίο zweiten Phase das Istniveau dem Sollniveau vor, so wird von Safteinzug auf Wassereinzug umgeschaltet und damit der vorprogrammierte Niveauanstieg eingehalten.

Beim Zuckerkristallisationsprozeß können etwa grob die Programmabschnitte Sirupeinzug, Eindicken, Säen bzw. Impfen, Kristallwachstumsphase von ca. 0—25% Kristallgehalt, Hochkochen und Abkochen unterschieden werden.

Um die Zirkulation der Kochmasse im Kochapparat in Gang zu halten, ist eine bestimmte Wasserverdampfungsgeschwindigkeit erforderlich, sie muß sicher größer sein, wenn kein die Zirkulation unterstützendes Rührwerk vorhanden ist Die Waserverdampfung pro Zeiteinheit — kurz Verdampfungsleistung genannt — ergibt sich für jeden Kochapparat aus installierter Heizfläche und Heizbrüdendruck.

Wenn beispielsweise ein 50-Tonnen-Weißzuctcersud in einem Apparat mit 8 Tonnen pro Stunde Verdampfungsleistung Normalkristalle von 0,6 mm Maschenweite erbringen soll und davon ausgegangen wird, daß diese Kristalle bei unbehinderter Kristallisation 1,5 Stunden Wachstumszeit benötigen, so wäre eine Wasserverdampfung von 8 · 1,5 = 12 t ideal. Dem Apparat werden aber 67 t Einzugssirup mit 70 Brix zugeführt, aus dem 17 t Wasser auszudampfen sind. Infolgedessen wird die Kristallisation mit fortsch -eitender Entzuckerung durch ein Überangebot an Wasser behindert, so daß die Kristallisation der 0,6 mm Kristalle nicht nach 1,5, sondern tatsächlich erst nach 17 :8 = 2,1 Stunden beendet werden kann, leder zusätzliche, in der Anfangsphase des Prozesses zugezogene Kubikmeter Wasser muß ebenfalls verdampft werden. Dies kostet zusätzliche Heizenergie und füiirt zu einer weiteren Behinderung der Kristallisation, was sich in einer Kochzeitverlängerung äußert.

Die Situation ändert sich, wenn im gleichen Apparat, mit gleicher Verdampfungsleistung und gleichem Einzugssirup Grobkristalle von 1 mm Maschenweite erzeugt werden sollen, die bei unbehinderter Kristallisation z. B. 2,4 Stunden Wachstumszeit benötigen. Hier wäre ein Wassereinzug von 2,2 t gerechtfertigt. Die in diesem Beispiel dargestellte langsamer verlaufende Entzuckerung bereitet aber auch beim Handkochen Schwierigkeiten. In vielen Fällen wird daher mit Einzugsaft niedrigerer Konzentration gearbeitet. Wassermangel ist daher bei der Kristallisation von Weiß- und Rohzucker nicht die Regel, sondern die Ausnahme.

Des weiteren ist zeitweise Wasserzuzug gerechtfertigt, wenn störungsbedingte Konzentrationschwankungen beim Einziehsaft auftreten oder sich durch Brüdendruckschwankungen die Verdampfungsleistung erhöht.

Die bisherigen Betrachtungen beziehen sich nur auf

die Zucker- und Wasserbilanz für den Gesamtsud. Einer etwa konstant bleibenden Verdampfungsleistung steht eine — von der vorhandenen Kristallanlagerungsfläche weitgehend abhängige — zunächst sehr geringe, dann aber mit fortschreitender Kristallisation zunehmend größere Entzuckerung gegenüber, die schließlich bald durch die gegebene Verdampfungsgeschwindigkeit be-

'f grenzt wird. Nach Beobachtungen bringt aber auch ;".;. Stfteinzug in der kritischen Prozeßanfahgsphase mit : geringer Entzuckerung gegenüber Wassereinzug keine .X-J Nachteile, sofern bis zum Erreichen eines lüistallgehalts von ca. 25% Höhenstandszunahmen von 30% nicht wesentlich überschritten werden. Beim Kristallisieren mit geringen Verdampfungsgeschwindigkeiten hat der Safteinzug gegenüber dem Wassereinzug Vorteile. Die Zirkulation wird infolge langsamer zunehmender Konsisten2 der Kochmasse (Magma) weniger beeinträchtigt, die Kristalle werden in ihrer freien Bewegung weniger beschränkt, und es entstehen weniger Konglomerate.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, bei einem Verfahren der eingangs genannten Art für eine präzise, qualitätssteigende Prozeßführung und das energiegünstige und kochzeitsparende Einhalten eines Gleichgewichts zwischen Entzuckerung und Verdampfungsleistung zu sorgen.

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebenen Maßnahmen gelöst

An Hand einer Zeichnung sei die Erfindung näher erläutert; es zeigt

F i g. 1 das Diagramm eines automatischen Kristallisationsprozesses und

F i g. 2 ein Blockschaltbild der Prozeßautomatik.

In F i g. 1 sind auf einer Zeitachse die gemessenen Verläufe der Viskosität a, der Konsistenz b und des Höhenstandes c der Kochmasse (Magma) im Kochapparat aufgetragen.

Zum Zeitpunkt fO beginnt der Sirupeinzug in den Kochapparat Zum Zeitpunkt 11 ist der Heizkörper mit Sirup bedeckt; das Siri-peinzugsventil 5 schließt nach Bedecken der Heizkammer zum Zeitpunkt 11 immer beim gleichen Höhenstand. Im Zeitraum 11 bis 12 wird das Eindicken der Zuckerlösung bis zu einer Übersättigungszahl, die für das Säen im metastabilen Bereich und für das Impfen im intermediären Bereich liegt vorgenommen. Zum Zeitpunkt 12 wird eine definierte Menge von Saatkristallen eingebracht bzw. geimpft. Im Zeitraum r2 bis f 3 wachsen die Kristalle von Null auf ca. 25% Kristallgehalt des Magma; hier wird die Übersättigung durch Safteinzug oder in Ausnahmefällen durch Wassereinzug erreicht. Der Höhenanstieg bei Sirupeinzug wird überwacht und begrenzt. Die Übersättigung wird durch die Messung der Viskosität a erfaßt. Im Zeitraum f 3 bis ί 4 schließt sich die Hochkochphase an, bei der primäre Führungsgröße der Kristallgehalt ist. Dieser wird über die Messung der Konsistenz b erfaßt wobei der Sollwert entsprechend dem Niveauanstieg einstellbar angehoben wird. Bei f4 ist der maximale Höhenstand erreicht und der Sirupeinzug wird beendet. Im Zeitpunkt f 5 ist Sudende, das durch ein Grenzwertsignal der Konsistenz erfaßt und signalisiert wird. Danach wird belüftet und der fertige Sud in die Maische abgelassen.

Im Zeitraum nach 16 wird der Kochapparat für einen neuen Sud vorbereitet z. B. Ausdampfen, Scneibenspü- !en und Evakuieren.

An Hand von F i g. 2 sei das Regelschema näher erläutert In dem schematisch dargestellten, mit Heizbrüdendampf beheizbarem Kochapparat 1 kann über ein Regelventil 5 wahlweise Sirup oder über ein Regelventil 6 wahlweise Wasser eingezogen werden. Der Höhenstand c der Kochmasse im Kochapparat 1 wird durch einen Höhenstandsgeber 3 erfaßt, der ein dem jeweiligen Höhenstand c entsprechendes elektrisches Signal an seinem Ausgang zur Verfügung stellt. Zur Messung von Viskosität und Konsistenz dient ein Meßwertgeber 2. Die Viskosität bzw. Konsistenz der Kochmasse (Magma) wird mittels eines im Sirup bzw. in der Kochmasse rotierenden, zylindrischen Meßkörpers erfaßt der über Meßfedern angetrieben wird. Der sich infolge des Widerstandsmoments der Kochmasse einstellende Drehwinkel zwischen Antrieb und Meßkörper ist ein Maß für Viskosität bzw. Konsistenz. Um den großen Meßbereichsumfang bis »Sudende« erfassen zu können und um

ίο gleichzeitig bei Viskositätwerten zwischen 60 und 400 cP eine genügend große Empfindlichkeit und Meßsicherheit zu erhalten, sind zwei Meßfedern unterschiedlicher Federkonstante eingebaut Die empfindliche Meßfeder bildet das Gegenmoment im Viskositätbereich; die Summe beider Federn das Gegenmoment im Konsistenzmeßbereich.

Der jeweilige Drehwinkel wird in einem Verstärkerteil 4 in eine elektrische Meßgröße umgesetzt (Konsistenz b). Aus diesem Signal wird ferner über eine elekirische Schwellwertstufe ein zwischen 60 und 400 centi-Poise liegender Signalbereich herausgeschnitten, verstärkt und als Meßsignal für die Viskosität a bereitgestellt
Viskosität a, Konsistenz b und Höhenstand c werden laufend auf einem Schreiber 26 registriert Ferner werden die Meßwsrte für Höhenstand, Viskosität und Konsistenz noch über Grenzwertmelder 27 bis 31 zur Signalisierung bestimmter Zustände benutzt; beispielsweise bedeutet das Ansprechen des Grenzwertmelders 27 »Heizkörper bedeckt«, des Grenzwertmelders 28 »Saatpunkt erreicht«, des Grenzwertmelders 29 »Hochkochbeginn«, des Grenzwertmelders 30 »Abkochbeginn« und des Grenzwertmelders 31 »Sud fertig«. Diese Werte werden an die Steuerung gegeben und für entsprechende Befehle so ausgewertet, daß die Steuerung die Einrichtung über den ganzen Zyklus fortschaltet.

Das der Übersättigung proportionale Viskositätssignal wird einer Vergleichsstelle 8 zugeführt und hier mit dem von einem Sollwertgeber 25 gelieferten SoII-wert für die Viskosität verglichen. Der Sollwert ist beim Säen auf einen in der metastabilen Zone liegenden Übersättigungswert eingestellt, auf den die Kochmasse bei Saatbeginn über Regler 9 und auf die Sirup- bzw. Wassereinzugsventile 5 und 6 wirkenden Stellglieder 7 eingeregelt werden soll. Liegt dieser Zustand vor und ist die Kristallsaat in den Kochapparat eingeführt, so ändert sich infolge der nun im Saft befindlichen und wachsenden Kristalle der Zusammenhang zwischen Viskositätsmeßwert der Kochmasse und Übersättigung des

so Muttersirups. Die notwendige Korrektur wird durch kontinuierliche Sollwertanhebung für die Viskosität vorgenommen. Hierzu wird ab dem Zeitpunkt f2 ein motorischer Sollwertsteller 18, 19 gestartet, der in einstellbarer Zeit ein Potentiometer von der Anfangs- in die Endstellung fährt. Der Meßverstärker 20 erfaßt die Widerstandsänderung des Potentiometers und formt diese in einen Strom um. Dieser wird in der Multiplizierschaltung 10 mit dem am Sollwertsteller 32 einstellbaren Gradienten der Viskosität multipliziert und als zeitabhängig wachsende Sollwertzusatzspannung zur Korrektur dem Sollwert für die Viskosität zugesetzt. Die an der Vergleichsstelle 8 gebildete Regelabweichung wirkt in dieser Phase über den Regler 9 und Stellungsregler 7 auf das Sirupeinzugsventil 5 und hält

hierdurch die Übersättigung auf dem gewünschten Wert.

In der Hochkochphase wird die Regelung immer und in der Wachstumsphase von 0 bis 25% Kristallgehalt bei

Gleichgewicht zwischen Entzuckerung und Verdampfungsleistung auf das Sirupeinzugsventil 5 wirken.

Wird das Gleichgewicht zwischen Enteuckerung und Verdampfungsleistung in der Wachstumsphase zwischen O bis 25% Kristallgehalt gestört, und zwar in dem Sinne, daß die Verdampfungsleistung oder die Beschaffenheit des Einzugsirups schwankt, so kann sich dies in einem den Kristallisationsverlauf davoneilenden, zu großen Höhenstandsanstieg der Kochmasse im Kochapparat 1 äußern. In diesem Falle wird eine Sicherheitseinrichtung wirksam, die dafür sorgt, daß auch bei Grobsuden, zu hoher Verdampfungsleistung oder zu stark konzentriertem Einziehsirup der Prozeß nicht außer Kontrolle gerät und die festgelegte Kochzeit eingehalten wird. Hierdurch wird erreicht, daß keinesfalls mehr Wasser verdampft werden muß, als für eine festgelegte Kochzeit bei gegebener Verdampfungsleistung erforderlich ist. Die Sicherheitseinrichtung wirkt durch Überwachen und eventuelles Einhalten eines der Kristallisation angemessenen einstellbaren Höhenstandsanstiegs in der Wachstumsphase bis zum Hochkochen. Hierzu wird das vom motorischen Sollwertsteller 18,19 über den Meßverstärker 20 zeitabhängig steigende Stromsignal benutzt, das in einer Multiplizierschaltung 11 mit dem von einem Sollwertgeber 33 gelieferten Gradienten des Höhenstandes der Kochmasse multipliziert wird. Dieser so gebildete, zeitabhängig und gegebenenfalls programmabhängig ansteigende Sollwert für den Höhenstand wird mit dem vom Höhenstandsgeber 3 gelieferten Istwert in einer Vergleichsstelle 12 verglichen und die Differenz einem als Höhenstandsbegrenzer wirkenden Grenzwertmelder 14 zugeführt. Dieser greift nicht ein, solange der tatsächliche Höhenstand der Kochmasse dem vom Zeitplan vorgegebenen Sollwert nacheilt. Wird aber der vorgegebene Sollwert vom Istwert überholt, so schaltet der Grenzwertmelder 14 über den Schalter 22 den Regler 9 so lange über Stellungsregler 7 auf das Wassereinzugsventil 6, bis Soll- und Istwert einander entsprechen. Wenn nötig, wird somit der Grenzwertmelder 14 durch Wechselschaltung zwischen Saft- und Wassereinzug zum Regler des Niveauanstiegs. Um beim Wechsel gleichen Stelleingriff zu behalten, ist noch zu beachten, daß für die beiden Einzugsventile 5 und 6 das durch die Saftkonzentration gegebene Auslegungsverhältnis wesentlich ist An die Stelle eines als Zweipunktregler wirkenden Grenzwertmelders könnte auch ein stetiger Regler treten, der das Verhältnis der Stelleingriffe für Wasser und Sirup ändert.

In dieser Prozeßphase erfolgt das sorgfältige Weiterentwickeln der angelegten Saat bei präzisem Einhalten der Übersättigung durch die vorstehend beschriebene Übersättigungsregelung. Mit der wachsenden Größe der Kristalle steigt in noch größerem Maße die Kristallanlagerungsfläche, die im weiteren Verlauf der Kristallisation selbst eine zunehmend stärker werdende Regelfunktion auf die Übersättigung der Kochmasse ausübt Hier kann ab einem bestimmten Zeitpunkt nach der Anlage der Saat die Regelung nach dem Kristallgehalt vorgenommen werden, wenn sichergestellt wird, daß einerseits die freie Bewegung der Kristalle im Saft nicht beschränkt, andererseits auch die Kristallabstände in der Kochmasse nicht zu groß werden. Dies ist durch Einhalten und Regeln richtiger Konsistenzwerte der Kochmasse möglich.

Aus vorstehendem ergibt sich, daß bei richtiger Führung der Kornwachstumsphase der Wechsel der Prozeßführungsgrößen Viskosität zu Konsistenz relativ unkritisch ist; der Wechsel kann daher konsistenzbedingt oder zeitabhängig vorgenommen werden und wird etwa mit dem Beginn der Hochkochphase zusammenfallen. In der vorliegenden Schaltung ist die Anordnung so getroffen, daß der Schalter 21 durch den Grenzwertmelder 29 umgeschaltet wird, so daß nunmehr die Konsistenzregelung wirksam wird. Zur Konsistenzregelung wird das der gemessenen Konsistenz b proportionale Signal in der Vergleichsstelle 13 mit dem Konsistenzsollwert verglichen. Um den Betrag zu berücksichtigen, um den der Sollwert der Konsistenz mit dem Anstieg des Füllmasseniveaus heraufgeführt werden muß, wird ein dem gemessenen Höhenstand c proportionales Signal mit einem vom Sollwertsteller 24 abgeleiteten Gradienten der Konsistenz in einem Multiplizierglied 34 multipliziert und als Sollwert der Vergleichsstelle 13 zugeführt. Das hier gebildete Signal wirkt über den Regler 9 ausschließlich auf das Safteinzugsventil S ein. Wie bereits erwähnt, wird die Regelabweichung »Konsistenz« mit Beginn der Prozeßphase »Hochkochen« und gleichzeitigem Umschalten des Schalters 21 dem Regler 9 zugeführt Gleichzeitig liegt aber die Regelabweichung stets an dem Dreipunktschalter 15 an, der immer dann, wenn die Konsistenzregelung nicht im Eingriff ist, über Schalter 23 den motorischen Sollwertsteller 16, 17 so verstellt, daß der Sollwert für die Konsistenz dem Istwert der Konsistenz nachgeführt wird, d. h. die Regelabweichung zwischen 1st- und Sollwertkonsistenz gleich Null gehalten wird. Durch die selbsttätige Nachführeinrichtung wird einerseits ein stoßfreier, nahtloser Übergang von der Viskositätregelung zur Konsistenzregelung, andererseits das Umschalten ohne manuellen Angleich beim »Sudhalten« erreicht.

Zusammenfassend ergibt sich also folgende Regelung des Kristallisationsprozesses:

Nach Einziehen bis »Bedeckung Heizkörper« wird der Sirup bis zum Saat- bzw. Impfpunkt konzentriert, so daß je nachdem, ob gesät oder geimpft wird, sich entsprechende Kurven ergeben. Der Regler führt die Übersättigung auf den Anfangssollwert und entsprechend den am Gradienten Viskosität eingestellten Anstieg so hinauf, daß in der Phase des Kristallwachstums zwischen 0—25% (Kornbildungsphase) die Übersättigung auf dem gewünschten Wert bleibt

In der Phase des Kristallwachstums von 0—25% wird außerdem eine Überwachung des Höhenstandsanstiegs durchgeführt Hierbei werden Soll- und Istwert verglichen, die gebildete Regelabweichung erfaßt ein Grenzwertmelder, der bei zu hohem Istwert den Regler auf Wassereinzug und bei zu niedrigem Istwert auf Safteinzug schaltet. Durch die Auslegung der Steuerwerte von Saft- und Wasserventii im Verhältnis des Wasseräfiieiis zum Sirup bleibt die Verstärkung im Regelkreis gleich.

Neben dieser Lösung kann die gebildete Regelabweichung auch einem kontinuierlichen Regler zugeführt werden, der in Abhängigkeit dieser Regelabweichung das Verhältnis der Stelleingriffe von Saft- und Wasserventil kontinuierlich verändert Hierzu könnte beispielsweise das Ausgangssignal des Übersättigungsreglers über ein Potentiometer geführt werden, dessen motorischer Antrieb von einem kontinuierlichen Höhenstandsregler in Abhängigkeit der Reglerabweichung proportional verstellt wird. An diesem Potentiometer können dann Spannungen abgegriffen werden, in Verstärkern in eingeprägte Ströme umgewandelt und über elektropneumatische Stellwerke auf beide Regelventile wirken.

Bei ca. 25% Kristallgehalt, die durch ein zeit- oder

konsistenzabhängiges Signal festgelegt werden, wird auf den Kristallgehalt/Konsistenzmeßbereich des Ge-

bers umgeschaltet. Durch die Nachführung des Konsistenzsoll wertes auf den Istwert ist sichergestellt, daß der Umschaltvorgang stoßfrei erfolgt. In Abhängigkeit des Höhenstandes der Kochmasse und des eingestellten Gradienten für den Höhenstand wird der Sollwert für die Konsistenz hinaufgeführt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche: •■•'■!'(Γ. .-·■"

1. Verfahren zur Regelung des Kristallisationsprozesses von Zuckerlösungen in einem diskontinuierlich arbeitenden Kochapparat, bei dem bis ca. 25% Kristallgehalt der Einzug abhängig von der Übersättigung durch Viskositätsmessung und anschließend abhängig vom Kristallgehalt durch Konsistenzmessung regelbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß in der Phase der Übersättigungsregelung mit im wesentlichen Sirupeinzug bei steigender Viskosität gearbeitet wird, daß der Meßwert für den Höhenstand der Kochmasse mit dem nach einem Programm gesteigerten Sollwert des Höhenstandes verglichen wird und daß das Verhältnis von Wasser- zu Sirupeinzug dann vergrößert wird, solange der Sollwert des Höhenstandes überschritten ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert für die Regelung des Kristallgehalts in den Ruhepausen der Kristallgehaltsregelung laufend dem gemessenen Istwert des Kristallgehalts nachgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Viskosität und Konsistenz mit einem das Widerstandsmoment der Kochmasse erfassenden Meßwertgeber gemessen werden, der eine im Verhältnis zum Konsistenzbereich große Empfindlichkeit im Viskositätsbereich aufweist und über Kanäle unterschiedlicher Verstärkung die Meßsignale für Viskosität und Konsistenz an die Regelungen liefert.