DOŚWIADCZENIA EKSPLOATACYJNE PNEUMATYCZNEGO DOZOWANIA I MIESZANIA SKŁADNIKÓW DLA POTRZEB SPORZĄDZANIA MIESZANEK SPOŻYWCZYCH W WARUNKACH F.P.U.

Transkrypt

1 20/39 Solidification of Metals and Alloys, Year 1999, Volume 1, Book No. 39 Krzepnięcie Metali i Stopów, Rok 1999, Rocznik 1, Nr 39PAN Katowice PL ISSN DOŚWIADCZENIA EKSPLOATACYJNE PNEUMATYCZNEGO DOZOWANIA I MIESZANIA SKŁADNIKÓW DLA POTRZEB SPORZĄDZANIA MIESZANEK SPOŻYWCZYCH W WARUNKACH F.P.U.H. MOKATE OSTROWSKI Tomasz Kooperacja POLKO Mikołów, ul. Rybnicka 75 BRANNY Jerzy F.P.U.H. MOKATE Ustroń, ul. Katowicka 265 STRESZCZENIE: W artykule zaprezentowano instalację wytwarzania wieloskładnikowych mieszanek kaw na bazie komponentów sypkich. Instalacja została zaprojektowana i wykonana dla potrzeb wytwarzania mieszanek kaw Firmy Produkcyjno-Usługowo-Handlowej MOKATE. Instalacja została opracowana i wykonana kompleksowo przez Kooperację POLKO. Przedstawione systemy ważenia, dozowania, transportu i mieszania składników oparte są na układach pneumatycznych, eliminujących kontakt materiałów sypkich z mechanicznymi urządzeniami mieszającymi. Zaprezentowano również część wyników pomiarów wykonanych podczas uruchomienia i rocznej eksploatacji instalacji. 1. WPROWADZENIE Wzmożony popyt oraz konkurencja na krajowym rynku kaw wymusza ciągłe szukanie nowych technologii produkcji. Firma F.P.U.H. MOKATE będąca krajowym liderem produkcji kawy Cappuccino pragnąca zaspokoić wymagania swoich klientów wspólnie z Kooperacją POLKO opracowała nowoczesną, całkowicie zautomatyzowaną technologię produkcji mieszanek sypkich. Opracowanie te zostało oparte na licznych próbach przeprowadzonych na specjalnie do tego przygotowanych stanowiskach badawczych. W wyniku przeprowadzonych badań stwierdzono przydatność pneumatycznych technologii produkcji mieszanek kaw. Jako główne założenia przyjęto niezmienność struktury składników, możliwość uzyskania dużej dokładności dozowania oraz jednorodność produktu. Do tych założeń została zaprojektowana i wykonana instalacja.

2 191 2.OPIS TECHNICZNY INSTALACJI Linia technologiczna wytwarzania mieszanek kaw składa się z następujących stanowisk przedstawionych na rys.1 : rozładunku i magazynowania dozowania i podawania, układu transportowego, mieszania, dozowania i podawania aromatów, układów odpylania. 2.1 Stanowisko rozładunku i magazynowania produktów wejściowych. Zestaw elementów i podzespołów stanowiska rozładunku i magazynowania produktów wejściowych obejmuje 11 zbiorników magazynowych ZM- A do ZM-K (rys.1), które zostały posadowione na układach ważących dla określenia stanu ich napełnienia. Zbiorniki te zostały wyposażone w systemy antyzawieszeniowe różniące się sposobem działania: układy wibracyjne sterowane pneumatycznie, układy dyszowe układy aeracyjne Układy wibracyjne i dyszowe włączane są automatycznie w momencie dozowania składników i zostały zastosowane na zbiornikach spieniacza i kaw. Układ aeracyjny został zastosowany na zbiorniku cukru i działa w sposób ciągły. Celem zastosowania tego układu jest poprawa skuteczności opróżniania silosa oraz wyeliminowanie zbrylania się zmielonego cukru. Wszystkie zbiorniki zostały przystosowane zarówno do rozładunku z pojemników elastycznych typu BIG-BAG jak również z worków i kartonów. Dla uniknięcia zapylenia w pomieszczeniu podczas załadunku w zbiornikach zastosowano podciśnieniowy układ odpylania. 2.2 Stanowisko dozowania i podawania. Stanowisko dozowania i podawania składa się z: dozowników aeracyjnych, układów wagowych, rynny aeracyjnej zbiorczej, układu odpylania Dozowniki aeracyjne zostały oznaczone na rys.1 symbolami DA-A do DA-K. Dozownik aeracyjny umożliwia dwustopniowe dozowanie składników i uzyskania dokładności dozowania 1% przy zachowaniu wymaganej wydajności. Dozownik wyposażony jest w rynnę aeracyjna łączącą wysyp zbiornika magazynowego ze zbiornikiem

3 192 wagowym oraz układ eżekcyjny. Zadaniem rynny aeracyjnej jest zadozowanie dużej ilości materiału w bardzo krótkim czasie do pierwszego punktu ważenia ( I- rys.2).

4 193 mc I - pierwszy punkt ważenia wydatek materiału [kg/s] rynna aeracyjna II- wartość zadana układ eżekcyjny I II mc masa materiału [kg] Rys. 2 Cyklogram sterowania dozownika aeracyjnego Rys.2. Cyklogram sterowania dozownika aeracyjnego. Dokładność dozowania rynny aeracyjnej wynosi ok. 5-7%. Układ ten posiada płynną regulacje wydajności, która uzależniona jest od ciśnienia zasilania. Ciśnienie zasilania regulowane jest zaworem proporcjonalnym sterowanym elektrycznie sygnałem analogowym ma. Po zakończeniu pracy rynny aeracyjnej układ eżekcyjny, który charakteryzuje się bardzo dużą dokładnością dozowania uzupełnia brakującą część porcji materiału do zadanej wartości. Układy wagowe oznaczone zostały symbolami ZW 1 do ZW 6. Układy te składają się z tensometrycznych elementów ważących i zbiorników pośrednich zamkniętych u dołu przepustnicami sterowanymi pneumatycznie. Zbiornik pośredni połączony jest z dozownikiem aeracyjnym i rynną zbiorczą silikonowymi kompensatorami. Kompensatory te charakteryzują się bardzo małą sztywnością co eliminuje wpływ elementów wyposażenia układu na wskazania wagi. Wyjątek stanowi zbiornik wagowy ZW4, przystosowany do dozowania czekolady. Bardzo duży ciężar usypowy oraz brak skłonności sypkiej czekolady do aeracyjnego upłynniania w rynnie zbiorczej wymusił zastosowanie eżekcyjnego układu opróżniania (rys.3). Pierwotnie zastosowano podobnie jak na pozostałych zbiornikach wagowych przepustnice z przesypem i kompensatorem, jednakże podczas rozładunku zbiornika w rynnie zbiorczej powstawał miejscowy zator materiału. Fakt ten powodował, że czas transportu czekolady jak również składników z dozowników DA-I, DA-J, DA-K w rynnie zbiorczej był bardzo długi co wpływało na obniżenie wydajności instalacji. Zastosowanie eżekcyjnego układu opróżniania wraz z dodatkowym nadciśnieniem wymuszającym w zbiorniku wagowym zmniejszyło czas rozładunku 4-krotnie przez co wydajność instalacji zwiększyła się o 30%.

5 194 Legenda: 1. Zbiornik magazynowy 2. Rynna dozująca 3. Układ eżekcyjny 4. Zbiornik wagowy 5. Rynna zbiorcza 6. Przepustnica 7. Tensometr 8. Kompensator 9. Układ odpylania 10. Rurociąg Rys.3 Układ dozowania czekolady Rynna aeracyjna zbiorcza oznaczona została symbolem RO. Rynna ta ma za zadanie przemieszczenie zadozowanych składników spod wysypów zbiorników wagowych ZW 1 do ZW 6, do podajnika komorowego PK. Długość rynny wynosi ok. 6m, przy kącie pochylenia 7 0. Wydajność rynny reguluje się ilością powietrza doprowadzoną pod wkładkę aeracyjną umieszczoną w dolnej części rynny. Wydatek powietrza regulowany jest przez układ czterech zaworów dławiących ustawionych tak, aby zapewnić rozładunek zbiorników wagowych czasie nie przekraczającym 30 sekund. Rynna zbiorcza została zakończona zbiornikiem pośrednim ZP oddzielonym od cyklonu odpylającego CO w górnej części przepustnicą, natomiast w dolnej połączona jest kompensatorem z podajnikiem komorowym. Zadaniem cyklonu odpylającego jest oddzielenie powietrza od transportowanego materiału. Cyklon układem kanałów został podłączony z filtrem odpylającym FPP.

6 Układ transportu Rys.4 Podajnik komorowy POLKO w wykonaniu ze stali nierdzewnej Układ transportowy składa się z podajnika komorowego PK, rurociągu, łuków i rozdzielaczy dwudrogowych. Zadaniem układu transportowego jest przemieszczenie wstępnie wymieszanych surowców od zbiornika pośredniego zbiorczej rynny aeracyjnej do mieszalników fluidyzacyjnych umieszczonych na piętrze hali produkcyjnej. Podajnik komorowy (rys.4.) zastosowany do przemieszczania mieszanek kawowych jest typowym urządzeniem firmy POLKO, w wykonaniu ze stali nierdzewnej. Wszystkie elementy uszczelniające, armatura, elementy złączne itp. zostały wykonane z materiałów dopuszczonych do kontaktu z żywnością. Podajnik komorowy zasilany jest sprężonym powietrzem o ciśnieniu 0,6 MPa. Pozostałe parametry sterowania pracą podajnika komorowego, a mianowicie nadciśnienie w komorze ciśnieniowej oraz natężenie przepływu powietrza doprowadzonego do komory mieszania zostały tak wyregulowane aby zapewnić niezmienność struktury mieszanki kawowej. Transport dobywa się rurociągiem Dn 80mm wyposażony w cztery łuki o kącie 90 o, cztery rozdzielacze dwudrogowe RD, od podajnika komorowego do kołpaków rozładowczych mieszalników fluidyzacyjnych. Długość zastępcza linii transportowej wynosi ok. 250 m. W celu zmiany drogi transportowanego materiału do jednego z czterech mieszalników fluidyzacyjnych służą rozdzielacze dwudrogowe. Rozdzielacze zastosowane w tym układzie nie posiadają tzw. strefy martwej tj. przestrzeni wewnątrz rurociągu w której pozostaje częściowo transportowany materiał. Zastosowanie tego rozwiązania pozwoliło uniknąć zmian składu transportowanych mieszanek w kolejnych cyklach transportu.

7 Stanowisko mieszania. Stanowisko mieszania rys.5 składa się z czterech układów mieszających FL1-4 Odbiór przetransportowanego materiału z układu transportu odbywa się w kołpaku rozładowczym. Kołpak ten jest elastycznie połączony kompensatorem z mieszalnikiem fluidyzacyjnym. Rys.5 Stanowisko mieszania Rys.6 Mieszalnik fluidyzacyjny

8 197 Mieszalnik fluidyzacyjny posadowiony jest na stalowej ramie nad lejem zasypowym paczkarki. Mieszalnik fluidyzacyjny (rys.6) składa się z zbiornika 1, komory powietrznej 2, wkładki porowatej 3, kołpaka rozładowczego 4 i układu odpylania. Układ odpylania składa się z głowicy wlotowej 5, wysokosprawnego cyklonu odpylającego 6, i głowicy wylotowej7 połączonych z filtrem. Dzięki zastosowaniu takiego układu oraz prawidłowej regulacji parametrów pracy podajnika komorowego uzyskano w warunkach eksploatacyjnych sprawność opylania dochodzącą do 99,9 %. Trzy mieszalniki fluidyzacyjne zostały dodatkowo wyposażone w przesyp dwudrogowy. Przesypy te są sterowane pneumatycznie i znajdują się pod wysypem zbiornika i cyklonem odpylającym. Mieszalnik fluidyzacyjny może zasilać dwie maszyny paczkujące różne rodzaje mieszanek. W praktyce eksploatacyjnej okazało się jednak, że rozwiązanie w którym jeden mieszalnik zasila jedną maszynę paczkującą jest korzystniejsze. 2.5 Stanowisko dozowania i podawania aromatów. Dla realizacji dozowania i podawania aromatów zastosowano cztery niezależne układy, współpracujące z poszczególnymi fluidyzatorami FL1 do FL4. Każde stanowisko dozowania i podawania aromatów wyposażone zostało w zbiornik zasypowy z układ eżekcyjnym DA1 do DA4 oraz tensometryczny układ wagowy ze zbiornikiem, w którym zastosowano drugi układ eżekcyjny ZWA1 do ZWA4. Zadaniem układu eżekcyjnego zbiornika zasypowego jest dozowanie aromatu do zbiornika wagowego. Po zwiększeniu się masy zbiornika wagowego o zadaną wartość, układ eżekcyjny zbiornika zasypowego zostaje automatycznie wyłączony. Zadozowana porcja aromatu zostaje przetransportowana do zbiornika fluidyzatora. Transport ten jest prowadzony równocześnie z transportem mieszanki kawowej z podajnika komorowego. Zbiornik zasypowy aromatów wyposażono dodatkowo w układ antyzawieszeniowy (rys.7.) Rys.7 Zbiornik zasypowy aromatów

9 198 W zbiorniku zastosowano podwójną ścianę boczną, której zewnętrzną część wykonano w postaci walca zakończonego stożkiem i wewnętrzna w kształcie łagodnego stożka wykonana z materiału elastycznego (białego kauczuku). Wprowadzone impulsowo powietrze pomiędzy ścianę boczną a kauczukową przeponę spowoduje jej dynamiczne odkształcenie powodując odblokowanie zawieszonego materiału. Układ ten sprawdził się w warunkach produkcyjnych. Po zastosowaniu tego rozwiązania problem zawieszania aromatów w zbiorniku magazynowym został całkowicie wyeliminowany. 2.6 Układ odpylania Stanowiska dozowania i podawania oraz mieszania składników wyposażone są w dwa niezależne układy odpylania. Stanowisko dozowania i podawania połączone jest poprzez układ odpylania z filtrem HIT Ex - III.FPP (Kowent S.A) pracującym na podciśnieniu. Do w/w układu odpylania podłączone są zbiorniki magazynowe ZM- A do K, dozowniki aeracyjne DA- A do K a za ich pośrednictwem zbiorniki układów wagowych ZW1 do 6, rynna aeracyjna zbiorcza RO oraz podajnik komorowy PK. Stanowisko mieszania posiada układ odpylania pracujący na nadciśnieniu i jest wyposażone w filtr HIT Ex - III FPN. (Kowent S.A.) Filtr połączony jest z głowicami wylotowymi cyklonów odpylających mieszalników fluidyzacyjnych przewodami o przekroju kwadratowym. W celu wyeliminowania przedmuchów mieszanki przez układ odpylania z jednego mieszalnika do innych w przewodach odpylających zastosowano jednokierunkowe zawory klapowe sterowane pneumatycznie. 3. Zasada działania Zbiorniki magazynowe ZM-A do ZM-K są napełnione materiałem. Napełnienie zbiorników jest kontrolowane przez układ wagowy WS z sygnalizacją stanów krytycznych. Materiał ze zbiorników wysypuje się do dozowników aeracyjnych DA-A do DA-K, które transportują go do zbiorników w układach wagowych ZW1 do ZW6. Proces ten prowadzony jest do chwili zadozowania odpowiedniej, zgodnej z recepturą porcji materiału. Zbiornik układu wagowego ZW1 do ZW4 od dołu zamknięty jest przepustnicą sterowaną pneumatycznie. Po naważeniu porcji składnika przepustnica zostaje otwarta materiał przesypuje się do zbiorczej rynny aeracyjnej RO. Za jej pośrednictwem materiał ze wszystkich zbiorników układów wagowych ZW1 do ZW4 zostaje przetransportowany do podajnika komorowego PK. Podajnik komorowy PK rozpoczyna transport pneumatyczny zestawu składników po całkowitym przemieszczeniu naważonych porcji rynną zbiorczą RO do komory ciśnieniowej podajnika. Transport ten jest realizowany do jednego z mieszalników fluidyzacyjnych FL1 do FL4 na stanowisku mieszania. Przełączanie dróg pomiędzy poszczególnymi układami mieszającymi realizowana jest za pośrednictwem rozdzielacza dwudrogowego sterowanego pneumatycznie RD. Mieszalnik fluidyzacyjny FL1 do FL4 wyposażony jest od góry w kołpak rozładowczy, do którego materiał wprowadzany jest stycznie do ścian co powoduje wyhamowanie jego prędkości i swobodne opadanie mieszanki

10 199 do zbiornika fluidyzatora. Równocześnie z transportem mieszanki kawowej do mieszalnika FL1 do FL4 poprzez specjalne wloty wprowadzany jest odpowiedni aromat. Aromat ze zbiornika zasypowego wyposażonego w układ eżekcyjny DA1 do DA4 zostaje przetransportowany do zbiornika układu wagowego ZWA1 do ZWA4. Tensometryczny układ wagowy odważa odpowiednią dla danej receptury porcję, która za pośrednictwem aparatu eżekcyjnego podawana jest do fluidyzatora FL1 do FL4. Po przetransportowaniu całości materiału z podajnika komorowego PK następuje proces mieszania składników w mieszalniku fluidyzacyjnym. Wykorzystując aeracyjne własności poszczególnych składników mieszanie odbywa się sposobem fluidalnym. Przez specjalną przegrodę porowatą podawane jest sprężone powietrze, które upłynniając materiał powoduje całkowite i bardzo dokładne jego wymieszanie. Czas mieszania po próbach został ustalony na 25 s. Fluidyzator FL1 do 4 od dołu zamknięty jest przepustnicą sterowaną pneumatycznie, która po zakończeniu mieszania zostaje otwarta. Materiał przesypuje się do lejów umieszczonych pod fluidyzatorem. Wybór odpowiedniej drogi wysypu materiał umożliwia przesyp dwudrogowy sterowany pneumatycznie. Z lejów materiał bezpośrednio przesypuje się do umieszczonych pod nimi maszyn paczkujących. 4. WYNIKI POMIARÓW I BADAŃ. W czasie eksploatacji instalacji przeprowadzono kilkanaście serii badań, w których mierzone były parametry instalacji takie jak: - dokładność dozowania składników - dokładność dozowania aromatów - pomiar jednorodności mieszaniny - pomiar ilości odpadów poprodukcyjnych - pomiar hałasu - pomiary organoleptyczne - pomiary wysokości piany Pomiary te były niezbędne do optymalizacji parametrów instalacji i były przeprowadzane po każdej zmianie. Ze względu na zapewnienie wysokiej jakości produktu najważniejszym parametrem mierzonym była dokładność dozowania składników. Pomiary dokładności dozowania są realizowane automatycznie przez system sterujący pracą instalacji, a wyniki pomiarów zapisywane są na dyskietce. Jednorazowo system może dokonać zapisu 1000 wyników pomiarów. Wyniki te są przetwarzane i obrabiane statystycznie. Przykładowe wyniki pomiarów przedstawiono na rys 8, 9.i 10.

11 200 Rys.8 Histogram odchyłek ważenia cukru Fig. 8. Sugar weighing deviations histogram Rys.9 Histogram odchyłek ważenia kawy Fig. 9. Coffee weighing deviations histogram

12 201 Rys.10 Histogram odchyłek ważenia czekolady Fig. 10. Chocolate weighing deviations histogram 5.WNIOSKI 1. Po rocznej eksploatacji w warunkach F.P.U.H. MOKATE można stwierdzić, że instalacja wytwarzania mieszanek kawowych spełnia całkowicie oczekiwania inwestora. 2. Doświadczenia zdobyte podczas uruchomienia i początkowej eksploatacji instalacji stanowią bazę danych przydatną podczas projektowania i wdrażania kolejnych inwestycji. 3. Zastosowane nowatorskie rozwiązania konstrukcyjne w F.P.U.H. MOKATE które są jedynymi tego typu zastosowaniami w kraju mogą być z powodzeniem zastosowane w podobnych układach zarówno w branży spożywczej jak również w innych gałęziach przemysłu. LITERATURA. 1. Orzechowski Z.: Przepływy dwufazowe jednowymiarowe ustalone adiabatycznie. PWN,Warszawa Piątkiewicz Z, Szlumczyk H, Janerka K.: Przepływy dwufazowe przy wysokich stężeniach cząstek materiału w strumieniu gazu. Wydaw.pol.Śl., Gliwice Kabsch P.:Odpylanie i Odpylacze. WNT Warszawa Araszkiewicz A.: A może filiżankę cappuccino?. Pneumatyka, Wrocław 1999, nr Janerka K, Klimas W, Szlumczyk H, Chmielorz W, Skutela P, Majniusz K.: Wykonanie dokumentacji technicznej i technologicznej instalacji wytwarzania mieszanek wieloskładnikowych dla potrzeb Firmy Produkcyjno-Usługowo-Handlowej MOKATE w Ustroniu. Praca niepublikowana, Mikołów Chmielorz W, Ostrowski T.: Wyniki pomiarów instalacji do produkcji mieszanek wieloskładnikowych MOKATE. Praca niepublikowana, Mikołów 1997.