专利名称：全自动高浓啤酒稀释脱氧水制备机及其制备方法
技术领域：
本发明涉及生物及酒类发酵工程、食品饮料工程、生物制药、精细化工、化学工程的脱氧水制备工艺控制技术领域，尤其涉及用于啤酒高浓稀释脱氧水制备机及其全自动过程控制。
背景技术：
随着人们对啤酒口感质量及其一致性的要求越来越高，作为高浓度啤酒稀释及管路中氧气置换的脱氧水的质量要求也越来越高。目前，在生产啤酒的工艺过程中，高浓稀释脱氧水的制备只采用了半自动高浓稀释脱氧水制备机设备。现有技术中，半自动高浓稀释脱氧水制备机中的CO2流量检测及自动控制系统由于设计上存在诸多缺陷，不能保证所制的脱氧水品质的均一性，从而导致稀释后啤酒品质不一致，最终导致啤酒的口感质量及其一致性达不到目前高标准的要求。现有技术中使用的半自动高浓稀释脱氧水制备机存在体 积流量计易受温度和压力的影响，体积流量计检测的体积流量所换算的质量流量不准确；脱氧塔制备的脱氧水中的氧含量不能够I次达标，要经过2次甚至3次循环脱氧；对脱氧水中CO2的饱和也不能I次就能达到要求，要经过2次甚至3次CO2饱和；闭环循环调节控制，将脱氧水在系统中经过多次循环达到要求状态，不仅增加了电能消耗也增加了时间；半自动控制不仅增加了人力成本，也增加了劳动强度和出错几率，这些缺陷对生产啤酒的质量及均一性造成不利影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的缺陷，提供一种全自动高浓啤酒度脱氧水制备机及其先进的控制原理。本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现全自动高浓啤酒稀释脱氧水制备机，包括机架，设置于机架前端的PLC控制柜，设置于机架外侧的三段板式换热器和脱氧塔，所述全自动高浓啤酒稀释脱氧水制备机外接两条冷媒管路、酿造水管路、脱氧水管路、无菌CO2管路，所述三段板式换热器包括冷却段、预热段、加热段，所述的冷却段与两条冷媒管路相连接，所述冷媒管进口与冷却段连接处设置有第一手动蝶阀和第二气动PID调节阀。所述酿造水管路经过第一气动开关式蝶阀、第一气动PID调节阀、体积流量计、到达预热段一端，再经过加热段到达脱氧塔上端，在加热段与脱氧塔之间设置有第二在线温度检测仪，在加热段底部设置有排污口，所述的排污口上设置有疏水器。所述脱氧塔底部设置有管路，管路经过增压泵、第二止回阀、到达预热段一端，经过预热段到达冷却段，再到达脱氧水管路，所述的冷却塔与增压泵之间外接有排污口，排污口上设置有第二手动蝶阀，所述冷却段与脱氧水管路之间设置有第一在线温度检测仪、在线溶氧仪、第二气动开关式蝶阀，所述的第二气动开关式蝶阀与在线溶氧仪之间外接有排污口，所述的排污口上设置有第三气动开关式蝶阀，
所述的无菌CO2管路依次经过第二减压阀、阀针、浮子流量计、第四气动开关式蝶阀、第三止回阀到达脱氧塔下端一侧。所述CO2管路还通过第一减压阀、质量流量计、第三气动PID调节阀、止回阀到达冷却段和预热段相连接的管路上。所述的加热段一端连接有蒸汽，所述的加热段与蒸汽连接处设置有第四气动PID调节阀、管道过滤器、截止阀，所述的截止阀与蒸汽之间外接有排污口，所述的排污口上设置有第三手动球阀，所述的脱氧塔一侧安装有液位检测仪。所述PLC控制柜采集体积流量计、在线溶氧仪、第一在线温度检测仪、质量流量计、第二在线温度检测仪及在线液位检测仪的信息，控制第一气动开关式蝶阀、第一气动PID调节阀、第二气动开关式蝶阀、第三气动开关式蝶阀、第二气动PID调节阀、第三气动PID调节阀、第四气动PID调节阀、第四气动开关式蝶阀及增压泵；全自动高浓啤酒稀释脱氧水制备机的制备方法，包括质量流量计法、数学模型法 及开环控制法，所述质量流量计法使用质量流量计检测饱和CO2的流量，所述数学模型法应用数学模型推导出控制量之间的关系式，关系式中已知量有酿造水流量、酿造水温度及脱氧水出口温度，关系式中未知量有脱氧CO2流量及饱和CO2流量；所述开环控制法在控制程序运行之初确定控制量之间的关系。PLC控制柜启动后，PLC控制柜控制第一气动开关式蝶阀、第二气动开关式蝶阀及第四气动开关式蝶阀打开，酿造水通过管路进入，PLC控制柜根据体积流量计反馈信号控制第一气动PID调节阀开度，酿造水进入预热段，在预热段内通过交换热将酿造水温度提升，然后进入加热段，在加热段内，水通过蒸汽来提高温度，PLC控制柜根据第二在线温度检测仪控制第四气动PID调节阀开度，当温度过高时，降低第四气动PID调节阀的开度，当酿造水到达脱氧塔上方时，通过脱氧塔内喷嘴将高温的酿造水往下端喷洒，进行脱氧工作，同时无菌CO2管路输送CO2至脱氧塔底部一侧，CO2往上移动起到驱赶溶解氧的作用，将氧气和大部分CO2从脱氧塔顶端释放，在同时经过脱氧后的水也进行了一部分CO2的溶解，PLC控制柜根据在线液位检测仪控制增压泵，当液位过高时，提高增压泵的流量，经过脱氧后的水经过增压泵到达预热段，此时的水具有一定温度，这时就和进来的酿造水在预热段进行热交换，将进来的常温酿造水温度提高，将经过脱氧后的水温度降低，经过降温后的水到达冷却段，在到达冷却段之前与CO2混合，到达冷却段后，通过冷媒管路的降温，在脱氧水经过第一在线温度检测仪时，PLC控制柜根据第一在线温度检测仪反馈信号，控制第二气动PID调节阀开度，整个脱氧完成。在脱氧水在进入冷却段之前与CO2混合时，通过质量流量计及气动PID调节阀的应用，为脱氧水中CO2的准确添加提供了可靠的前提条件，通过数学模型的建立，由PLC控制柜根据质量流量计采集到的流量信号与数学模型设定计算所需CO2量的对比来确定第三气动PID调节阀的开度，PLC及开环控制原理的应用，避免了闭环控制法中反馈调节滞后现象所带来的问题。本发明方法切实可行，质量流量计的应用，为脱氧水中CO2的准确添加提供了可靠的前提条件，数学模型的建立，为酿造水准确脱去氧及CO2的准确添加提供了可靠依据，开环控制原理的应用，节约了电能及时间，全过程自动控制的实现，大大降低了劳动强度及人为出错的几率，从而提高产品质量及均一性。
图I为本发明的装备图；图2为本发明的带控制点工艺流程图；图3为本发明的三段板式换热器结构图。其中1-第一手动对夹式蝶阀；2_第二气动PID调节阀；3_三段板式换热器；4-PLC控制柜；5_第二在线温度检测仪；6-蒸汽；7_脱氧塔；8_第三止回阀；9_第四气动开关式蝶阀；10_浮子流量计；11_针阀；12_第二减压阀；13_第二手动对夹式蝶阀；14_在线液位检测仪；15-增压泵；16-第二止回阀；17_第三手动球阀；18_截止阀；19_管道过滤器；20_第四气动PID调节阀；21_疏水器；22_第三气动PID调节阀；23_第一止回阀； 24-质量流量计；25_第一减压阀；26_第一在线温度检测仪；27_在线溶氧仪；28_第三气动开关式蝶阀；29_第二气动开关式蝶阀；30_体积流量计；31、32_冷媒管路；33_第一气动PID调节阀；34_第一气动开关式蝶阀；35_酿造水管路；36_脱氧水管路；37_无菌0)2管路；38-冷却段；39_预热段；40_加热段；41_机架。
具体实施例方式为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。如图1-3所示，全自动高浓啤酒稀释脱氧水制备机，包括机架41，设置于机架41前端的PLC控制柜4，设置于机架41外侧的三段板式换热器3和脱氧塔7，所述全自动高浓啤酒稀释脱氧水制备机外接两条冷媒管路31、32、酿造水管路35、脱氧水管路36、无菌CO2管路37，所述三段板式换热器3包括冷却段38、预热段39、加热段40，所述的冷却段38与两条冷媒管路31、32相连接，所述冷媒管路31与冷却段38连接处设置有第一手动对夹式蝶阀I和第二气动PID调节阀2。所述酿造水管路35经过第一气动开关式蝶阀34、第一气动PID调节阀33、体积流量计30、到达预热段39 —端，再经过加热段40到达脱氧塔7上端，在加热段40与脱氧塔7之间设置有第二在线温度检测仪5，在加热段40底部设置有排污口，所述的排污口上设置有疏水器21。所述脱氧塔7底部设置有管路，管路经过增压泵15、第二止回阀16，到达预热39一端，经过预热段39到达冷却段38，再到达脱氧水管路36，所述的冷却塔7与增压泵15之间外接有排污口，排污口上设置有第二手动对夹式蝶阀13，所述冷却段38与脱氧水管路36之间设置有第一在线温度检测仪26、在线溶氧仪27、第二气动开关式蝶阀29，所述的第二气动开关式蝶阀29与在线溶氧仪27之间外接有排污口，所述的排污口上设置有第三气动开关式蝶阀28，所述的无菌CO2管路37依次经过第二减压阀12、阀针11、浮子流量计10、第四气动开关式蝶阀9、第三止回阀8到达脱氧塔7下端一侧。所述CO2管路37还通过第一减压阀25、质量流量计24、第三气动PID调节阀22、第一止回阀23到达冷却段38和预热段39相连接的管路上。所述的加热段40 —端连接有蒸汽6，所述的加热段40与蒸汽6连接处设置有第四气动PID调节阀20、管道过滤器19、截止阀18，所述的截止阀18与蒸汽6之间外接有排污口，所述的排污口上设置有第三手动球阀17，所述的脱氧塔7 —侧安装有液位检测仪14。所述PLC控制柜4采集体积流量计30、在线溶氧仪27、第一在线温度检测仪26、质量流量计24、第二在线温度检测仪5及在线液位检测仪14的信息，控制第一气动开关式蝶阀34、第一气动PID调节阀33、第二气动开关式蝶阀29、第三气动开关式蝶阀28、第二气动PID调节阀2、第三气动PID调节阀22、第四气动PID调节阀20、第四气动开关式蝶阀9及增压泵15 ；全自动高浓啤酒稀释脱氧水制备机的制备方法，包括质量流量计法、数学模型法及开环控制法，所述质量流量计法使用质量流量计检测饱和CO2的流量，所述数学模型法应用数学模型推导出控制量之间的关系式，关系式中已知量有酿造水流量、酿造水温度及脱氧水出口温度，关系式中未知量有脱氧CO2流量及饱和CO2流量；所述开环控制法在控制程序运行之初确定控制量之间的关系。 所述PLC控制柜4启动后，PLC控制柜4控制第一气动开关式蝶阀34、第二气动开关式蝶阀29及第四气动开关式蝶阀9打开，酿造水通过管路进入，PLC控制柜4根据体积流量计30反馈信号控制第一气动PID调节阀33开度，酿造水进入预热段39，在预热段39内通过交换热将酿造水温度提升，然后进入加热段40，在加热段40内，水通过蒸汽6来提高温度，PLC控制柜4根据第二在线温度检测仪5控制第四气动PID调节阀20开度，当温度过高时，降低第四气动PID调节阀20的开度，当酿造水到达脱氧塔7上方时，通过脱氧塔7内喷嘴将高温的酿造水往下端喷洒，进行脱氧工作，同时无菌CO2管路37输送CO2至脱氧塔7底部一侧，CO2往上移动起到驱赶氧气的作用，将氧气和大部分CO2从脱氧塔顶端释放，在同时经过脱氧后的水也进行了一部分CO2的溶解，PLC控制柜4根据在线液位检测仪14控制增压泵15，当液位过高时，提高增压泵15的流量，经过脱氧后的水经过增压泵15到达预热段39，此时的水具有一定温度，这时就和进来的酿造水在预热段39进行热交换，将进来的常温酿造水温度提高，将经过脱氧后的水温度降低，经过降低后的水到达冷却段38，在到达冷却段38之前与CO2混合，到达冷却段38后，通过冷媒管路31、32的降温，在脱氧水经过第一在线温度检测仪26时，PLC控制柜4根据第一在线温度检测仪26反馈信号，控制第二气动PID调节阀2开度，整个脱氧完成。
在脱氧水在进入冷却段38之前与CO2混合时，通过PLC控制柜4根据体积流量计30采集到的流量信号来确定质量流量计24所需要的CO2的量，通过质量流量计24采集的量与数学模型计算值的比对，来确定第三气动PID调节阀22的开度，所述第一手动对夹式蝶阀打开，冷媒进入三段板式换热器冷却段。所述三段板式换热器冷却段将脱氧水冷却至指定温度。所述第二气动PID调节阀通过第一在线温度检测仪反馈信号，调节冷媒至所需流量。所述第一气动开关式蝶阀打开，酿造水进入酿造水管路。所述第一气动PID调节阀通过体积流量反馈信号，调节酿造水至所需流量。所述体积流量计检测酿造水流量，并将信号反馈给PLC控制柜。所述三段板式换热器预热段利用脱氧水热量，将酿造水预热。
所述三段板式换热器加热段利用蒸汽热量，将预热酿造水加热至指定温度。所述第二在线温度检测仪检测酿造水加热后温度，并将信号反馈给PLC控制柜。所述截止阀打开，蒸汽进入三段板式换热器加热段给预热后的酿造水加热。所述管道过滤器将蒸汽管道剥落的铁锈等物质除去。所述第四气动PID调节阀根据第二在线温度检测仪反馈信号，调节蒸汽至合适流量。所述疏水器将冷凝水排入地沟。所述第一减压阀当CO2气体超过一定压力时，减压阀打开，对饱和CO2管道及元件 起到保护作用。所述质量流量计检测CO2质量流量，并将信号反馈给PLC。所述第三气动PID调节阀根据质量流量计反馈信号，调节CO2至合适流量。所述第一止回阀阻止脱氧水倒流进入饱和CO2管路，保证CO2管路卫生。所述在线液位检测仪检测脱氧塔液位，并将其信号反馈给PLC。所述第二手动对夹式蝶阀打开，脱氧塔进行排污。所述增压泵根据脱氧塔液位信息进行变频控制，将脱氧水从脱氧塔中输出。所述第二止回阀防止在增压泵停止工作时，脱氧水倒流回来。所述第一在线温度检测仪检测脱氧水出口温度，并将信号反馈给PLC。所述在线溶氧仪检测脱氧水中溶氧量，并将信号反馈给PLC。所述第三气动开关式蝶阀打开，对脱氧水管路进行排污。所述第二减压阀当CO2气体超过一定压力时，减压阀打开，对脱氧CO2管道及元件起到保护作用。所述针阀根据浮子流量计显示流量调节开度，直至浮子流量计显示流量为需求值。所述第四气动开关式蝶阀打开，CO2进入脱氧塔将酿造水中的气泡赶走，并部分溶解在酿造水中。所述第三止回阀阻止脱氧水倒流进入脱氧CO2管路，保证CO2管路卫生。所述数学模型法推导出的关系式，通过预置量和检测量能准确计算出各个未知量。 所述酿造水流量由生产工艺所决定。所述酿造水温度由车间提供，基本为室温20° C。所述脱氧水出口温度由I号在线温度检测仪检测。所述脱氧CO2流量由所建立的数学模型推导出。所述饱和CO2流量由所建立的数学模型推导出。所述开环控制法在控制程序运行之初确定控制量之间的关系，一次就可以使脱氧水中溶氧量及CO2含量达到要求，不需要通过闭环多次循环调控。以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界 定。
权利要求
1.全自动高浓啤酒稀释脱氧水制备机，包括机架，设置于机架前端的PLC控制柜，设置于机架外侧的三段板式换热器和脱氧塔，所述全自动高浓啤酒稀释脱氧水制备机外接两条冷媒管路、酿造水管路、脱氧水管路、无菌CO2管路，所述三段板式换热器包括冷却段、预热段、加热段，所述的冷却段与两条冷媒管路相连接，所述冷媒管进口与冷却段连接处设置有第一手动蝶阀和第二气动PID调节阀，其特征在于所述酿造水管路经过第一气动开关式蝶阀、第一气动PID调节阀、体积流量计、到达预热段一端，再经过加热段到达脱氧塔上端，在加热段与脱氧塔之间设置有第二在线温度检测仪，在加热段底部设置有排污口，所述的排污口上设置有疏水器； 所述脱氧塔底部设置有管路，管路经过增压泵、第二止回阀、到达预热段一端，经过预热段到达冷却段，再到达脱氧水管路，所述的脱氧塔与增压泵之间外接有排污口，排污口上设置有第二手动蝶阀，所述冷却段与脱氧水管路之间设置有第一在线温度检测仪、在线溶氧仪、第二气动开关式蝶阀，所述的第二气动开关式蝶阀与在线溶氧仪之间外接有排污口，所述的排污口上设置有第三气动开关式蝶阀。
2.根据权利要求I所述的全自动高浓啤酒稀释脱氧水制备机，其特征在于所述的无菌CO2管路依次经过第二减压阀、阀针、浮子流量计、第四气动开关式蝶阀、第三止回阀到达脱氧塔下端一侧。所述CO2管路还通过第一减压阀、质量流量计、第三气动PID调节阀、第一止回阀到达冷却段和预热段相连接的管路上；所述的加热段一端连接有蒸汽，所述的加热段与蒸汽连接处设置有第四气动PID调节阀、管道过滤器、截止阀，所述的截止阀与蒸汽之间外接有排污口，所述的排污口上设置有第三手动球阀。
3.一种全自动高浓啤酒稀释脱氧水制备机的制备方法，包括下列步骤PLC控制柜启动后，PLC控制柜控制第一气动开关式蝶阀、第二气动开关式蝶阀及第四气动开关式蝶阀打开，酿造水通过管路进入，PLC控制柜根据体积流量计反馈信号控制第一气动PID调节阀开度，酿造水进入预热段，在预热段内通过交换热将酿造水温度提升，然后进入加热段，在加热段内，水通过蒸汽来提高温度，PLC控制柜根据第二在线温度检测仪控制第四气动PID调节阀开度，当温度过高时，降低第四气动PID调节阀的开度，当酿造水到达脱氧塔上方时，通过脱氧塔内喷嘴将高温的酿造水往下端喷洒，进行脱氧工作，同时无菌CO2管路输送CO2至脱氧塔底部一侧，CO2往上移动起到驱赶溶解氧的作用，将氧气和大部分CO2从脱氧塔顶端释放，在同时经过脱氧后的水也进行了一部分CO2的溶解，PLC控制柜根据在线液位检测仪控制增压泵，当液位过高时，提高增压泵的流量，经过脱氧后的水经过增压泵到达预热段，此时的水具有一定温度，这时就和进来的酿造水在预热段进行热交换，将进来的常温酿造水温度提高，将经过脱氧后的水温度降低，经过降温后的水到达冷却段，在到达冷却段之前与CO2混合，到达冷却段后，通过冷媒管路的降温，在脱氧水经过第一在线温度检测仪时，PLC控制柜根据第一在线温度检测仪反馈信号，控制第二气动PID调节阀开度，整个脱氧完成。
4.根据权利要求3所述全自动高浓啤酒稀释脱氧水制备机的制备方法，其特征在于在脱氧水在进入冷却段之前与CO2混合时，通过质量流量计及气动PID调节阀的应用，为脱氧水中CO2的准确添加提供了可靠的前提条件，通过数学模型的建立，由PLC控制柜根据质量流量计采集到的流量信号与数学模型设定计算所需CO2量的对比来确定第三气动PID调节阀的开度，PLC及开环控制原理的应用，避免了闭环控制法中反馈调节滞后现象所带来的问题。
全文摘要
全自动高浓啤酒稀释脱氧水制备机及其制备方法，涉及生物及酒类发酵工程、食品饮料工程、生物制药、精细化工、化学工程的脱氧水制备工艺控制技术领域，包括机架，设置于机架前端的PLC控制柜，设置于机架外侧的三段板式换热器和脱氧塔，所述全自动高浓啤酒稀释脱氧水制备机外接两条冷媒管路、酿造水管路、脱氧水管路、无菌CO2管路，其制备方法为，将酿造水经过三段板式换热器升温到达脱氧塔，同时将CO2充入脱氧塔，然后再进入三段板式换热器进行降温得到脱氧水，在整个过程中用PLC控制柜全程控制。本发明方法切实可行，数学模型的建立，推导出已知量与未知量间的数学关系式；开环控制原理的应用，机组可1次性将脱氧水达到要求状态，全过程自动控制的实现，大大降低了劳动强度及人为出错的几率，从而提高产品质量及均一性。
文档编号C02F1/20GK102815759SQ20121030600
公开日2012年12月12日 申请日期2012年8月27日 优先权日2012年8月27日
发明者陶安军 申请人:安徽华艺生物装备技术有限公司