南非迪思特矿泉水厂安装多组分混合系统

含酒精类饮品日趋繁多，细分市场持续增长。即饮类产品RTDs包括啤酒、果酒及其它含酒精类饮料与苏打水、果汁或其它非含酒精类饮品的混合，进一步丰富了品种。

在南非，即饮类产品市场需求非常高。迪思特集团是南非烈性酒、高端葡萄酒、苏打水和其它即饮类产品的领导制造商。迪思特矿泉水厂通过对饮料中糖浓度（°Brix）的测量控制，实现了产品从批次生产工艺到在线生产工艺的转换。

40多年来，茨恩特Centec公司一直是提供具有全自动、撬装式过程单元和高精度测量技术值供货商，在业界具有几乎独一无二的应用覆盖率。所设计的系统和传感器可以很好地满足啤酒、食品和饮料制造商的大多数需求。

作为迪思特矿泉水厂工程项目的一部分，茨恩特公司按照合同交付了带有UV杀菌功能的150 hl/h柱状水脱氧装置及储罐、400 hl/h果汁混合系统、400 hl/h果汁充氧装置、430 hl/h包含13种液体产品流的混合系统。

茨恩特公司将自己研发的传感器件集成在流程处理设备中。溶解氧传感器的浓度检测范围为1 ppb～2 ppm，检测精度为±1 ppb。酒精体积浓度的检测范围为0～100%，检测精度为±0.02%。检测糖浓度的传感器其检测范围为0～80°Brix，检测精度为±0.02°Brix。

一、柱状水脱氧装置

为了生产高品质、货架期长的饮料产品，水中的氧含量必须降低到非常低的浓度。水脱氧过程在环境温度下就可进行。一开始，在柱状脱氧装置的上部布水。柱状脱氧装置内部按一定方式紧密填充薄的不锈钢薄板，这样当水通过柱状体向下流动时，不得不沿多条路径流动，见图1。

通过填料使气体传输的表面积最大化以及水与汽提气（CO2）之间的接触时间最大化。汽提气从柱状脱氧装置的底部充入，沿着柱状体上升，与水逆向流动。分压的显著差异使氧从水中脱离进入气相中。在柱状脱氧装置的顶部，从水中脱离的氧与残留的汽提气一起以气态形式逸出系统。流到柱状脱氧装置底部的水氧含量低于30 ppb。从这里流出的水，再通过UV杀菌系统杀菌，然后流入容量为350 hl的储罐中。工厂生产所需要的脱氧水全部来自于这个脱氧水储罐，脱氧水在3 bar压力下输送到工厂各个脱氧水用水点。

恩特公司研发的在线式氧气纯度仪Oxytrans可对脱氧水中的氧浓度持续监控。这款非常精确的光学氧气传感器，可用于测量脱氧水中的氧含量，见图2。

该传感器可以监测和测量处在1 ppb～2 ppm范围内水中氧浓度，检测精度为±1 ppb。所采用的光学技术是基于通过相变释放的能量，这种能量通过分子间的相互作用而不是通过辐射来重新分配。在装置的测量头部安装了一个带有一薄层指示分子的小玻璃组件，称之为“光学视窗”，这些指示分子暴露在由传感器中的LED产生的蓝绿色光源下。这些分子吸收入射光，由此激发这些分子到更高的能量状态。经过特定时间段后，这些分子恢复到基态，产生红光，然后被传感器检测到。如果氧分子存在，来自激发的指示分子的能量被转移到氧分子中。当产品中的氧分子浓度增加时，来自传感器的检测信号减弱。其它的气体不吸收这些能量，因此它们不会对测量结果造成影响。

图2：光学氧气传感器Oxytrans

二、果汁混合系统

产品的每一种配方都是基于不同成分按特定配比配制。一旦选用了某种配方，系统就会按此配方运行。整个混合过程完全自动执行。科里奥利Coriolis质量流量计被用于高精度的过程控制。

流量计，其运行基于科里奥利原理，一旦管路受到力作用时，它能检测管路振动。当介质流过振动管路时，科里奥利力产生，它使管路弯曲。此时传感器检测管路振动频率的变化。传感器信号的相移与质量流量成正比。流动介质的密度可通过测量管路的振动频率测算。质量流量计也能测定介质的温度。微处理器转换数字信号来记录流动介质的质量流量、密度和温度。当一个配方选定后，输入的流量在任何时间内都能被精确地控制，一旦温度发生任何偏差时，均能自动地补偿所受到的任何影响。为了避免出现异常，该过程系统还安装了防混合双座阀。

茨恩特公司研发的Combitec在线传感器应用在混合系统中，以确保成品中专用于发酵的蔗糖含量控制精确无误。传感器非常适用于三组分溶液，可同时测量密度、浓度和声速，见图3。

图3：高精度传感器Combitec，可测量酒精浓度和糖度

密度测量是基于U型振荡管测量液体密度原理。为了测量声速，声波脉冲由超声波发射器产生并由超声波接收器检测。浓度和密度或声速之间的关系是每个流体特有的属性，可以用数学多项式来描述。

在水溶液中，蔗糖分解成葡萄糖和果糖。这种可逆过程称为“水解”。采用Combitec装置，可测量单个的成分，并测定蔗糖的含量，其精度可达±0.02°Brix。混合后，产品就可以进行巴氏杀菌，然后充氧。

三、果汁充氧装置

向果汁产品中充氧可提高酵母活性，并开始产品的发酵过程。该装置装配茨恩特公司研发的特定尺寸的Vortex-Venturi喷射器，以此向产品中充氧，见图4。

通过这种装置，大量非常细小的氧气泡直接喷射入产品流中，由于高的压力和紊流环境，氧完全溶解在介质中。控制阀安装在末端，并在这里氧溶解。在该系统中，控制阀始终保持恒压。为了精确控制果汁和氧的靶式流量，气体通过科里奥利Coriolis质量流量计控制，按质量计算其测量精度可达±0.5%，果汁通过电磁流量计控制，按质量计算其测量精度可达±0.2%。充氧后的果汁注入果酒中，其氧含量为20 mg/l。果汁通过酵母添加站进入发酵罐。

四、混合系统

为迪思特矿泉水厂安装的混合系统是茨恩特公司迄今为止制造和交付使用的最大的过程处理系统之一。在项目的第一阶段，设计并安装了一个过程处理系统，该系统实现了已发酵产品同8种不同液体成分的混合。目前，经过扩张后，该系统能将已发酵产品同多达13种不同的产品流混合，见图5。

图4：Vortex-Venturi喷射器

流入混合系统的每一种液体流都安装有科里奥利Coriolis质量流量计，按质量计算其测量精度可达±0.1%。对于每一种配方来说，每种液体流的配比是特定的，通过对任何温度波动的自动补偿，可以可靠地实现目标配比。在这里，也应用了防混合阀和双座阀技术。

应用集成在混合系统上的茨恩特公司研发的Combitec在线传感器测量成品的酒精浓度和糖度°Brix，该测量装置应用在过程控制中。依据体积计算，成品的酒精测量精度可达到±0.025%，成品的糖百分浓度精度可达到±0.03°Brix。

所有的系统可通过CIP进行清洗，安装有西门子的S7控制器。这些系统在运输到南非前，需要在制造工厂进行工厂验收试验。在任何时候均可通过VPN路由器对系统进行远程操作。

五、小结

1995年南非豪登省迪思特矿泉水厂投产，生产能力为3万千升的包装线有两条。从那时起，历经了不断的扩张。目前，它是迪思特集团最大的即饮类产品RTDs生产工厂，现有7条包装生产线及全自动的RTDs和果酒生产设备。

这些系统在2015年建设并交付使用。这一阶段的扩张使迪思特矿泉水厂RTDs产品发生了革命性的变化。连同13种不同液体产品流混合系统的安装，茨恩特公司还给安装了一套柱状水脱氧装置及用于果汁混合和充氧装置。该项目由茨恩特公司实施，并同High-Tech Processing公司进行了密切合作。High-Tech Processing公司是南非一家为酿酒和饮料工业提供设备及服务的供货商，长期为非洲、东欧和中东区域的酿酒及饮料工业提供更广范围的技术解决方案，包括工厂的工程设计、咨询、项目管理及整套的交钥匙安装。

图5：混合系统能混合13种不同的液体产品流