автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Научное обеспечение эксергосберегающего процесса ректификации пищевого спирта с применением теплонасосной технологии

На правах рукописи

МАРИНЕНКО Станислав Сергеевич

НАУЧНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭКСЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕГО ПРОЦЕССА РЕКТИФИКАЦИИ ПИЩЕВОГО СПИРТА С ПРИМЕНЕНИЕМ ТЕПЛОНАСОСНОЙ ТЕХНОЛОГИИ

05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых производств

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Майкоп-2013

005545916

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Майкопский государственный технологический университет» (ФГБОУ ВПО «МГТУ»)

Научный руководитель: Сиюхов Хазрет Русланович,

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Шевцов Александр Анатольевич,

заслуженный изобретатель РФ, доктор технических наук, профессор (ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий») Никитина Светлана Юрьевна, кандидат технических наук, генеральный директор ООО «НТЦ «Этанол»

Ведущая организация: ГНУ «Северо-Кавказский зональный

научно-исследовательский институт садоводства и виноградарства» Россельхозакадемии

Защита диссертации состоится «24» октября 2013 года в 12.30 час. на заседании совета по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук Д 212.035.01 при ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» по адресу: 394036, г. Воронеж, проспект Революции, 19, конференц-зал.

Отзывы (в двух экземплярах) на автореферат, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять в адрес совета университета.

Автореферат размещен на сайтах Высшей аттестационной комиссии при Министерстве образования и науки Российской Федерации https://vak2.ed.gov.ru и ВГУИТ http://www.vsuet.ru «24» сентября 2013 г.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «ВГУИТ».

Автореферат разослан «24» сентября 2013 г.

Ученый секретарь совета по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук Д 212.035.01 профессор ^ Г.В. Калашников

1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1.1 Актуальность проблемы. На большинстве брагоректификационных установок (БРУ) Российской Федерации вырабатывается ректификованный спирт более высокого качества, чем предусмотрено ГОСТ Р 51652-2000. Это достигается за счет жесткой гидроселекции при эпюрации и повышенных отборов фракций сивушного спирта и сивушного масла, а также за счет увеличения флегмовых чисел, а, следовательно, и энергозатрат.

На зарубежных спиртзаводах с целью снижения энергозатрат используют работу колонн под вакуумом и их обогрев парами верха ректификационной колонны. При таких вариантах решения проблемы энергосбережения не удается обеспечить качество спирта, характерное для отечественных БРУ. Это связано с тем, что применение обогрева бражной и эпюрационной колонн, работающих под вакуумом, парами спиртовой колонны жестко связывает технологические режимы работы этих колонн и требует очень четкой автоматизации процесса. Эксергетический анализ схем производства ректификованного спирта позволяет разработать мероприятия по энергосберегающему процессу ректификации спирта, в основе которого лежит применение теплового насоса.

В связи с изложенным, научное обеспечение эксергосберегающего процесса ректификации пищевого спирта с применением теплонасосной технологии является актуальным.

Диссертационная работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований и региональных инвесторов в рамках гранта РФФИ «Обоснование и теоретическое обеспечение энергосберегающего, экологически безопасного производства из зернового сырья пищевого спирта глубокой очистки путем совмещения стадий разваривания и брагоректификации с выпариванием барды, использования инновационного квазистационарного процесса ректификации, совмещенного с тепловым насосом, и переработки сивушных масел с выделением многокомпонентного гетероазеотропа» (проект № 11-08-96507-р_юг_ц), государственного задания Минобрнауки РФ (проект № 7.439.2011) «Теоретические основы интенсификации тепло- массобменных, квазистационарных и мембранных процессов с целью разработки инновационных технологий переработки сельскохозяйственного сырья и производства пищевых продуктов» и по госбюджетной научно-исследовательской теме ФГБОУ ВПО «Майкопский государственный технологический университет» «Совершенствование технологических приемов производства продуктов переработки сельскохозяйственного сырья» (№ гос. регистрации 01201062580).

1.2 Цель и задачи исследований. Целью исследований явилось научное обеспечение эксергосберегающего процесса ректификации пищевого спирта с применением теплонасосной технологии.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

- выполнить эксергетический анализ технологической схемы брагоректификации;

- разработать математическую модель компримирования неидеальных паровых спиртовых смесей и метод расчета энтальпии, энтропии и других термодинамических свойств паров спиртовой колонны;

- проанализировать целесообразность снижения неидеальности процесса ректификации спирта в схеме с тепловым насосом;

- спроектировать и изготовить стендовую ректификационную установку с тепловым насосом с целью экспериментальной проверки эффективности использования паров спирта для обогрева куба колонны;

- разработать математическую модель насадочной колонны периодического действия, обосновать уравнения для расчета высоты теоретической ступени насадки;

- разработать математическую модель стендовой установки периодического действия с насадочной колонной с использованием теплонасосной технологии;

- теоретически и экспериментально проверить эффективность стендовой установки с тепловым насосом;

- провести стоимостную и эксергетическую оценку использования тепловых насосов при получении пищевого спирта;

- рассмотреть экологические аспекты разработанного энергосберегающего процесса ректификации пищевого спирта с применением теплонасосной технологии.

1.3 Научная новизна. Разработана математическая модель компримиро-вания неидеальных паровых спиртовых смесей и метод расчета энтальпии, энтропии и других термодинамических свойств паров спиртовой колонны, разработана математическая модель насадочной колонны периодического действия с тепловым насосом, технологическая схема установки брагоректификации с теплонасосной технологией. Обоснованы уравнения для расчета высоты теоретической ступени насадки. Новизна технических решений подтверждена 3 патентами РФ на полезные модели № 124887, № 128830, № 129014.

1.4 Практическая значимость. Экспериментально на разработанной и изготовленной стендовой установке периодического действия подтверждена эффективность использования теплового насоса. Проведен эксергетический анализ схемы брагоректификации. Определена эффективность использования теплового насоса и проанализирован вопрос применения идеальной ректификации на БРУ. Выполнено технико-экономическое обоснование и разработана технологическая инструкция эксергосберегающего процесса ректификации пищевого спирта с применением теплонасосной технологии.

ООО «Южная пищевая машиностроительная компания» приняты к изготовлению и реализации установки с тепловыми насосами. Получен экономический эффект - 400 тыс. руб. Расчетный эффект от внедрения теплового насоса на брагоректификационной установке получения пищевого спирта составляет 1,32 млн. рублей в год.

Разработано учебное пособие для вузов «Сборник задач по расчету и конструированию машин и аппаратов пищевых производств».

1.5 Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на международной научно-технической интернет-конференции («ЭПАХПП-2011») (г. Воронеж, 2011 г.); на Всероссийской научно-практической конференции аспирантов, докторантов и молодых ученых (г. Майкоп, 2011 г.); на I международной научно-практической конференции

«Инновационные технологии в пищевой и перерабатывающей промышленности» (г. Краснодар, 2012 г.); на научно-практической конференции аспирантов, докторантов и молодых ученых (г. Майкоп, 2013 г.).

1.6 Публикация результатов исследований. По материалам диссертации опубликовано 14 научных работ, в том числе 1 учебное пособие, 6 статей в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, получено 3 патента РФ на полезные модели.

1.7 Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, обзора научно-технической и патентной литературы, 4 глав, заключения, списка использованной литературы и приложения. Основной текст диссертации изложен на 145 страницах, содержит 42 рисунка и 13 таблиц. Список использованной литературы включает 118 наименований, в том числе 12 - зарубежных авторов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность разработки эксергосберегающих процессов получения ректификованного спирта при сохранении его высокого качества, и показана эффективность использования теплового насоса.

В первой главе приведен обзор источников, имеющих отношение к достижению цели, поставленной в работе, и оценена целесообразность использования полученных результатов. Рассмотрены работы по существующим методикам расчета эксергии систем и моделирования их элементов. Сформулированы основные задачи исследования.

Во второй главе выполнен эксергетический анализ установки получения пищевого спирта. В качестве объекта исследования принята технологическая схема БРУ с тремя колоннами (рисунок 1). Для расчета эксергии определен технологический режим (таблица 1) и материальный и тепловой балансы объекта. При расчете эксергии выделена замкнутая балансовая поверхность, включающая ректификационную колонну в двух вариантах: действующую и снабженную компрессором. Колонны переработки эфиро-альдегидной фракции, сивушных спиртов и масел, а также колонны очистки от метанола не рассматривались, так как они практически не влияют на показатели работы ректификационной колонны.

При моделировании схемы использовались математические модели колонн, идентифицированные по данным обследования действующих БРУ, и разработанная модель компримирования паров спирта.

Для компримирования принят безмасляный винтовой компрессор. В отличие от масляных компрессоров, работающих на смеси хладагента со смазывающим маслом, использование масляного компрессора для компримирования паров спирта недопустимо. Как показали предварительные расчеты, требуемая мощность компрессора находится на уровне 232 кВт. В настоящее время машиностроительная промышленность выпускает безмасляные винтовые компрессоры на такую мощность, при этом оба винта приводятся в движение таким образом, чтобы между ними оставался зазор, измеряемый в микронах. В таком случае отсутствует трение винта о винт, и компрессор является безмасляным.

1 - бражная колонна (БК); 2 - эпюрационная колонна (ЭК); 3 - ректификационная колонна (РК), 4 - нагреватель бражки, 5, 6 - дефлегматоры; 7, 8 - конденсаторы; 9-сепаратор; 10-винтовой компрессор; 11, 12,13, 14-выносные кипятильники, 15 - дроссель

Рисунок 1 - Энергосберегающая установка для получения из бражки этилового ректификованного спирта

Таблица 1 - Технологический режим работы колонн БРУ

Наименование показателя Значение

Бражная колонна

Номер тарелки питания/всего тарелок 24/24

Крепость бражного дистиллята, об. % 50,87

Давление низа, МПа 0,05

Температура низа, "С / Температура верха, °С 81,6/63,4

Эпюрационная колонна

Номер тарелки питания / всего тарелок 20/39

Давление низа, МПа 0,118

Температура низа, "С / Температура верха. °С 91,1/86,8

Отбор эфиро-альдегидной фракции, дал/сут. 206

Ректификационная колонна

Номер тарелки питания / всего тарелок 16/80

Давление низа, МПа 0,128

Температура низа, "С / Температура верха. "С 106,7/79

Температура на тарелке питания, "С 90,8

Отбор ГФ из дефлегматора, дал/сут. 11

Номер тарелки отбора спирта-ректификата 76

Отбор спирта-ректификата, дал/сут. 2906

Крепость спирта-ректификата, об. % 96,5

Номер тарелки отбора фракции сивушных масел 6

Отбор фракции сивушных масел, дал/сут. 200

Номер тарелки отбора сивушного спирта 22

Отбор сивушного спирта, дал/сут. 13

Применение безмасляных компрессоров позволило использовать спирт в качестве агента для переноса теплоты. Для этих целей нами предложен следующий цикл (рисунок 1). В ректификационную колонну (РК) 3 в качестве питания подается эпюрат. Пары с верха РК направляются на всас винтового компрессора 10. Скомпримированные пары спирта, имеющие высокое давление и температуру, подаются в качестве греющего теплоносителя в межтрубное пространство выносного ребойлера 14 РК, где полностью конденсируются, обогревая низ РК. После этого конденсат дросселируется и направляется в дефлегматор 6. Недостающая часть теплоты, необходимой для процесса ректификации, вводится через дополнительный ребойлер 13, обогреваемый греющим паром. Сивушный спирт и сивушное масло в качестве вторичных продуктов брагорек-тификации выводятся из спиртовой колонны с тарелок выше и ниже питательной. Ректификованный спирт отбирается с 76-й тарелки.

Такой способ передачи теплоты от низкотемпературного теплоносителя, имеющего температуру 79 °С к высокотемпературному теплоносителю с температурой 106,5 °С является более выгодным, чем использование специального теплоносителя (хладагента), циркулирующего в замкнутом цикле. Если в качестве хладагента использовать азеотропный спирт, то при его испарении в конденсаторе потребуется давление ниже атмосферного, потому что он должен иметь температуру на 25 °С ниже, чем температура верха колонны, т.е. порядка 50-54 °С. Расчеты показали, что такой вариант теплового насоса оказывается невыгодным, так как в этом случае затраты на компримирование возрастают почти в два раза и нужно устанавливать два компрессора.

Научное обеспечение эксергосберегающего процесса ректификации спирта с тепловым насосом потребовало разработки математической модели компри-мирования неидеальных паровых спиртовых смесей и расчета их термодинамических свойств. Как известно для расчета компрессора и эксергии материальных потоков необходимо рассчитывать приращение энтальпии и энтропии. С этой целью потребовалась разработка метода их расчета.

При моделировании винтового компрессора в отличие от поршневого, где есть всас, сжатие, выкид, учтено, что поток газа является стационарным. Поэтому рассмотрим стационарное течение потока. При моделировании учтена неидеальность паров и рассмотрено изменение энергии потока газа в компрессоре при стационарном движении в адиабатических условиях. Выделим бесконечно малый элемент потока с!х. Закон сохранения массы в потоке

сЬс

_ с(рн') .

При стационарном течении частная производная по времени —-—- = 0 и

дх

поэтому субстанциональная производная приобретает вид

ск дх & дх

На рисунке 2 представлены давления и скорости на входе и выходе из участка.

р XV О ЭР J Р + —dx дх dw , w + —dx дх

dx

Рисунок 2

(3)

На поверхности слева за время dt совершается работа над системой (Pf)-(wdz). На правой стороне система совершает работу

Вычитая из работы, совершаемой системой, работу, совершаемую над сис-•темой и отнесенную к единице массы, получим

dA _8{Pw)dx dm & р

При адиабатическом течении 5Q = 0, и согласно первому закону термодинамики

5Q = dU + dA = d(U + Р V) = 0, т.е. в потоке U + PV = const.

В случае сжатия необходимо добавить работу, совершаемую над газом, т.е.

и1+щ+лак=и2+р2у2.

Отсюда

Лж =Я2-Я,. (5)

Тогда мощность компрессора производительностью G

N=G{H2-HX). (6)

Таким образом, мощность винтового компрессора определяется его массовой производительностью и разностью энтальпий выходного и входного потоков, которая должна быть рассчитана, исходя из свойств реальных газов.

При использовании теплового насоса на спиртовой колонне температура конденсации паров спирта для нагрева куба колонны должна быть на 20-30 °С выше, чем температура низа спиртовой колонны Т„ =106,5 °С. Нами принята температура конденсации Ts =130 °С. Температура на выкиде компрессора Тк выше температуры точки росы Ts, так как пары являются перегретыми. Рассмотрен изоэнтропийный процесс

'as & -

Из уравнения для термодинамического потенциала Гиббса

'asN Ф

dp.

(7)

(8)

и получим уравнение, необходимое для расчета изменения энтропии.

с1Н = СрЛТ +

Рассмотрим также энтальпию Я как функцию от Т пр. Окончательно получим уравнение, необходимое для расчета энтальпии.

'-о'

р

Рк Ро

Рид

ф.

(И)

'р/

/

То

т

1 к

В связи с тем, что с1Б и <1Н являются полными дифференциалами, изменения А.У и АН зависят только от начального и конечного состояния и не зависят от пути процесса. Использован путь процесса, состоящий из трех участков (рисунок 3). На первом участке при постоянной температуре Т0 изменяется давление от р0 до давления, отвечающего состоянию идеального газа р11д. В качестве последнего принято ри0 =0,001 МПа.

Рисунок 3

Вычисление А5[ проводится по уравнению (8), в котором (дУ/8Т)р находится по уравнению состояния реального газа.

На втором участке при постоянном давлении рид =0,001 МПа движение проводится от температуры Т0 до неизвестной температуры по соотношению

(Ц4-

Температура Тк находится итерационно. При подстановке зависимости теплоемкости Ср от температуры в виде полинома изменение энтропии А52 находится путем интегрирования.

На третьем участке выполняется переход при постоянной температуре Тк от давления идеального газа р„д до давления нагнетания компрессора, при котором происходит конденсация паров. Суммарное изменение энтропии Д5 равно сумме Д5(, Д52 и АБ3, где 1, 2, 3 - номера участков. В адиабатическом процессе Д51 равно нулю.

Изменение энтальпии АН равно мощности компрессора, КПД которого равен 100 %. Для технических расчетов задавался адиабатический КПД.

Для описания свойств паровых смесей спиртового производства использовано кубическое уравнение состояния Редлиха-Квонга. При решении конкретных задач уравнения состояния и теплоемкости аппроксимированы простыми зависимостями. Использованы две аппроксимации уравнения состояния Редлиха-Квонга: для первого и третьего участка (для узкого диапазона температур).

У = - + Ь. (13)

Коэффициенты а и Ъ получены путем аппроксимации данных, рассчитанных по уравнению Редлиха-Квонга для паров, содержащих 96,65 об. % этанола.

Для первого участка в диапазоне температур 70-90 °С

я = 0,00831-Г+ 0,001537; Ъ = 0,002 • Т -1,1548. (14)

Для третьего участка в диапазоне температур 150-170 °С и давлении от 0,001 до 1 МПа

а = 0,008315-Т-0,0003; й = 0,0014 • Г-0,9149. (15)

Зависимость теплоемкости от температуры для второго участка при постоянном давлении, равном 0,001 МПа, аппроксимирована уравнением

Ср =0,1317 Т + 23,822. (16)

Для первого участка вычислена величина | —| =-( —) и при интегри-

\дТ)р \др)т

ровании от р0 до 0,001 МПа получена величина

=0,00831 In +0,002(р0-0,001). (17)

Откуда при р0 =0,1056 МПа М, =0,03893, МДж/(кмоль К).

На втором участке определено AS2, кДж/(кмоль К)

160,3+273,15

Д52= J -jrdT = 15,611. (18)

79,22+273,15

Или в МДж/(кмоль К) AS2 =0,015611. Сумма Д5, и ДS2 составит А5, + AS2 =0,05454.

Для третьего участка

-AS, = 0,008315b -^- + 0,0014» к. (19)

0,001 к К '

Так как в адиабатическом процессе сумма всех AS должна быть равна нулю, то - AS3 = Д5, + AS2 = 0,05454.

Подставляя это значение в уравнение (19) и решая последнее методом простых итераций, получим рк = 0,636 МПа. Строгое решение, полученное путем численного интегрирования уравнения Редлиха-Квонга, для адиабатического процесса дает рк = 0,644 МПа. При использовании уравнения состояния идеального газа получено pk = 0,692 МПа.

Принятые аппроксимации значительно упростили решение задачи нахождения конечных параметров сжатого пара.

Мощность компрессора определена как разность энтальпий на входе и выходе. На первом участке ДЯ,, МДж/кмоль

0,001

Шх= I [V-T{^]p]dP = Q'M- (20)

Удт Г

0,1056 4

На втором участке АН2, МДж/кмоль

11

433,45

АН 2 = ^СрСП" =6,128. (21)

352,37

Аналогично для третьего участка АНъ, МДж/кмоль

0,636 . , . х

АН}= | (У-Т р ф = -0,578. (22)

Полное изменение энтальпии А// равно Д# = 0,04+ 6,128-0,578 = 5,59 МДж/кмоль. При расходе паров 3260 кмоль/сут., что отвечает производительности по спирту 3000 дал/сут., изменение энтальпии составит 18,2 ГДж/сут. Мощность компрессора при адиабатическом КПД 91 % равна 20 ГДж/сут.

Выполнен эксергетический анализ двух схем работы спиртовой колонны: без использования и с использованием теплового насоса. При этом эксергия Е материального потока рассчитывалась по уравнению

£ = С?[Я-Н0 + Го(5-5о)], (23)

где Т0 и ¿о - температура и энтропия при 20 °С; С - расход потока, кмоль/сут.

Исходные значения энтальпий и энтропий получены при расчете технологической схемы, а приращение этих величин при переходе к температуре окружающей среды выполнялось вышеописанным методом, представленным на рисунке 3. Результаты приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Результаты эксергетического анализа ректификационной колонны

Входные материальные потоки

Наименование Расход, кмоль/сут. Возрастание энтальпии, АН, кДж/кмоль Энтропия. 5, кДж/(кмоль°С Энтропия при 20°С. Яо, кДж/(кмоль°С) Эксергия, Е, ГДж/сут.

Эпюрат 6215,4 5870 28,056 7,8358 33,97

Выходные материальные потоки

ГФ 2,05 7381 52,602 10,885 0,013

Спирт 555 8747 58,902 10,858 4,32

Сивушный спирт 3,342 7902 50,379 13,951 0,024

Сивушное масло 90,937 47457 137,82 7,289 4,078

Лютер 5564 5811 24,918 7,828 30,43

Входной тепловой поток

Наименование Подводимая теплота, ГДж/сут. Температура, "С Фактор Карно Эксергия, ГДж/сут.

Куб колонны 136,1 130 0,248 37,155

Выходной тепловой поток

Наименование Отводимая теплота, ГДж/сут. Температура, °С Фактор Карно Эксергия, ГДж/сут.

Дефлегматор, конденсатор 126,82 79 0,168 21,3

Эксергетические диаграммы ректификационной колонны и ректификационной колонны с компрессором приведены на рисунках 4 и 5.

ГФ

3,013 I

Ж,

21,3

эпюрат

33,97

37,16

О»

4,32

0,024

4,078

| 30,43

спирт

сивушный спирт

сивушное масло

20 N

лютер

Рисунок 4 - Эксергетическая диаграмма Рисунок 5 - Эксергетическая диаграмма ректификации, ГДж/сут. ректификации с тепловым насосом, ГДж/сут.

Таблица 3 - Результаты эксергетического анализа эксергосберегающего процесса ректификации пищевого спирта с применением теплонасосной технологии

Входные материальные потоки

Наименование Расход, кмоль/сут. Возрастание энтальпии, ДЯ, кДж/кмоль Энтропия. 5, кДж/(кмоль°С Энтропия при 20°С, 50, кДж/(кмоль°С) Эксергия, Е, ГДж/сут.

Эпюрат 6215,4 5870 28,056 7,8358 33,97

Выходные материальные потоки

ГФ 2,05 7381 52,602 10,885 0,013

Спирт 555 8747 58,902 10,858 4,32

Сивушный спирт 3,342 7902 50,379 13,951 0,024

Сивушное масло 90,937 47457 137,82 7,289 4,078

Лютер 5564 5811 24,918 7,828 30,43

Входной тепловой поток

Наименование Подводимая теплота, ГДж/сут. Температура, °С Фактор Карно Эксергия. ГДж/сут.

Куб колонны 16 130 0,248 4,368

Компрессор 20 20

Выходной тепловой поток

Наименование Отводимая теплота, ГДж/сут. Температура, "С Фактор Карно Эксергия. ГДж/сут.

Дефлегматор, конденсатор 27,56 79 0,168 4,63

Эксергетический КПД тепловых потоков т^ рассчитывался по выражению

Л,=1 -7Ь/Г.

Эксергия тепловых потоков Е(/ рассчитывалась по уравнению

Еч = ЧЛс, ■

Эксергетический КПД замкнутой балансовой поверхности определялся как отношение эксергии полученных потоков к эксергии входящих потоков и составил для схемы без теплового насоса 84,6 и для схемы с тепловым насосом 79,7. Расчеты выполнены без учета потерь эксергии. Как видно из результатов суммарная эксергия выходных потоков оказалась выше в схеме с тепловым насосом, чем суммарная эксергия выходных потоков в схеме без теплового насоса.

Далее было учтено, что, во-первых, фактически эксергия теплоты, отводимой сверху колонны, расходуется на нагревание воды, которая затем поступает на градирню, где ее эксергия падает до нуля, во-вторых, теплота лютерной воды из-за ее высокой кислотности не рекуперируется в схеме брагоректифика-ции. Приравнивая эксергию этих потоков нулю, получаем, что эксергетический КПД в схеме без теплового насоса равен Г|с, = 16,07 %, а в схеме с тепловым насосом - г|й=19,6 %. Из полученных результатов можно сделать вывод, что тепловой насос целесообразно использовать в технологической схеме ректификационной колонны.

Проведена экономическая оценка энергетических затрат. Стоимость 1 т греющего пара принята равной 280 руб., что соответствует стоимости 1 ГДж -120 руб. Стоимость греющего пара, который использовался при отсутствии теплового насоса, составляет 136,1 • 120=16332 руб. Затраты на дополнительный пар при использовании теплового насоса - 16-120=1920 руб./сут. На электроэнергию для привода компрессора затрачивается 10000 руб./сут. при цене одного ГДж, равной 500 руб. Использование теплового насоса на БРУ позволяет получить экономию энергии в стоимостном выражении, равную 16332-11920=4412 руб./сут. и снизить величину энергозатрат в стоимостном выражении на 27 %.

Учитывая, что стоимостная оценка справедлива только в рамках действующих цен представляется целесообразным выполнить эксергетический анализ. Затраты эксергии на компримирование составляют 20 ГДж/сут. Эксергия греющего пара в схеме без теплового насоса составляет 37,155 ГДж/сут., а эксергия дополнительного пара в количестве 16 ГДж/сут., который требуется подвести при работе с тепловым насосом равна 4,368 ГДж/сут. Суммарные затраты эксергии в схеме с тепловым насосом составляют 24,368 ГДж/сут. Общая экономия эксергии при использовании теплового насоса по сравнению с традиционной схемой обогрева низа спиртовой колонны греющим паром составляет 37,155-24,368=12,787 ГДж/сут., что соответствует 34,4 %. Из полученных результатов можно сделать вывод, что эксергетическая оценка качественно согласуется со стоимостной, а использование теплового насоса на спиртовой колонне представляет интерес для современного производства.

Предложенный эксергосберегающий процесс ректификации пищевого спирта с применением теплонасосной технологии позволяет получить экономию энергетических затрат в стоимостном выражении, равную 4,4 тыс. руб./сут., что составляет 1,32 млн руб./год.

Снижение энергозатрат на компримирование может быть достигнуто и за счет уменьшения необратимости процесса ректификации (рисунок 6).

3

ч

(С

7Л

\Г

Вода ГФ

Вода

Ректификованный спирт

Сивушный спирт

Сивушное т масло

. Греющий пар

1 - спиртовая колонна;

2 - дефлегматор;

3 - конденсатор;

4 - компрессор;

5 - компрессор;

6 - теплообменник;

7 - испаритель;

8 - ребойлер;

9, 10 - циркуляционный насос

Рисунок 6

Лютер

14400 14200 14000 13800 13600

Рассмотрено снижение необратимости за счет одновременного подвода теплоты в низ колонны и на одну из ее тарелок. В куб подводилось примерно половина общего количества теплоты, подводимого в колонну (рисунок 6). При этом подбиралось такое количество теплоты, которое обеспечивает заданное качество ректификованного спирта. Найдена оптимальная тарелка подачи теплоты от скомпримированных паров спирта (17-я), где суммарные затраты равны 13505 руб./сут. (рисунок 7).

1 1 -г т 1 Снижение необратимости процесса ректификации требует увеличения числа тарелок в спиртовой колонне, что не выгодно. Поэтому в заключение проведено сравнение рассматриваемого варианта с вариантом подачи теплоты конденсации всех скомпримированных паров спирта в куб колонны.

13400

16 17 18 19

Номер тарелки промежуточного подвода теплоты

Рисунок 7 - Суммарные затраты на пар и электроэнергию

Общие суммарные энергетические затраты при этом составляют 12 тыс. руб./сут. по сравнению с 13,5 тыс. руб./сут. при подаче части теплоты на 17-ю тарелку. Снижения неидеальности процесса ректификации спирта в схеме с тепловым насосом нецелесообразно.

В третьей главе с целью экспериментальной проверки использования паров спирта для обогрева куба насадочной колонны спроектирована и изготовлена стендовая ректификационная установка с колонной насадочного типа и с применением теплонасосной технологии. Изготовлена ректификационная колонна внутренним диаметром 0 50 мм, высотой 800 мм, заполненная кольцами Рашига 6x6 мм (рисунок 8). В качестве дефлегматора 4 и конденсатора 5 использованы змеевиковые теплообменники. Змеевики выполнены из медной трубки диаметром 3/8" и длиной соответственно 1 м и 210 мм. В кубовой емкости 2 предусмотрен обогрев с помощью змеевика, в котором конденсируются скомпримиро-ванные в компрессоре 7 пары спирта. Для подвода недостающей теплоты служит электроплитка 1. Для поддержания вакуума служит емкость 6. Отбор дистиллята из конденсатора производится с помощью капельницы 11. Замеры параметров производятся термометрами, мерным цилиндром, манометром, амперметром (рисунок 9). Элементы ректификационной установки приведены на рисунке 10. ' Рисунок 8 - Кольца Рашига

Для моделирования процесса ректификации в насадочной колонне использованы дифференциальные уравнения конвективной диффузии и неэквимоляр-ного переноса вещества при массопередаче между фазами.

Например, для паровой фазы эти уравнения имеют вид

дС, „ дС: „ дп\,

К^ХЧ^-УЬЬКУГ (24)

Для всех вариантов, представленных в таблицах 4 и 5, были выполнены следующие расчеты. Моделировалась насадочная колонна, заполненная насадкой из медных колец Рашига 6x6 мм.

Расчет производительности проводился с использованием графика Эдулд-жи (уравнение (25)). Коэффициенты массоотдачи рассчитывались по эмпирическим уравнениям типа (26)

г = с-р^ Ф1ФГ5; (25)

Кеусл

N11,. =0,4511с"'64 8с1/3. (26)

В таблице 4 приведены результаты моделирования периодически работающей насадочной ректификационной колонны высотой Н= 0,8 м при расходе

дистиллята 1 л/ч и флегмовом числе Я = 10, работающей под давлением Р = 1 бар, при давлении компримирования Рк = 3,5 бар, обогреве куба колонны за счет теплового насоса скомпримированными парами верха колонны и дополнительно электрическим нагревателем.

I - электроплитка; 2 - перегонный куб; 3 - насадочная колонна; 4 - дефлегматор;

5 - конденсатор; 6 - емкость; 7 - компрессор; 8 - испаритель; 9, 10 - термометр;

II - капельница; 12 - мерный цилиндр; 13-23 - краны

Рисунок 9 - Схема стендовой ректификационной установки с тепловым насосом

В качестве исходной смеси в куб был загружен бражной дистиллят. Экономия от использования теплового насоса по сравнению со случаем обогрева куба только за счет электрообогревателя составляет 1936 Вт, в то время как дополнительные затраты на компримирование равны 254,8 Вт, т.е. соотношение «Экономия / Затраты» по энергии составляет 7,6.

Соотношение «Экономия / Затраты» по эксергии равно £тн / Еы = 1,64.

По стоимостной оценке это соотношение равно / = 1,52, т.е. стоимостная и эксергетические оценки в данном случае практически совпадают.

Рисунок 10 - Элементы ректификационной установки

Таблица 4

Наименование Время процесса, ч

показателя 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5

Общее количество

теплоты.подводимое

в куб, Вт 2371 2372 2374 2376 2378 2378 2380 2382 2384

в том числе за счет

теплового насоса. Вт 1930 1931 1933 1934 1936 1937 1939 1940 1941

Мощность компрессора. Вт 254 254 254,4 254,6 254,8 254,8 255,0 255,2 255,6

Температура верха, °С 78,6 78,7 78.7 78,7 78,7 78,8 78,8 78,8 78,85

Температура низа, "С 83,2 83,3 83,5 83,6 83,8 83,9 84,1 84,3 84,5

Температура компри-мирования, °С 113,1 113,2 113,3 113,3 113,3 113,3 113,3 113,3 113,4

Качество спирта, об. %

ацетальдетид 0,645 0,179 0,048 0,013 0,0033 0,0008 0,0002 0 0

этилацетат 0,110 0,057 0,028 0,014 0,0065 0,0030 0,0013 0,006 0,0002

метанол 0,126 0,113 0,100 0,088 0,078 0,069 0,061 0,052 0,044

2-пропанол 0,0003 0,0003 0,0003 0,0003 0,0003 0,0003 0,0003 0,0003 0,0003

этанол 92,4 92,9 93,0 93.1 93,1 93,1 93,1 93,1 93,3

Куб, этанол. % об. 49,8 48,7 47,5 46,2 44,8 43,4 41,9 40,3 38,65

Количество отобранного спирта, л 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5

Аналогичные расчеты, проведенные для других вариантов работы установки, приведены в таблице 5 при времени, равном 2,5 часа.

Таблица 5

Наименование показателя Параметры процесса в момент времени 2,5 ч

Давление после компрессора Рк, бар

3,5 2,0 1,5 3,5 3,5 5,5

Общее количество теплоты, подведенной в куб, Вт в том числе за счет теплового насоса, Вт 2378 1936 2378 1936 2378 1936 2428 1996 2286 1832 1353 1337

Изменяемые параметры Я = 0,8 м; R = 10; Р = 1 бар Я= 0,8 м R = 10 Р = 0,6 бар Н= 1,6 м R = 10 Р= 1 бар Н= 0,8 м R=5 Р = 1 бар

Мощность компрессора, Вт 254,8 133,6 74,4 730 243 175

Температура верха, °С 78,7 78,7 78,8 65,7 78,6 78,8

Температура низа, °С 83,8 83,8 83,9 71,6 83,8 83,7

Температура компримирования, "С 152,5 118,7 101,4 171,0 150 153,3

Качество спирта, об. % ацетальдегид этилацетат метанол 2-пропанол этанол 0,0033 0,0065 0,078 0,0003 93,1 0,0033 0,0065 0,078 0,0003 93,1 0,0033 0,0065 0,078 0,0003 93,1 0,002 0,0048 0,080 0,0003 93,3 0,0037 0,0069 0,081 0,0003 94,9 0,013 0,013 0,067 0,0003 92,6

Куб, этанол, об. % 44,8 44,85 44,85 44,8 44,6 44,9

Количество отобранного спирта, л 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5

При снижении давления компримирования Рк с 3,5 до 1,5 бар мощность компрессора N уменьшается с 254,8 до 74,4 Вт. При этом количество теплоты, получаемое за счет использования теплового насоса, остается практически неизменным и равным 23,78 Вт. Отсюда следует вывод, что выгоднее использовать низкое давление компримирования, равное 1,5 бар. Снижение флегмового числа с 10 до 5 приводит к уменьшению мощности компрессора с 254,8 до 175 Вт, но одновременно и к уменьшению количества теплоты, получаемой за счет теплового насоса с 1936 до 1337 Вт. По общей экономии энергии снижение флегмового числа не дает никаких преимуществ, а по стоимостным показателям оказывается выгодным, т.е. при эксперименте можно использовать флегмовое число порядка 5.

Действующая лабораторная установка имеет более низкие показатели по сравнению с предсказанными при моделировании. Существенные расхождения связаны с тем, что с уменьшением производительности, а, следовательно, и размеров установки, возрастают удельные потери теплоты и гидравлические" потери в трубопроводах. Так как наружные поверхности аппаратов и труб зависят от диаметра в первой степени, а площадь поперечного сечения и, следовательно, расход - от диаметра в квадрате, промышленная брагоректификацион-ная установка производительностью 2400 дал/сут. имеет размеры в 200 раз большие, чем лабораторная. Поэтому для промышленной установки разница в результатах моделирования и фактических данных будет незначительной.

Проведена экспериментальная проверка эффективности стендовой установки с тепловым насосом. В качестве сырья использованы бражки из сахара и муки (рисунок 11).

Параметром идентификации являлась эффективность колонны. В результате идентификации установлено, что насадочная колонна соответствует 5 теоретическим тарелкам. В таблице 6 приведены количества и составы фракций (хроматографичс-ский анализ), выработанных из бражки, полученной при брожении сахарного раствора. На рисунке 12 представлено сравнение экспериментальных и расчетных данных. Достигнуто удовлетворительное согласие. Было проверено экспериментально влияет ли на качество спирта тот факт, что в схеме с тепловым насосом проводится дополнительный нагрев паров ректификованного спирта до высоких температур при их сжатии компрессором. С этой целью приготовлена исходная смесь из спирта высшей очистки с водой. Произведена ее разгонка в схеме с тепловым насосом на 6 фракций. Данные хроматографического анализа представлены в таблице 7.

бражка из сахара бражка из муки

Рисунок 11 - Внешний вид бражки

1 2 3

Номер фракции

0,45 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00

1 2 : Номер фракции

1 2

Номер фракции

Номер фракции

• - экспериментальные данные; — расчетная кривая Рисунок 12 - Концентрации компонентов в отобранных фракциях

Таблица 6 - Хроматографический анализ состава бражки, выработанной из сахара

Наименование компонента Содержание во фракциях, мг/дм3

Головная фракция (ГФ) (88 мл) 1 (215 мл) 2 (435 мл) 3 (405 мл) 4 (210 мл)

Ацетальдегид 2053,2 682,64 144,96 31,403 17,588

Фурфурол 5,2209 4,4611 - - 4,8469

Ацетоин 16,52 3,3251 - - 1,6135

Этилформиат - 21,29 9,3878 5,5475 9,7595

Этилацетат 3669,5 1074,3 205,95 101,73 82,231

Изоамил ацетат 5,1074 6,5972 4,628 3,4578 0,954

Метилкаприлат 2,0945 - - 0,2271 12,838

Метанол 75,67 19,144 13,242 13,822 6,6654

1-пропанол 29,194 0 58,651 172,81 449,59

1 -пентанол 0,4161 0,7299 0,6625 1,7629 9,622

2-пропанол 4,7379 2,7232 2,2069 1,3739 3,4318

Изобутанол 123,28 174,73 232,61 1008,9 4764,3

Изоамиловый 199,18 48,607 21,097 116,31 17756

Крепость, об.% н/о 93,3 94,26 93,63 84,4

Таблица 7 - Хроматографический анализ фракций, выработанных из спирта

Наименование компонента Содержание во фракциях, мг/дм3

Исходный 1 (215 мл) 2 (225 мл) 3 (225 мл) 4 (220 мл) 5 (230 мл)

Ацетальдегид 4,8734 8,3578 3,3917 2,0575 2,8217 6,4675

Фурфурол 1,5732 - 1,0531 - 1,4274

Этилформиат - - - 0,28082 0,38728 0,81676

Метилацетат 1,9372 - 1,8068 2,205 2,411 1,3118

Этилацетат 0,29044 - 0,33722 0,47863 - 1,1435

Метанол 1,0455 - 0,77183 0,97937 0,98152 0,93369

2-пропанол 0,60507 - 0,52339 0,75296 - -

Изобутанол 0,60697 0,53332 0,52839 0,69354 0,64715 0,7941

Изоамиловый 1,5975 0,3613 1,1759 2,2947 1,0621 10,146

Крепость, об. % 96,3 88 93,6 93,3 93,5 78,8

Сравнение количеств компонентов в исходной смеси с суммарным количеством полученных компонентов во фракциях показывает, что новообразованиями в процессе ректификации с тепловым насосом можно пренебречь.

Стандартная методика расчета насадочной колонны основана на использовании в качестве кинетического показателя высоты единицы переноса. Она приемлема при решении прямой задачи определения требуемой высоты колонны. Однако при использовании насадочных колонн в качестве элемента химико-технологической системы сложной структуры, а также при анализе экспериментальных данных, получаемых на установках периодической ректификации с насадочной колонной, приходится выполнять большой объем вычислений. В этом случае предпочтительнее использовать подробно разработанные методики расчета колонн по теоретическим ступеням.

В координатах у-х изменение концентраций на некоторой теоретической ступени приведено на рисунке 13.

На входе паров в теоретическую ступень движущая сила равна АУн ~ Ук~~ Ун - а на выходе со ступени Лук =у*п-у*к-

Если отношение движущих сил меньше двух, то средняя движущая сила процесса массопередачи на рассматриваемом участке насадочной колонны определится уравнением (27).

У к

линия равновесия

Рабочая линия

хи Х

Рисунок 13 - Теоретическая ступень на диаграмме у-х

А",-*^»^} С")

При сравнении вычисленной высоты теоретической тарелки по уравнению массопередачи и по высоте единицы переноса получено

К= (я+\Л ■ {28)

т\- +1

V « )

По соотношению (28) можно рассчитывать высоту теоретической ступени, используя эмпирические уравнения для высоты единиц переноса /?.

В четвертой главе рассмотрены экологические аспекты разработанной технологии и разработана технологическая инструкция. Показано, что использование теплового насоса позволяет практически исключить тепловые выбросы со спиртовой колонны в атмосферу, которые составляют в настоящее время порядка 150 ГДж/сут. Затраты электроэнергии на компримирование при этом полностью окупаются за счет экономии греющего пара. Затраты электроэнергии составляют 20 ГДж/сут. При использовании винтового компрессора его адиабатическая эффективность равна 75 %, т.е. в сутки тепловые выбросы составят 25 % от мощности компрессора, т.е. 5 ГДж/сут. В итоге тепловые выбросы снижены на 145 ГДж/сут.

Кафедрой технологии, машин и оборудования пищевых производств ФГБОУ ВПО «Майкопский государственный технологический университет» переданы ОАО «Майкопский машиностроительный завод»: монтажная схема спиртовой колонны с тепловым насосом; эскизы основного оборудования; ком-

прессор теплового насоса для сжатия паров спирта и ООО «Южная пищевая машиностроительная компания»: технологическая схема спиртовой колонны с тепловым насосом; технологический режим работы установки; техдокументацию на основные аппараты.

Фирмой ООО «Южная пищевая машиностроительная компания» приняты к изготовлению и реализации установки с тепловыми насосами. Экономия энергии в стоимостном выражении составляет 27 % от количества теплоты, подводимого в куб колонны. Получен экономический эффект — 400 тыс. руб.

Основные выводы и результаты

1. Научно обоснован эксергосберегающий процесс ректификации пищевого спирта с применением теплонасосной технологии.

2. Эксергетический анализ процесса получения пищевого спирта показал, что эксергетический КПД в схеме без теплового насоса равен г|е =16,07 %, а в схеме с тепловым насосом - Г),, =19,6 %, что свидетельствует о целесообразности использования теплового насоса в схеме ректификационной колонны БРУ.

3. Разработана математическая модель компримирования неидеальных паровых спиртовых смесей в винтовом компрессоре и методика расчета термодинамических свойств паров ректификационной колонны, необходимых для расчета эксергии материальных потоков и компримирования.

4. Снижение неидеальности процесса ректификации спирта в схеме с тепловым насосом нецелесообразно.

5. На стендовой ректификационной установке с тепловым насосом экспериментально проверена эффективность использования паров спирта для обогрева куба насадочной колонны.

6. Экспериментально установлено, что нагревание паров спирта в компрессоре до высоких температур практически не сказывается на его качестве.

7. Разработана математическая модель насадочной колонны периодического действия и обоснованы уравнения для расчета высоты теоретической ступени насадки.

8. Стоимостная и эксергетическая оценка использования теплового насоса при получении пищевого спирта обеспечивает экономию энергии в стоимостном выражении 1,32 млн руб./год.

9. Рассмотрены экологические аспекты разработанной технологии и разработана технологическая инструкция. Фирмой ООО «Южная пищевая машиностроительная компания» приняты к изготовлению и реализации установки с тепловыми насосами. Экономия энергии в стоимостном выражении составляет 27 % от количества теплоты, подводимого в куб колонны. Получен экономический эффект - 400 тыс. руб.

Условные обозначения

р - плотность, кг/м3; ч> - скорость, м/с; / - поперечное сечение канала, м2; х - время; Р, р - давление, МПа; Г - температура, "С, К; Л- работа, Дж; т - масса, тангенс угла наклона; V - объем, м3; £?,<?- количество теплоты, Дж: V - внутренняя энергия, Дж; 5 - энтропия, Дж/К; Я - энтальпия, Дж, и высота колонны, м; Ср - мольная теплоемкость паров ректификованного спирта, кДж/кмоль; Л', - поток переносимого за счет массопередачи компонента,

кмоль/(м2с): С, j, - концентрация /-го компонента в паровой фазе, кмоль/м3; - скорость парового потока, м/с; S - общее поперечное сечение цилиндрической части колонны, м2; а - удельная поверхность насадки, м2/м3; у,, у, , - рабочая и равновесная концентрации /-го компонента в паровой фазе, моль/моль; у, - средняя концентрация в пограничном слое, моль/моль; х - концентрация компонента в жидкой фазе, моль/моль; Kf ■ - коэффициенты

массопередачи в бинарных смесях, отнесенные к концентрации в паровой фазе, кмоль/(м2-с); Nc - суммарный поток, кмоль/(м2 с); критерии: Frr - Фруда: Nur - Нуссельта; ReycjI - условный Рейнольдса; Rer - Рейнольдса; Sc - Шмидта; /г^ - высота насадки, эквивалентная одной теоретической ступени; h - высота единицы переноса; R - флегмовое число; индексы: g - паровой поток; w - куб колонны; 5 - насыщение; о. н - начальное состояние; k - конечное состояние; ид - состояние идеального газа; р - при постоянном давлении; Т - при постоянной температуре; i - номер компонента: г - газовая фаза: ж - жидкая фаза: * - равновесное значение.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Емтыль, З.К. Сборник задач по расчету и конструированию машин и аппаратов пищевых производств. Учебное пособие для вузов [Текст] / З.К. Емтыль. С.С. Мариненко. - Майкоп: Глобус, 2013. - 98 с.

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК Мннобрнауки РФ

2. Мариненко, С.С. Методы расчета процесса сжатия паров спирта при использовании в схеме БРУ теплового насоса [Текст] / С.С. Мариненко, О.В. Мариненко, E.H. Константинов, Т.Г. Короткова // Известия вузов. Пищевая технология, 2011. -№ 2-3. - С.76-78.

3. Короткова, Т.Г. Стоимостная и эксергетическая оценка использования тепловых насосов при брагоректификации с выпариванием барды [Текст] / Т.Г. Короткова, J1.M. Левашова, С.С. Мариненко, E.H. Константинов // Известия вузов. Пищевая технология, 2011. -№ 4. - С.86-88.

4. Короткова, Т.Г. Моделирование процесса компримирования паров ректификованного спирта в схеме спиртовой колонны с тепловым насосом [Текст] / Т.Г. Короткова. E.H. Константинов E.H.. С.С. Мариненко, О.В. Мариненко // Вестник ВГУИТ, 2012. -№ 1.-C.33-36.

5. Мариненко, С.С. Разработка лабораторной ректификационной установки периодического действия с тепловым насосом {Текст] / С.С. Мариненко, C.B. Черепов. Х.Р. Сиюхов, Т.А. Устюжанинова, Т.Г. Короткова // Известия вузов. Пищевая технология, 2013. - № 2-3. - С. 121 -122.

6. Сиюхов, Х.Р. Технологические и эксергетические показатели периодической ректификации спирта с тепловым насосом [Текст] / Х.Р. Сиюхов, С.С. Мариненко, В.В. Энговатова // Известия вузов. Пищевая технология, 2013. - № 2-3. -С.96-100.

7. Мариненко, С.С. Снижение энергозатрат брагоректификационной установки за счет уменьшения необратимости процесса в спиртовой колонне [Текст] / С.С. Мариненко, Х.Р. Сиюхов, Т.Г. Короткова, НЛО. Истошина // Известия вузов. Пищевая технология, 2013. -X» 4 - С.96-98.

Патенты РФ на полезные модели

8. Патент РФ на полезную модель № 124887 Ресурсосберегающая установка непрерывного действия для получения из бражки этилового ректификованного

спирта, дробины и сгущенной барды / Т.Г. Короткова, E.H. Константинов, С.С. Мариненко по заявке № 2012122052 от 28.05.2012 Опубл. 20.02.2013 г. Бюл. № 5.

9. Патент РФ на полезную модель № 128830 Ресурсосберегающая установка непрерывного действия для получения из бражки этилового ректификованного спирта, дробины и сгущенной барды / Т.Г. Короткова, С.С. Мариненко, Н.В. Со-лонникова, E.H. Константинов по заявке № 2013108157 от 22.02.2013 Опубл. 10.06.2013 г. Бюл. №16.

10. Патент РФ на полезную модель № 129014 Эксергосберегающая установка для получения из бражки этилового ректификованного спирта и кормовой сухой барды / Х.Р. Сиюхов. С.С. Мариненко, С.Ю. Ксандопуло, Т.Г. Короткова по заявке № 2013108158 от 22.02.2013 Опубл. 20.06.2013 г. Бюл. № 17.

Материалы конференций

11. Константинов, E.H. Эксергетическая оценка паров спиртовой колонны с целью снижения затрат при использовании теплового насоса [Текст] / E.H. Константинов, Т.Г. Короткова, С.С. Мариненко // Матер, межд. научно-технич. интер-нет-конф. («ЭПАХПП-2011») / Воронеж, гос. технол. акад. - Воронеж: ВГТА, 2011.-С. 211-214.

12. Мариненко, С.С. Оптимальная система энергетических потоков взаимосвязанных технологических подсистем разваривания, брагоректификации и выпаривания барды [Текст] / С.С. Мариненко, Т.Г. Короткова, Х.Р. Сиюхов, E.H. Константинов // Матер. Всерос. научно-практич. конф. аспирантов, докторантов и молодых ученых. - Майкоп: МГТУ, 2011. - С. 173-176.

13. Мариненко, С.С. Анализ способов снижения энергозатрат при производстве высококачественного пищевого спирта [Текст] / С.С. Мариненко, Х.Р. Сиюхов, Т.Г. Короткова, E.H. Константинов // Матер. I межд. научно-практич. конф. «Инновационные технологии в пищевой и перерабатывающей промышленности». - Краснодар: КубГТУ, 2012. - С. 55-57.

14. Мариненко, С.С. Специфика моделирования абсорберов насадочного типа с использованием концепции теоретической ступени [Текст] / С.С. Мариненко, Х.Р. Сиюхов // Матер, научно-практич. конф. аспирантов, докторантов и молодых ученых. - Майкоп: МГТУ, 2013. - С. 24-30.

МАРИНЕНКО Станислав Сергеевич

НАУЧНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭКСЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕГО ПРОЦЕССА РЕКТИФИКАЦИИ ПИЩЕВОГО СПИРТА С ПРИМЕНЕНИЕМ ТЕПЛОНАСОСНОЙ ТЕХНОЛОГИИ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 20.09.2013. Бумага офсетная. Гарнитура Тайме. Формат бумаги 60x84/16. Печать цифровая. Усл. п. л. 1,0. Тираж 120. Заказ 0105.

Отпечатано с готового оригинал-макета на участке оперативной полиграфии ИП Магарин О.Г. 385008, г. Майкоп, ул. 12 Марта, 146. Тел. 8-906-438-28-07. E-mail: olemag@yandex.ni

ФГБОУ ВПО «Майкопский государственный технологический университет»

(ФГБОУ ВПО «МГТУ»)

На правах рукописи

т. -зги ij.il о /. 1

МАРИНЕНКО Станислав Сергеевич

НАУЧНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭКСЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕГО ПРОЦЕССА РЕКТИФИКАЦИИ ПИЩЕВОГО СПИРТА С ПРИМЕНЕНИЕМ ТЕПЛОНАСОСНОЙ ТЕХНОЛОГИИ

05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых производств

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Х.Р. Сиюхов

Майкоп - 2013

Содержание

ВВЕДЕНИЕ...........................................................................................................5

ГЛАВА 1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР..................................................7

1.1 Сырье для производства этанола...............................................7

1.2 Энергосбережение при брагоректификации............................10

1.3 Перспективы применения теплонасосных технологий.......... 13

1.4 Эксергетический метод анализа................................................17

1.5 Компрессор, используемый при повышении эксергии потока.......................................................................................... 19

1.6 Математическое моделирование процесса компримирования паров этилового спирта..............................................................25

1.7 Моделирование насадочной колонны.......................................26

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ...............................................................29

ГЛАВА 2 ЭКСЕРГЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ И МОДЕЛИРОВАНИЕ

ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ ПИЩЕВОГО СПИРТА.....................30

2.1 Эксергетический анализ установки получения пищевого спирта...........................................................................................30

2.2 Разработка математической модели компримирования неидеальных паровых спиртовых смесей, в том числе азеотропного состава..................................................................34

2.3 Разработка методики расчета термодинамических свойств паров ректификационной колонны...........................................41

2.4 Анализ снижения неидеальности (необратимости) процесса ректификации............................................................................. 57

ГЛАВА 3 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА

ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПАРОВ СПИРТА В ТЕПЛОВОМ

НАСОСЕ НАСАДОЧНОЙ КОЛОННЫ..........................................62

3.1 Разработка и изготовление стендовой ректификационной установки с тепловым насосом с целью экспериментальной

проверки эффективности использования паров спирта для обогрева куба насадочной колонны..........................................62

3.2 Разработка математической модели насадочной колонны периодического действия...........................................................75

3.3 Теоретическая и экспериментальная проверка эффективности стендовой установки с тепловым насосом .... 86

3.3 Обоснование уравнений для расчета высоты теоретической

ступени насадки..........................................................................91

ГЛАВА 4 ВНЕДРЕНИЕ И ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ

ПРОИЗВОДСТВА СПИРТА ЭТИЛОВОГО

РЕКТИФИКОВАННОГО С ПРИМЕНЕНИЕМ

ТЕПЛОНАСОСНОЙ ТЕХНОЛОГИИ....................................... 96

4.1 Экологические аспекты разработанной технологии...............96

4.2 Результаты внедрения и технико-экономические показатели промышленной и стендовой лабораторной установок.................................................................................... 98

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ........................................................99

ЛИТЕРАТУРА............................................................................ 100

ПРИЛОЖЕНИЕ А - Хроматограммы разгонки бражки, выработанной

из сахара (опыт 1)............................................................111

ПРИЛОЖЕНИЕ Б - Хроматограммы разгонки бражки, выработанной из

муки (опыт 1)...................................................................114

ПРИЛОЖЕНИЕ В - Хроматограммы разгонки бражки, выработанной из

муки (опыт 2)...................................................................117

ПРИЛОЖЕНИЕ Г - Хроматограммы разгонки бражки, выработанной из

сахара (опыт 2).................................................................121

ПРИЛОЖЕНИЕ Д - Хроматограммы разгонки ректификованного спирта . 126 ПРИЛОЖЕНИЕ Е - АКТ ПЕРЕДАЧИ опытного образца спиртовой

установки ректификации спирта с тепловым насосом 132

ПРИЛОЖЕНИЕ Ж - АКТ ПЕРЕДАЧИ ОАО «Майкопский

машиностроительный завод».........................................133

ПРИЛОЖЕНИЕ И - АКТ ПЕРЕДАЧИ ООО «Южная пищевая

машиностроительная компания»...................................134

ПРИЛОЖЕНИЕ К - АКТ ВНЕДРЕНИЯ ООО «Южная пищевая

машиностроительная компания»...................................135

ПРИЛОЖЕНИЕ Л - Технологическая инструкция.........................................136

ВВЕДЕНИЕ

На большинстве брагоректификационных установок (БРУ) Российской Федерации вырабатывается ректификованный спирт высокого качества. Содержание альдегидов и сивушного масла в нем меньше, чем предусмотрено ГОСТ Р 51652-2000. Это достигается за счет жесткой гидроселекции при эпюрации и повышения отборов фракций сивушного спирта и сивушного масла, а также за счет поддержания высоких флегмовых чисел, что связано с повышенными энергозатратами.

На зарубежных спиртзаводах с целью снижения энергозатрат используют работу колонн под вакуумом и их обогрев парами верха ректификационной колонны. При таких вариантах решения проблемы энергосбережения не удается обеспечить качество спирта, характерное для отечественных БРУ. Это связано с тем, что применение обогрева бражной и эпюрационной колонн, работающих под вакуумом, парами спиртовой колонны жестко связывает технологические режимы работы этих колонн и требует очень четкой автоматизации процесса. Одним из методов разработки мероприятий по энергосберегающему процессу ректификации спирта является эксергетиче-ский анализ схем производства ректификованного спирта, который позволяет выявить узкие места технологических схем и оценить эффективность энергосберегающих предложений.

Эффективным путем снижения удельных энергетических затрат является применение теплонасосной технологии, направленной на использование потоков с высокой эксергией. Эксергетический анализ базируется на предварительном определении технологического режима схемы, составлении материальных и тепловых балансов. Как правило, при эксергетическом анализе выделяется замкнутая балансовая поверхность, а после его проведения разрабатываются технические мероприятия по реализации схемы с пониженным энергопотреблением.

В настоящей работе выполнен эксергетический анализ действующей ректификационной колонны, а также колонны, оснащенной винтовым компрессором, что позволяет организовать процесс ректификации, совмещенный с тепловым насосом.

В связи с этим возникла задача проверки теоретических решений и разработки и изготовления периодически работающей стендовой ректификационной установки с колонной насадочного типа, оснащенной для реализации теплового насоса компрессором, использующего в качестве рабочего агента ректификованный спирт азеотропного состава. Математическая модель действующей и экспериментальной установки ректификации с тепловым насосом требует детальной разработки и экспериментальной проверки.

Ряд общей теории процессов компримирования неидеальных смесей, расчета высоты теоретической ступени колонны, снабженной кольцами Ра-шига, требуют дальнейшей доработки.

В связи с изложенным, научное обеспечение эксергосберегающего процесса ректификации пищевого спирта с применением теплонасосной технологии является актуальным.

1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

Приведен обзор источников, имеющих отношение к достижению в поставленной работе цели, и оценена целесообразность использования полученных в них результатов. Рассмотрены работы по существующим методикам расчета эксергии систем и моделирования их элементов и процессов. Сформулированы основные задачи исследования.

1.1 Сырье для производства этанола

Развивающимся направлением научных исследований в спиртовой промышленности является производство этилового спирта из традиционных видов зернового сырья по новым технологиям, обеспечивающим повышение эффективности процессов на всех этапах с одновременным повышением качественных характеристик спирта [28]. Предлагается использовать аппараты роторно-пульсационного типа на стадии подготовки сырья, в которых эффективность переработки сырья достигается за счет одновременного протекания процессов доизмельчения помола зерна, растворения и гидролиза крахмала. Эти аппараты предлагаются к использованию в схемах переработки зерна по «мягким» режимам водно-тепловой обработки, которые находят все большее промышленное применение. В основе предлагаемой технологии исключена стадия дробления зерна.

Для повышения выхода спирта из зерна ржи, учитывая особенности ее химического состава, предлагается для обеспечения протеолитического и ци-толитического расщепления применение ферментных препаратов, источников протеазы и целлюлазы, независимо от схемы переработки зерна. Экспериментально установлено, что разрушение белково-углеводного комплекса позволяет увеличить коэффициент использования зернового сырья, приводит к снижению вязкости перерабатываемой массы и улучшению ее технологичности [31].

В качестве альтернативного самого дешевого сырья, по отношению к традиционному зерновому, рассматривается топинамбур. Конечными продуктами комплексной переработки топинамбура будут спирт, хлебопекарные дрожжи и пектиновые вещества. Последние являются вредными составляющими сырья - потенциальными источниками образования метанола. Их вывод из основного технологического процесса в виде нерастворимого протопектина позволит повысить качественные характеристики этанола [49].

Нормируемые физико-химические показатели в ректификованном спирте включают определение токсичных микропримесей, соответствующих группам соединений: альдегидам, эфирам, сивушному маслу и кислотам [22]. Однако физико-химический анализ не может заменить органолептической оценки, которую дают органы чувств. Ректификация спирта не может полностью удалить растворимые микропримеси с массой 100-200 Дальтон. В этиловом спирте из пищевого сырья всегда имеются следовые количества триптофана, тирозина и финилаланина. Концентрация этих аминокислот в спиртах сортов высшей очистки, Экстра и Люкс не превышает 10"8-10"7 моль/дм3

л

(1-10 мкг/дм ). Для измерения таких концентраций предложены люминесцентные методы. Экспериментально исследован состав и содержание следовых количеств органических микропримесей белкового происхождения в ректификованных пищевых спиртах и проведено сопоставление полученных результатов с дегустационной оценкой образца спирта. Предложен способ оценки органолептических показателей пищевых ректификованных спиртов оптико-физическим методом люминесцентного спектрального анализа [1].

В работе [88] предложена модификация балльной оценки органолептических свойств этилового спирта из пищевого сырья, учитывающая ряд вку-со- и ароматообразующих критериев. Органолептические показатели этилового спирта оценивают по 10-балльной системе [23]. Предложено оценивать запах этилового спирта по 5 критериям: спиртовому — запаху чистого этанола; резкому - запаху, обусловленному присутствием в изделии химических веществ, относящихся к группе альдегидов, интенсивно ощущаемому при

легком вдыхании; пыльному (бумажному) - тону, напоминающему запах пыли или бумаги; фруктовому - тону, обусловленному эфирными соединениями и напоминающему аромат различных фруктов, ягод и т.д.; нехарактерному специфическому - различным тонам, напоминающим запахи резины, пластмассы, горелой карамели т.п. Вкус этилового спирта - по 7 критериям: сладости (эталоном служат водные растворы сахарозы); жгучести — ощущение покалывания, жжения на кончике и по краям языка; горечи (эталоном служат растворы хинина, кофеина, солей магния); мягкости - ощущение легкости и плавности растекания продукта по внутренней поверхности ротовой полости; тяжести - чувства нежелания дальнейшей дегустации продукта; терпкости - чувству сухости во рту; вкусности - комплексному впечатлению вкуса при распределении продукта в полости рта и после его глотка. Для определения долевого участия каждого критерия в формировании единичного показателя этилового спирта разработана форма опросного листа в виде анкеты с простановкой каждому критерию соответствующего ранга. Общий балл максимальных оценок цвета, запаха и вкуса не противоречит действующему стандарту [88].

В связи с усилением в спиртовой промышленности тенденций перехода на ресурсосберегающие технологии, повышающие эффективность спиртового производства среди прогрессивных направлений рассмотрено использование новой зерновой культуры - голозерного овса, который характеризуется высоким содержанием крахмала, азотистых веществ и экстрактивностыо. Экспериментальные данные по развариванию, брожению и выходу этилового спирта показали, что использование голозерного овса повышает экономическую эффективность спиртового производства [89, 90].

Возможности улучшения качества ректификованного спирта, производимого по традиционной технологии [37, 79, 84, 85] снижение энергозатрат на его производство за счет улучшения качества используемого сырья в настоящее время практически исчерпаны, и требуется разработка энергосберегающих технологических схем.

1.2 Энергосбережение при брагоректификации

Затраты энергии на производство пищевого ректификованного спирта являются определяющей статьей в структуре его себестоимости. Снижение этих затрат связано со схемой теплопотребления и использования тепловой энергии на основных стадиях процесса (рисунок 1.1) [30, 55, 68, 78].

Теплая вода Помол зерна

этиловый

Рисунок 1.1- Теплопотребление и отвод тепловой энергии в спиртовом производстве на 1000 дал спирта на основных стадиях процесса

В частности увеличение расхода воды на приготовление замеса имеет следствием перерасход тепловой энергии, как при тепловой обработке, так и в процессе брагоректификации. Повышение концентрации замеса экономит тепловую энергию. Гидродинамическая ферментативная обработка замеса приводит к заметной экономии энергоресурсов, так как снижает температуры до100-105 °С на стадии тепловой обработки по сравнению со 140-150 °С при

жестком разваривании. Достигается сокращение расхода теплоты на 20-30 %. Большинство этих рекомендаций использовано в настоящей работе.

Предлагается использовать вторичное тепло: дефлегматорной воды, лю-терной воды и барды [68].

Барда из колонны направляется в испаритель пароинжекционной установки 3, находящейся под вакуумом (рисунок 1.2) [68]. Образовавшийся пар отсасывается инжекторами 4, компримируется и поступает в выносной кипятильник 2. В зависимости от создаваемого вакуума в испарителе барду возможно охладить до 70-80 °С, что дает экономию 2,5-3,6 ГКал тепловой энергии на 1000 дал спирта. Использование пароинжекционной установки и выносного кипятильника исключает подачу загрязненного пара в колонну и не ухудшает качества спирта. Тепло лютерной воды предлагается использовать для подогрева бражки перед поступлением ее в бражную колонну. Для этого устанавливается теплообменник типа труба в трубе, где бражка протекает по внутренней трубе, а лютерная вода - между трубами.

Пар

Рисунок 1.2 - Схема использования теплоты барды для обогрева бражной колонны

В работе [69] проведен анализ повышения качества спирта и одновременно уменьшения энергозатрат на его производство. Для сохранения конкурентоспособности спиртовой продукции необходимо повышать ее качество, которое зависит от качества пищевого ректификованного спирта и определя-

ется отсутствием примесей, ухудшающих его вкус и вредных для здоровья человека. Одним из способов уменьшения примесей является увеличение их отбора с побочными продуктами брагоректификации: эфиро-альдегидной фракцией, сивушным спиртом и сивушным маслом. При этом выводится около 15 % спирта. Поэтому на БРУ приходится использовать дополнительные колонны, предназначенные для концентрирования примесей и вывода их из схемы брагоректификации. Подчеркивается, что предложения некоторых фирм по установке «супер-колонн», концентрирующих различные группы примесей в одной колонне, противоречит основам ректификации [17, 21, 84, 85, 92, 93]. Невозможно, например, в одной колонне сконцентрировать метанол и изопропиловый спирт. Наличие дополнительных колонн приводит с одной стороны к повышению качества и выхода ректификованного спирта, а с другой - к увеличению расхода греющего пара. Повышение качества спирта без увеличения энергозатрат может быть достигнуто за счет применения современных энергосберегающих технологий, за счет повторного использования тепла, т.е. применения рекуперации. Часть колонн работает под разряжением, а часть при атмосферном или повышенном давлении. Появляется возможность парами одних колонн обогревать другие колонны. Отмечается, что при работе БРУ с использованием рекуперации теплоты одновременно повышается качество спирта, так как оптимальные давления в колоннах предотвращают новообразование примесей и создают наиболее благоприятные условия для очистки спирта. Во всем мире для реального сн