автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Разработка энергосберегающего процесса получения ароматного спирта с использованием теплового насоса

На правах рукописи

00505153» Д / „

о^н

Чернопятова Светлана Александровна

РАЗРАБОТКА ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕГО ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ АРОМАТНОГО СПИРТА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕПЛОВОГО НАСОСА

Специальность 05.18.12 — Процессы и аппараты пищевых производств

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

4 АПР 2013

Воронеж 2013

005051539

Работа выполнена на кафедре «Машины и аппараты пищевых производств» ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий».

Научный руководитель - [ Добромпров Владимир Евгеньевич

заслуженный работник высшей школы РФ, кандидат технических наук, профессор

Официальные оппоненты:- Агафонов Геннадий Вячеславович

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой (ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий»)

- Никитина Светлана Юрьевна

кандидат технических наук, генеральный директор ООО «НТЦ «Этанол»

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Воронежский

государственный аграрный университет имени Петра I»

Защита диссертации состоится «7» марта 2013 года в 12 часов 00 минут на заседании совета по защите докторских и кандидатских 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 адргсу: 394036, г. Воронеж, проспект Революции, 19, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ БПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий».

Автореферат размещен на сайте ЬИр:/Аулууу:vak2.ed.gov.vrn.ru и на официальном сайте ФГБОУ ВПО «ВГУИТ» www.vsuet.ru.

Автореферат разослан «6» февраля 2013 г.

Ученый секретарь совета по защите диссертаций

на соискание ученой степени кандидата наук,

на соискание ученой степени доктора наук

Д 212.035.01, | /

доктор технических наук, профессор ^алашннков Г.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Ликероводочные изделия представляют собой смеси различных морсов, настоев, ароматных спиртов, эфирных масел, сахарного сиропа, лимонной кислоты и других пищевых продуктов, а также спирта и воды. Для производства ликероводочных изделий используется широкий ассортимент растительного сырья, которое вносит в изделия ценные и биологически активные вещества, обладающие целебным, тонизирующим, успокоительным и др. действиями.

Ароматный спирт представляет собой ректификованный этиловый спирт крепостью 75 % ...80 %, с примесью ароматических веществ.

Стадии получения ароматного спирта: выделение целевых компонентов из пряного и эфиромасличного сырья экстракцией с последующим разделением полученной смеси ректификацией, которая является заключительной технологической стадией производства, определяющей качество продукта.

Проведенный анализ современного состояния теории, техники и технологии получения ароматного спирта показал, что применяемые способы экстракции и ректификации имеют существенные ограничения не только по продолжительности процесса и качественным показателям готового продукта, но и по энергозатратам.

Основными недостатками существующих методов получения экстрактов из пряного из эфиромасличного сырья является сложность, длительность проведения процесса, потеря значительного комплекса ценных веществ, дорогостоящее оборудование. Одним из известных физических факторов, позволяющих интенсифицировать процесс экстрагирования, является ультразвуковое экстрагирование - высокоэффективный, экономически выгодный, высокопроизводительный, экологически чистый технологический процесс. При использовании ультразвука наблюдается значительное ускорение производственного процесса и увеличение выхода основного продукта по сравнению с другими способами экстрагирования.

Вопросу применения ультразвука в процессах экстрагирования посвящен ряд научных работ таких ученых, как П.М. Макаренко, Г.К. Гончаренко, И.А. Муравьева, Г.И. Молчанова и др.

На стадии ректификации расходуется значительное количество тепловой энергии, поэтому рациональное аппаратурное оформление процесса и снижение затрат энергии является актуальной задачей.

Одним из эффективных способов, позволяющих повысить энергоэффективность установок, является использование теплоты конденсации спиртовых паров для обогрева куба колонны, которой, однако, недостаточно для испарения водно-спиртовой смеси. Поэтому для обеспечения необходимой температуры можно применить схему ректификации с тепловым насосом. Исходя из этого, оценка эффективности использования принципа теплового насоса в процессе ректификации представляет определенный интерес и имеет большое практическое значение.

Процесс ректификации исследовали такие ученые, как С.В. Востриков, С.П. Колосков, С.А. Коновалов, В.Н. Стабников, Н.С. Терновский, П.С. Цыганков, С.Е. Харин, В.Л. Яровенко, Е.М. Константинов, Е.П. Кошевой, А. Гурак, В.Г. Айнштейн и др.

Таким образом, использование в процессе получения ароматного спирта методом ректификации с применением теплового насоса экстрагирования в поле ультразвуковых колебаний обеспечивает не только интенсивное извлечение целевых компонентов, но и сокращение продолжительности проведения процесса, что позволяет значительно повысить его эффективность.

Работа выполнена в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России» на 2007 - 2013 годы (государственный контракт № 16.516.11.6028 от 21.04.11 г. «Проведение проблемно-ориентированных поисковых исследований в области создания эффективных систем энергообеспечения с использованием тепловых насосов»).

Цель и задачи диссертационной работы. Целью диссертационной работы является научное обеспечение повышения эффективности процесса получения ароматного спирта за счет использования принципа теплового насоса при ректификации и ультразвука при экстракции, определение рациональных технологических режимов, обеспечивающих экономию теплоэнергетических ресурсов, повышение качества готовой продукции и раз-

работка инновационных технологических и конструкторских решений при практической реализации процесса.

На основании проведенного литературного и патентного анализа в соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

— изучение свойств мяты перечной и древесной зелени сосны обыкновенной, как объектов исследования; систематизация полученных данных и выработка рекомендаций по их обработке и использованию при производстве ароматного спирта;

- исследование кинетических закономерностей процессов экстракции и ректификации при получении ароматного спирта с использованием теплового насоса;

— исследование показателей качества экстракта и ароматного спирта;

— разработка и реализация способа использования вторичной теплоты по замкнутому циклу;

— разработка математического описания функционирования установки при получении ароматного спирта с использованием теплового насоса и проведение технико-экономической оптимизации системы;

- разработка и изготовление пилотной установки с целью получения ароматного спирта с использованием теплового насоса;

— исследование показателей работы пилотной установки и определение рациональных технологических параметров процесса получения ароматного спирта;

- разработка программы для автоматического расчета параметров теплонасосной установки и выбора оптимального режима ее работы;

- термодинамическая оценка экспериментальной установки в виде ее эксергетического анализа;

- оценка экономической целесообразности использования теплового насоса в процессе ректификации ароматного спирта.

Научная новизна. Установлены кинетические закономерности процесса экстракции с применением ультразвука. Определены основные параметры качества экстрактов из древесной зелени сосны обыкновенной и мяты перечной, полученных с применением

ультразвука и использованием анализатора запахов «МАГ-8» с методологии «Электронный нос».

Выявлены кинетические закономерности проведения процесса ректификации при получении ароматного спирта.

Разработано математическое описание режимов работы установки при получении ароматного спирта с использовшием теплового насоса, позволяющей оценить технологические и энергетические параметры, а также проведена технико-экономическая оптимизация системы.

На основе полного факторного эксперимента на пилотной установке определены рациональные режимы работы ректификационной колонны с использованием теплового насоса при получении ароматного спирта.

Разработан прикладной программный продукт с использованием средств Visual Studio и языка программирования Visual Basic, предназначенный для автоматического выбора оптимального режима работы тегагонасосной установки.

Практическая значимость работы. На основании комплекса исследований, проведенных в лабораторных и производственных условиях, разработан новый способ получения ароматного спирта с использованием ультразвука и принципа теплового насоса.

Проведена термодинамическая оценка эффективности процесса получения ароматного спирта на основе эксергетзческого анализа.

Новизна технических решений подтверждена положительным решением о выдачи патента РФ по заявке № 2011 35122 и патентом РФ на полезную модель № 117151.

Апробация работы. Основные результаты исследований по теме диссертации опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК РФ: Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий (Воронеж, 2012); Вестник Воршежского государственного технического университета (Воронек, 2012); Финансы экономика стратегия (Воронеж, 2011). В журнгле Успехи современного естествознания (Москва, 2012). Результаты исследований доложены и обсуждены на научных конфер;нциях в Воронежском государственном университете инженерньх технологий (с 2009 по 2012 гг.).

Результаты работы экспонировались на Всероссийских и Межрегиональных специализированных выставках, форумах, конгрессах, ярмарках: V Воронежский промышленный форум 2012 г.; III, VII Воронежские агропромышленные форумы 2010 -2011 т.; Межрегиональный конгресс АГРОПРОМ - 2010.

Результаты работы используются в учебном процессе при выполнении лабораторных работ в виде методических указаний по работе на образце лабораторной теплонасосной установки и апробированы в производственных условиях ООО «Аннинский спиртзавод», ОАО «Ликеро-водочный завод «ВИСАНТ», ОАО «Песчанское».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 1 патент на полезную модель РФ и одно положительное решение на выдачу патента РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и результатов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 202 страницах машинописного текста, содержит 90 рисунков и 18 таблиц. Список литературы включает 114 наименований. Приложения к диссертации представлены на 32 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы и определены основные направления исследований.

В первой главе приведен анализ общей характеристики сырья, используемого для получения ароматного спирта, представлен обзор литературных и патентных данных по современному состоянию техники и технологии процесса его получения. Рассмотрены теоретические вопросы процессов извлечения целевых компонентов и ректификации, их особенности при получении ароматного спирта.

На основании представленного информационного материала сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

Во второй главе исследован процесс извлечения целевых компонентов из мяты перечной и древесной зелени сосны обыкновенной экстракцией на ультразвуковой лабораторной установке (рис. 1) с предварительно подобранной частотой излучателя

22 ± 1,65 кГц и интенсивностью не более 5,3 ± 0,4 Вт/см2 в течение 20 минут, в результате чего выявлены кинетические закономерности процесса экстракции (рис. 2 и 3).

я

Т--------

Рис. 1. Экспериментальная установка для ультразвуковой экстракции: 1 — экстрактор, 2 — съемная крышка, 3 — цилиндрическая ячейка,4—днище, 5 - перемешивающее устройство, 6—концентратор механических колебаний, 8 - пьезоэлектрический излучатель, 9-трансформатор скорости, 10 -пьезокерамические элементы, 11 - кольцо, 12 - токоподводящие пластины, 13—шпилька, 14—диски, 15—фланец, 16-генератор ультразвуковых колебаний, 17-блокупраш1ення, 18-электромагнитный расходомер-счетчик жидкости, 19-измеритель температуры, 20 - таймер, 21 - датчик температуры, 22 - холодильник, 23 - змеевик, 24 - мерная колба для конденсата, 25,26 - трубопроводы, 27 — кинометр, 28 — патрубок для отбора проб, 29 - расходомер, 30 - насос, 31 - накопительная емкость дтя экстрагента, 32 - встроенный нагревательный элемент, 33 - регулятор температуры, 34-36 - краны

Из рис. 2 видно, что с увеличением концентрации этанола скорость экстракции увеличивается, т.к. наряду с водорастворимыми веществами начинают извлекаться липидные компоненты. При использовании 70 %-го этилового спирта извлекаются как жиро- так и водорастворимые компоненты. При дальнейшем увеличении концентрации спирта до 80 % выход экстрактивных веществ не изменяется, т.к. более концентрированный спирт экстрагирует в основном липидные компоненты, а водорастворимые компоненты в раствор не переходят.

лхг — —

—

_ _

-

1

- - £ ¿5 % -

-И Ю% 60% ~7й~% —

30 о ю

Врекя, —

б)

. Зависимость выхода экстрактивных веществ мяты перечной I и древесной зелени сосны обыкновенной (б) от времени экстракции при различной концентрации экстрагента

Рис. 3. Зависимость выхода экстрактивных веществ мяты перечной (а) и древесной зелени сосны обыкновенной (б) при различной температуре экстрагента

Как видно из рис. 3 увеличение температуры способствует извлечению целевых компонентов из продукта. Это связано с тем, что согласно кинетической теории повышение температуры ведет к увеличению скорости движения частиц растворенного вещества, к уменьшению вязкости растворителя, что в результате способствующее возрастанию скорости диффузии. Однако преодоление диапазона температур 55...60 °С и дальнейшее повышение до температуры кипения спирта 78 °С ведет к декструкции веществ, обладающих дубящими свойствами, что значительно ухудшает качественные показатели получаемых экстрактов. Поэтому при анализе температурного режима экстракции в диапазоне температур от 40 °С до 78 °С установлен максимальный выход экстрактивных веществ при температуре 60 °С.

Изучение аромата полученных экстрактов, их сравнительный анализ были проведены на анализаторе запахов «МАГ-8» с методологией «Электронный нос».

Гц

Про&а 1 - Стандарт

/ \ . .; СМ- 4. о

Проба 3 —Экстракт маты. н у. Проба 2 - Экстракт хвои, н у.

Гц ^--'"■¡г—. ГЦ __ А " о

Прова 5 —Экстракт мяты. УЗ Проба 4 - Экстракт хвои, УЗ

Рис. 4. «Визуальные отпечатки» максимальных сигналов сенсоров в РГФ над тестируемыми пробами

В качестве измерительного массива применены 8 сенсоров на основе пьезокварцевых резонаторов ОАВ типа с базовой частотой колебаний 10,0 МГц с разнохарактерными пленочными сорбентами на электродах.

«Визуальные отпечатки» максимумов — построены по максимальным откликам сенсоров в РГФ образцов за время измерения (не более 1 мин) и позволяют установить похожесть состава запаха анализируемыми образцами. Характер исследования заключался в подборе массива сенсоров для установления тонких различий в составе равновесных газовых фаз проб и разработке алгоритмов сопоставления сигналов сенсоров для установления степени похожести и различия запаха проб.

Для сравнения состава РГФ над пробами экстрактов мяты и хвои, полученных в разных условиях, применили первичную ана-

литическую информацию «электронного носа» - «визуальные отпечатки» максимальных откликов сенсоров (рис. 4).

Учитывая химическую природу сырья, можно предположить, что при обработке ультразвуком в большей степени извлекаются компоненты из сырья (и хвои и мяты), но так как состав их различен, по-разному изменяется состав РГФ над пробами.

В третьей главе предложено математическое описание работы ректифкационной установки с использованием теплового насоса, основными исходными параметрами которого (рис. 5) являются: вид разделяемой смеси; начальная х„, и конечная х"„. концентрации низкокипящего компонента в кубе; - средняя концентрация низкокипящего компонента в дистилляте хг; производительность установки по дистилляту СР.

с,, е., V,.

X.. X. —Й 7г-

и м.

Рис. 5. Расчетная схема

ректификационной установки с теплонасосной установкой:

1 - ректификационная колонна;

2 - дополнительный кипятильник;

3 - конденсатор-дефлегматор;

4 - насос; 5 - сборная емкость дистиллята; 6 - испаритель теплонасосной установки;

7 - компрессор; 8 - конденсатор теплонасосной установки - кипятильник;

9 - дополнительный конденсатор теплонасосной установки; 10 —дроссельный вентиль

Уравнение теплового баланса:

вг-вР-оР-ср^р-дт1=о, (1)

Тепловой поток в конденсаторе-дефлегматоре:

0,, = 6рт -{И + \)-гр, (2)

Тепловой поток в конденсаторе теплового насоса:

(3)

При использовании теплового насоса для теплоснабжения установки в качестве источника низкопотенциального тепла

используется теплота Qp конденсации пара в конденсаторе-дефлегматоре.

Отводимая от теплового насоса теплота:

Q7;;r=Q,+Nk, (4)

Соотношение между величинами Q„ и Q'^'Ü"' завискт от набора исходных данных, в частности от концентрации низкокипящего компонента в исходной смеси и дистилляте, перепад температур. На рис. 6 и 7 представлены зависимости тепловых потоков от средней концентрации НКК в исходной смеси при следующих параметрах: Gp = 0,005 кг/с; ß = 2,8; ц = 0,6; Р0 = Ю5 Па; tjK =0,7; tjH = 0,7; St = 5 °С; St, = 3 °С.

Рис. 6. Зависимость теплопотребления

ректификационной установки и теплопроизводительности теплового насоса от средней концентрации низкокипящего компонента в исходной смеси при хр = 0,85

Рис. 7. Зависимость теплопотребления

ректификационной установки и теплопроизводительности теплового насоса от температурного напора теплообменников при хр = 0,8 и 0,06

Удельный тепловой поток в конденсаторе-дефлегматоре

-'.с*)4

(5)

Тепловой расчет испарителя теплонасосной установки

Л'»2в = 0,021 ■ Re°'8- Рг"'43, (6)

Re2e =

" 2«

U2« ' d2a • Рв И.

(7)

(8)

Мощность привода компрессора:

N =с (9)

Чк

Избыточный тепловой поток, отводимый в дополнительном конденсаторе:

& *„,=&.-о.. (ю>

Теплофизические характеристики хладона К-134а были аппроксимированы следующими функциями:

давление насыщенного хладона

л= 20,96-ехр(7,04-^1) (11)

энтальпии и энтропия насыщенных пара и жидкости

Сх = 706,1-1,738-/ + 0,0031 - /2, (12)

/;=510,5 + 0,562-/ + 0,0048-Г, (13)

^ =1,510 + 0,00164-/-1,625-Ю"5-Г, (14)

■^=0,979 + 0,00365-/ (15)

Избыточный тепловой поток, отводимый в дополнительном конденсаторе:

(ю>

Теплофизические характеристики хладона II-134а были аппроксимированы следующими функциями:

давление насыщенного хладона

Л=20,96-ехр(^04--^|у (11)

энтальпии и энтропия насыщенных пара и жидкости

С =706,1-1,738-/ + 0,0031-/2, (12)

/; = 510,5 + 0,562-/ + 0,0048-/2, (13)

^ =1,510 + 0,00164-/-1,625-Ю"5-Г, (14)

^=0,979 + 0,00365 / (15)

В результате численного решения определены тепловые потоки по отдельным аппаратам установки для ректификации ароматного спирта с применении теплового насоса, на основе которых могут быть рассчитаны затраты энергии на проведения процесса и осуществлена технико-экономическая оптимизация и осуществлена оценка точности

полученных аппроксимирующих зависимостей.

Экономическая оценка выполнена на основе приведенных затрат:

3 = Е„-К + И, (16)

Аппроксимирующая зависимость для капитальных вложений в установку получены путем обработки данных:

(17)

(18)

(19)

(20)

Кк=ак+Ък-Ук, Кь„=ак,„+Ьы-Мь„>

Общие капитальные затраты:

к = к,+к,+к+к,„

(21) (22)

И =-

(23)

Ежегодные издержки:

Затраты электроэнергии на привод и компрессор:

1000

Минимальные значения приведенных затрат, определенные по формулам (16)...(23), соответствуют оптимальному значению основных эксплуатационных параметров (давлению, температуре). На рис. 8 и 9 представлены графики зависимости затрат.

Рис. 8. Зависимость приведенных затрат от температурного перепада циркуляционной воды при Л1 = 1 и Р — 2,5

Рис. 9. Зависимость приведенных затрат от флегмового числа при <5?/ = 3 и =1,5

В четвертой главе представлен полный факторный эксперимент на пилотной установке (рис. 10), реализующей способ получения ароматного спирта с использованием принципа теплового насоса.

Рис. 10. Схема пнлотноП установки для получения ароматного спирта с использованием теплового насоса: 1 — куб; 2 - колонна ректификационная; 3 - конденсатор-дефлегматор;

4 - компрессор; 5 -терморегулирующий вентиль; 6 - испаритель; 7 - конденсатор;

8, 9 - насос; 10 - емкость; 11, 12 - кран

В качестве входных параметров приняты: X/ - температура в кубе колонны, °С; х2 - температура в конденсаторе колонны, °С; х3 - начальное содержание эфирного масла в экстракте, кг,ф.м./кгс; выходных: )>] -содержание эфирного масла в ароматном спирте, кгЭф.м./кгс.; у2 - удельные энергозатраты на получение декалитра продукта, кВт-ч/дал.

В результате статистической обработки экспериментальных данных получены уравнения регрессии: у I = 7,2065 + 0,045 8 X, - 0,0069 х2 - 0,0184 х3 + 0,0034 х, х2 -- 0,0633 х,х3 + 0,0204 х:х3 - 0,0054 х,2 - 0,0015 х,2 + 0,0003 х32; (24)

у2 = 7,2679 + 0,0521 х, + 0,0093 х2 - 0,0213 х3 - 0,0017 х, х, - 0,0689 х, х3 + 0,0258 х2х3 - 0,0036 X,2 + 0,0029 х22 + 0,0023 х32. (25)

л.

На рис. 11-13 приведены номограммы, полученные на основе уравнений регрессии 24 и 25, отражающие влияние отмеченных факторов на количество выделенных эфирных масел и затраты энергии на осуществление указанного процесса.

, /Н1Ч

'.;'): 1Ц Н

ЙВ»

МЙ8=

Ш0 т * //

Рис. 11. Номограмма для определения энергозатрат от х, и х3

Рис. 12. Номограмма

для определения энергозатрат от х, и х2

г-,, ЦП,

I I

Рис. 13. Номограммг для определения энергозатрат от х21 х3

Оптимальные интервалы изменения параметров: Ткпп = 88,6...88,7 °С; 1конд = 10,3... 11,3 °С; вн = (7,91...8,04)10" кг.^м./:<гс.

Анализ кривых показал, что параметры процесса ректификации, значениями которых возможно было варьировать в ходе проведения экспериментов, одинаково влияют на содержание эфирных масел древесной зелени сосны и мяты в ароматном спирте (рис. 14, 15)

Рис. 14. Зависимость содержания эфирных Рис. 15. Зависимость удельных

масел в ароматном спирте от температуры энергозатрат от температуры кипешя и кипения и температуры конденсации температуры конденсации

С увеличением температуры кипения исходного спирт содержащего экстракта величина содержания эфирных в спирте монотонно повышается (рис. 14), что может быть объяснено значительной летучестью компонентов. Зависимость удельных энергозарат

на получение одного декалитра продута (рис. 15) от температуры кипения спиртосодержащего экстракта носит характер близкий к линейному, а от температуры конденсации - нелинейный, что объясняется характерным режимом работы дефлегматора при установившимся режиме работы холодильной установки теплового насоса.

Разработан прикладной программный продукт с использованием средств Visual Studio и языка программирования Visual Basic, предназначенный для автоматического выбора оптимального режима работы теплонасосной установки.

Проведена термодинамическая оценка экспериментальной установки в виде ее эксергетического анализа. Графическая интерпретация эксергетического баланса представлена в виде диаграммы Грассман-Шаргута (рис. 16).

«Ч,- W ■ . ■ ■ iL,,'-

■ : l Г.: I . ¿vi :

II : i »■;-'».»» 5 Г

. 1

Рис. 16. Диаграммы Грассман-Шаргута: t - ректификационная колонна; Н - сепарирование смеси; Ш - транспорт охлаждающей воды; IV - конденсатор для нагрева водно-спиртовой смеси; VI - компрессор; VII - испаритель; VIII - из герморегулнрующий вентиль; 1 - исходная водно-спиртовая смесь; 3 -охлаждающая вода; 4 -нагревающая вода; 5 - флегма; 6 - водно-спиртовая смесь в сепаратор; 7 - отработанная охлаждающая вода; 8 - отработанная нагревающая вода; 9 - лютериая вода; 10,12.15- привод

насоса; 11 - готовый продукт, 13 - охлаждающая вода из испарителя; 14 - хладагент го компрессора в первый конденсатор; 16 - хладагент из первого конденсатора; 17 - холодная вода от потребителя; 18 - нагретая вода к потребителю; 20 - привод компрессора; 21,22 - хладагент из испарителя, из терморегулирующего вентиля

В пятой главе приведено обобщение результатов исследований и пути его практического использования. Разработано устройство для ректификации спирта с применением теплового насоса (заявка №2011135122), позволяющее снизить энергозатраты на нагрев водно-спиртовой смеси в конденсаторе теплового насоса; экономить материальные средства на производство охлаждающей воды; сократить выбросы, связанные с производством греющей среды для проведения процесса ректификации спирта по сравнению с традиционным способом (рис. 17).

Рис. 17. Схема теплового насос, устройства для ректификации этилового спирта

Разработан способ автоматического управления технологическими параметрами процесса ректификации спирта с использованием теплового насоса для снижения материальных и энергетических ресурсов на единицу массы готового продукта, повышения точности и надежности управления (заявка №2012143357). Предложен способ получения ароматного спирта, позволяющий повысить степень извлечения эфирных масел из сырья и увеличить выход продукта с единицы сырья. Разработано устройство для ректификации этилового спирта с применением эжектора для повышения эффективности использования тепловой энергии и снижения материальных затрат (патент на полезную модель № 117151).

Основные выводы и результаты:

1. Проведены исследования процесса экстракции мяты перечной и древесной зелени сосны обыкновенной, которые показали, что продолжительность процесса выделения целевых компонентов снижается с нескольких часов до 20 минут за счет использования ультразвука при степени извлечения эфирного масла из древесной зелени сосны до 84,6 %, мяты перечной - 81,6 %, а также выявлены рациональные параметры проведения процесса экстракции с ультразвуком на величину выхода эфирного масла из продукта: степень измельчения мяты 2...8 мм, древесной зелени сосны 0,5...2 мм; концентрация этилового спирта в водно-спиртовом растворе 70 %, температура экстрагента 60 °С, расход экстрагента 0,55 л/с.

2. Определены основные параметры качества экстрактов и готового продукта, полученных из древесной зелени сосны обыкновенной и мяты перечной с применением ультразвука.

3. Разработана и изготовлена установка для реализации способа получения ароматного спирта с использованием теплового насоса, на которой реализован способ использования вторичного тепла по замкнутому циклу, позволяющий сократить энергозатраты на нагрев водно-спиртовой смеси на 20 % по сравнению с традиционным способом.

4. Предложено математическое описание процесса получения ароматного спирта с использованием теплового насоса, позволяющее оценить технологические и энергетические параметры, а также их взаимную зависимость, а так же осуществить технико-экономическую оптимизацию системы и рассчитать затраты энергии в зависимости от флегмового числа, температурного перепада теплоносителя и степени недогрева хладоносителя.

5. Проведен полный факторный эксперимент на пилотной установке, в результате которого осуществлена оптимизация процесса ректификации, позволивший найти рациональные интервалы изменения температуры в кубе колонны [88,6...88,7 °С], температуры в конденсаторе-дефлегматоре [10,3... 11,3 °С], начальное содержание эфирного масла в экстракте [(7,91.. .8,04)10"3 кг,ф.м/кгс].

6. Разработан прикладной программный продукт с использованием средств Visual Studio и языка программирования Visual Basic, предназначенный для автоматического выбора оптимального режима работы теплонасосной установки.

7. Осуществлена термодинамическая оценка эффективности процесса ректификации ароматного спирта с применением теплового насоса путем его эксергетического анализа. Полученный эксергетический КПД системы ректификации без использования теплового насоса равен 21,3 %, КПД систем с использованием теплового насоса составил 23,4 %, что свидетельствует о повышении степени термодинамического совершенства системы при использовании теплового насоса.

8. Предложены технические решения по разработке перспективных конструкций устройств обеспечивающих осуществление высокоэффективного процесса получения спирта с применением теплового насоса, а также способа автоматического управления технологическими параметрами процесса, позволяющие снизить энергозатраты за счет повышения точности управления.

Условные обозначения

гр - теплота конденсации пара в конденсаторе-дефлегматоре, кДж/кг; с„ - теплоемкость дистиллята, кДж/(кг • К); tp - температура конденсации паров, С; св - теплоемкость воды, кДж/(кг - К); 5tt - температурный перепад воды в промежуточном контуре, °С; где Ие2в — число Рейнольдса для воды; 1ъв - скорость воды, м/с; diß - внутренний диаметр трубок, м; р„ - плотность воды, кг/м3; ft в - динамическая вязкость воды, Па • с; Nu2e - число Нуссельта для юды; Рг, - число Прандтля для воды; ; t - температура фреона, К; а1В - коэффициент теплоотдачи воды, Вт/(м~ • К); Х„ - теплопроводность воды, Вт/(м • К); Q„. - расчетный тепловой поток для испарителя кубового остатка, кДж/кг ¡х -энтальпия насыщенного пара хладона, кДж/кг; - энтальпия насыщенной жидкости хладона, кДж/кг; sx - энтропия насыщенного пара хладона, кДж/(кг ■ K);sv - энтропия насыщенной жидкости хладона, кДж/(кг ■ К); Е„ - нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений, 1/год; К-капитальные вхожения, тыс. р.; И — ежегодные издержки, тыс. p.; - объем колонны, л; F - площадь поверхности теплообмена, м2; NK — мощность сетевого насоса, кВт; N„ - мощность привода компрессора, кВт; а„ Ь, - параметры обработки данных; f - нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений; т - чисю часов работы установки в году, ч/год; z, - тариф на электроэнергию, р./(кВт • ч,'.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ

1. Барбашнн, A.M. Области применения и основные направления развития теплонасосной техники [Текст] / A.M. Барбашин, С.А. Черноптгова // Финансы экономика стратегия, 2011. - № 10. - с. 42-45.

2. Шитов, В.В. Повышение эффективности работы теплового насоса [Текс] / А.Н. Малахов, С.А. Чернопятова, В.В. Шитов // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий - Воронеж, ВГУИТ, 2012. - № 2. - с. 37 - 39.

3. Чернопятова, С.А. Термодинамический анализ процесса ректификации этилового спирта с использованием теплового насоса [Текст] / Б.Л. Скрыгхников, Ю.Н. Смолко, С.А. Толстов, С.А. Чернопятова // Вестник Воронежского государственного технического университета - Воронеж, ВГТУ, 2012. - Том 4. - № 10. - с. 36 - 41.

Патент

4. Патент на полезную модель 117151 Российская Федерация, МКИ С12Р 7/06, B01D 3/00 Устройство для ректификации спирта с применением эжектора / К.В. Харченков, C.B. Шахов, С.А. Чернопятова; патентообладатель Воронежский государственный университет инженерных технологий (Россия). -№ 2011154688, заявл. 30.12.2011, опубл. 20.06.2012, № 17.

Статьи и материалы конференций

5. Чернопятова, С.А. Тепловой насос - энергообеспечение в спиртовой промышленности [Текст] / С.А. Чернопятова, Е.А. Дуванов, A.A. Сабиров, C.B. Шахов // Успехи современного естествознания, 2012.-№6. -с. 144.

6. Добромиров, В.Е. Сокращение затрат теплоты в процессе ректификации с использованием теплового насоса [Текст] / В.Е. Добромиров, К.В. Харченков, С.А. Чернопятова // Материалы XLVIII отчетной научной конференции за2009 год — Воронеж, ВГТА, 2010.-Часть 2.-с. 56.

7. Добромиров, В.Е. Использование низкопотенциальной энергии в процессах ректификации [Текст] / В.Е. Добромиров, К.В. Харченков, С.А. Чернопятова // Сборник тезисов докладов международной конференции с элементами научной школы для молодежи «Инновационные разработки в области техники и физики низких температур» — Москва, 2010. - с. 134 - 136.

8. Добромиров, В.Е. Основные направления сокращения энергозатрат при ректификации этанола [Текст] / В.Е. Добромиров, К.В. Харченков, С.А. Чернопятова // Материалы XLIX отчетной научной конференции за 2010 год - Воронеж, ВГТА, 2010. - Часть 2. - с. 49.

9. Харченков, К.В. Применение теплового насоса в процессе дистилляции / A.B. Торшин, К.В. Харченков, С.А. Чернопятова // III Общероссийская студенческая электронная научная конференция «Студенческий научный форум», 2010. (URL: http://rae.ru/forum2011/106/768).

10. Антипов, С.Т. Использование теплового насоса, как способ повышения эффективности процесса получения этилового спирта [Текст] / С.Т. Антипов, С.А. Чернопятова // Материалы региональной научной конференции «Развитие техники пищевых производств малых предприятий» - Воронеж, ВГУИТ, 2011. - с. 26 — 30.

11. Антипов, С.Т. Экологические и экономические аспекты внедрения тепловых насосов [Текст] / С.Т. Антипов, С.А. Чернопятова // Материалы международной научно-технической конференции «Биотехнологические системы в производстве пищевого сырья и продуктов: инновационный потенциал и перспективы развития» - Воронеж, 2011. - с. 184 - 188.

12. Чернопятова, С.А. Использование теплового насоса в процессах ректификации [Текст] / С.А. Чернопятова // Материалы VIII Международной научной конференции студентов и аспирантов — Могилев, 2012. - Часть 1.-е. 92.

13. Чернопятова, С.А. Повышения термодинамической эффективности цикла ТН при модификации конструкции [Текст] / A.M. Бар-башин, С.А. Чернопятова // Материалы L отчетной научной конференции за 2011 год - Воронеж, ВГУИТ, 2012. - Часть 2. - с. 45.

14. Чернопятова, С.А. Тепловой насос — энергообеспечение в спиртовой промышленности / С.А. Чернопятова, Е.А. Дуванов, A.A. Сабиров, C.B. Шахов // IV Общероссийская студенческая электронная научная конференция «Студенческий научный форум», 2012.

(URL: http://rae.ru/forum2012/309/2726V

15. Чернопятова, С.А. Энергоресурсосберегающая технология в спиртовой промышленности [Текст] / С.А. Чернопятова // Материалы научно-технической конференции «Адаптация ведущих технологических процессов к пищевым машинным технологиям» - Воронеж, ВГУИТ, 2012.-Часть 3.-е. 190-192.

Подписано в печать 6.02.2013. Формат 60 х 84 '/|6. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ №¿6. ФГЮУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» (ФГБОУ ВПО «ВГУИГ») Отдел полиграфии ФГБОУ ВПО «ВГУИТ» Адрес университета и отдела полиграфии: 394000, Воронеж, пр. Революции, 19