CC BY
18УДК 664.1.033
Актуальные аспекты проектирования энергоэффективного производства
Л.А. ВЕРХОЛА, канд. техн. наук, М.И. ЛАДАНОВСКИИ
ООО «Теплоком» (www.teplocom.ua, e-mail: info@teplocom.ua)
Большинство свеклосахарных заводов, построенных ранее в СССР, могут поддержать свою конкурентоспособность только при последовательно проведённой комплексной модернизации основных производственных участков. В результате модернизации потребление энергоресурсов должно быть снижено в соответствии с жёсткими требованиями рынка.
Каждый сахарный завод планирует мероприятия по повышению энергоэффективности по собственному плану, распределяя имеющиеся у него средства на оборудование и организационно-технические мероприятия, широкий выбор которых предоставляет современный рынок оборудования и услуг. Успех выполненной работы определяется рациональным выбором путей модернизации и последовательности её осуществления.
Проблема определения оптимальных путей проведения модернизации сахарных заводов широко отражена в научно-технической литературе [1]. Предложены следующие способы классификации энергосберегающих мероприятий:
— по принципу действия: комплексные, компенсирующие, создающие потенциал экономии [2];
— по направлениям: снижение количества добавляемой воды, использование теплоты вторичных энергоресурсов, повышение концентрации сиропа, снижение потерь тепла [3].
Большинство мероприятий, которые применяются при модернизации сахарных заводов, хорошо известны, достигаемый эффект проверен, цена их реализации в целом установилась. Это даёт возможность разрабатывать в достаточной степени обоснованные программы модернизации сахарных заводов.
Особое положение в программах энергосбережения занимают мероприятия по снижению отбора (откачки) диффузионного сока, когда происходит наибольшее его разбавление.
Однако их содержание часто формулируется общими фразами, например: использование внутренних резервов диффузионной установки, равномерная работа, повышение качества свёклы, стружки и питательной воды. Подобные формулировки, хотя и являются в принципе правильными, маскируют реальные объёмы работ и услуг, необходимых для гарантированного снижения отбора диффузионного сока.
Для диффузионных установок не созданы единые алгоритмы модернизации, и нет достоверных данных о результатах, получаемых при внедрении различных мероприятий. Разработанные теории описывают идеальный процесс экстракции сахара из свекловичной стружки, который адаптируется к реальному с помощью различных коэффициентов: Si — Силина [4]; ф — использования диффузионной способности свекловичной ткани и I — эффективности работы
[5], Ь — массоотдачи [6]. Однако теоретические расчёты хорошо воспроизводятся лишь для диффузионных батарей.
Результаты, имеющие практическую ценность, можно получить только при сочетании математического моделирования со статистической обработкой производственных данных диффузионных установок различных типов.
Целями настоящей статьи являются:
— выбор критерия оценки эффективности диффузионных установок;
— определение потенциально возможной энергоэффективности сахарного завода при различных типах диффузионных установок;
— описание методики определения ключевой характеристики диффузионных установок;
— рассмотрение возможных путей модернизации используемых диффузионных установок.
Основной задачей диффузионной установки является извлечение сахарозы из свекловичной стружки при минимальном разбавлении сока. Соответственно, наиболее просто и логично использовать отношение количества извлеченной сахарозы (в % к массе свёклы) к движущей силе процесса — средней разности концентрации сахарозы в соке и в стружке (ДС , %). Этот параметр называют
Ср
числом единиц переноса ^Ти), его используют для оценки процесса экстракции сахара из свёклы.
Использование величины NTU позволяет объективно сопостав-
28 САХАР № 9 • 2017
m Щелково kly агрохим
www.betaren.ru
лять работу диффузионных установок, укомплектованных различными диффузионными аппаратами и прессами для отжима жома, при отличающихся параметрах: сахаристости стружки, отборе диффузионного сока, степени прессования жома, содержании сахара в жоме и т.д.
Для диффузионных установок, где используются отжим жома и возврат жомопрессовой воды, обе стадии процесса рассматриваются как единый процесс. Для прессовой стадии разработана методика выражения её эффективности в единицах переноса [7]. При этом NTU диффузионно-прессового процесса является суммой частных NTU диффузионной и прессовой стадии. Это позволяет моделировать процесс при различной комплектации диффузионной установки с различной степенью прессования жома.
Для диффузионных аппаратов разных типов мы определили эффективность диффузионной стадии, т.е. ту эффективность, которая достигается при работе без возврата жомопрессовой воды (табл. 1). Для этого мы использовали данные, гарантируемые поставщиками оборудования, и производственные данные сахарных заводов, которые по разным причинам могут показывать эффективность ниже гарантированной. Отношение среднего NTU в производственных условиях к гарантируемому NTU мы называем коэффициентом эффективности Кд.
Для целей настоящего исследования был выполнен комплексный балансовый расчёт теплотехноло-гической схемы сахарного завода с использованием программного комплекса, имитирующего процессы различной природы, протекающие при производстве сахара. Он разработан нашей фирмой «Теплоком» и используется при разработке проектов реконструк-
ции, а также для проведения научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ. Комплекс базируется на теоретических моделях, откорректированных по результатам работы оборудования на сахарных заводах России.
Мы обобщили собственный опыт модернизации сахарных заводов и создали конфигурацию программного комплекса, соответствующую тепло-технологической схеме типового отечественного сахарного завода, модернизированного с внедрением экономически обоснованных энергосберегающих мероприятий.
По нашему мнению, применённая методика позволяет, насколько это возможно, выделить влияние на общий результат только
параметров диффузионной установки.
Расчёты проводились при имитации условий, описанных ниже и в табл. 2:
♦для питания диффузионной установки используется вся жомо-прессовая вода с добавлением конденсатов, гашение извести производится только конденсатом, на преддефекацию возвращается только суспензия I сатурации, применяется трёхкристаллизационная схема, электроэнергия потребляется только от собственной ТЭЦ;
♦неизменными и сбалансированными являются потоки: свёклы, всех полупродуктов и добавляемой в них воды, включая варианты её подкачки в кристаллизационном отделении;
Таблица 1. Параметры процесса экстракции в диффузионных аппаратах
различных типов
Тип аппарата Двухшнековые Колонные Ротационные
DC-12 ПДС КД2-А30 Maguin, ВМА RT2 RT5
Гарантируемое КТИ (без возврата жомопрессовой воды) 13,6 11,5 11,2 17 14,5 13,5
Продолжительность процесса, мин 87 60 75 109 88 75
Длительность одной ступени, мин 6,39 5,21 6,70 6,41 6,06 5,56
Длина одной ступени, м (секций) 1,69 1,42 1,125 1,13 2,28 2,67
Коэффициентт эффективности Кэ, ед. 0,64 0,74 0,71 >1,0 0,74 0,82
Таблица 2. Условия, при которых проводились теплотехнологические расчёты
Параметр Единица измерения Значение
Разрежение в вакуумной системе МПа 0,0834
ДТм диффузионный сок — пар на выходе из подогревателей К 3
Выход пара на конденсатор % к массе свёклы 0,7±0,1
Удельный расход электроэнергии кВтхч/т свёклы 30
КПД парогенераторов, брутто % 91
№ 9 • 2017 САХАР
29
♦диапазоны нагрева для всех подогревателей и калориферов неизменны, в том числе при нагреве диффузионного сока непосредственно после диффузионной установки;
♦потоки в выпарной установке сбалансированы при условии нормативного накипеобразования в выпарных аппаратах и подогревателях.
На практике неизбежно действуют возмущающие факторы: неритмичность, погрешности регулирования, сверхнормативные потери тепла, разбавление сока и т.д. Такая разбалансировка приводит к повышению расхода топлива. Основываясь на опыте наладки тепловых схем, мы оцениваем величину допуска для наших расчётов в 5% в сторону увеличения.
В результате была получена обобщённая зависимость расхода условного топлива от эффектив-
ности диффузионной установки (рис. 1), выраженной в №Ги. Дополнительно по оси абсцисс отложена соответствующая величина отбора диффузионного сока при сахаристости стружки 18% и потерях сахара в жоме 0,30% к массе свёклы. Также для сравнения приведена зависимость для типовой тепловой схемы с пятикорпусной выпарной установкой.
Представленная диаграмма позволяет оценить перспективы снижения расхода топлива при применении «обычных» энергосберегающих мероприятий, апробированных на отечественных сахарных заводах. Безусловно, в их число не входят такие высокозатратные мероприятия, как механическая компрессия пара, сушка жома перегретым паром с использованием вторичного пара для выпаривания сока и т.д.
Наши технико-экономические расчёты показывают, что в совре-
менных экономических условиях «конкурентоспособный» расход условного топлива составляет 3,1— 3,4% к массе свёклы. Поэтому при реконструкции эффективность диффузионной установки должна быть повышена до NTU > 20 ед. Это соответствует отбору сока <110 %. Варианты с меньшей эффективностью могут рассматриваться лишь как промежуточные на некоторый «переходный» период.
Диффузионные установки свеклосахарного производства не имеют аналогов в других отраслях промышленности. Они отличаются высокой единичной производительностью, спецификой перерабатываемого растительного сырья, а также факторами, перечисленными ниже.
А. Между твёрдой и жидкой фазами отсутствует чётко зафиксированная граница, через которую происходит перенос сахара. Удельная поверхность свекловичной
Расход усл. топл. % до м.св.
5,8 5,6 5,4 5,2 5,0 4,8 4,6 4,4 4,2 4,0 3,8 3,6 3,4 3,2 3,0 2,8
* ч1.
В «1 01 " гч
* з г § ь см ° • б ч
а
> »е Ти пов ■зя ■5 2 о г и 5 о с
те пловая ема '¡-корп. щ с
с ВУ
П) Повышенный на 5% расход из-за недостаточной балансировки
К ДА, ОС, ПДС до 1991 X
Ч £ Модернизированна тепловая схема сбалансированная на 100% я
ч << £ >> /
3 у /
сс 0 Я // V, / ' / / ' / ' / / /
г7^ // // // // V,
7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 Збыти, ед.
%
~гп—г 150145140
1-1-Г
135 130 125
120
~г 115
112,5
1-Г
110 109
~г
"Г
108 107
~г 106
105
104
Тоз
102,5е
Рис. 1. Обобщённая расчётная зависимость расхода условного топлива от эффективности диффузионной установки
30 САХАР № 9 • 2017
ЯО ЩЕЛКОВО ЫУ АГРОХИМ ^
www.betaren.ru
стружки зависит от параметров применяемых ножей и режимов резания. Упругость и пористость слоя стружки зависят от качества свёклы, режима ошпаривания, свойств питательной воды. Суммарная поверхность массообмена зависит от удельного заполнения рабочего пространства аппарата стружкой, которое изменяется в ходе регулирования процесса. Соответственно изменяется гидродинамический режим течения жидкости сквозь слой стружки, что существенно влияет на эффективность экстракции. Поэтому удельное наполнение аппарата стружкой является важнейшим регулирующим фактором при экстрагировании сахара из свекловичной стружки.
Б. Гидродинамический режим противоточной экстракции в колонных и двухшнековых аппаратах формируется в результате наложения на малоупорядоченное движение и перемешивание со-костружечной смеси направленного движения жидкости от точки её ввода до сита. В ротационных аппаратах процесс представляет собой последовательность из 33—40 циклов, в каждом из которых стружка погружается на некоторое время в сок, затем сок отфильтровывается, стружка и сок перемещаются в следующие секции.
В. Экстракция сахара идёт двумя путями — диффузионным и прессовым. Даже при отсутствии прессов для отжима жома происходит «внутреннее отжатие» [4] вследствие сжатия клеточных оболочек и механического воздействия элементов транспорт-номешательной системы диффузионного аппарата и потоков диффузионного сока. В составе диффузионных установок применяются всё более мощные прессы, что изменяет основные закономерности процесса и требует новых методов управления.
Г. Как объект управления диффузионная установка характеризуется сложными внутренними взаимосвязями и большой инертностью. В производственных условиях режим экстракции может отклоняться от оптимального под действием возмущающих факторов, имеющих различную природу. Многие из них не измеряются непосредственно. Фактические процессы экстракции большую часть времени протекают в неустановившемся режиме. Достигаемый результат во многом зависит от алгоритмов управления, которые реализуются в ручном, полуавтоматическом и автоматическом режимах.
В нашем программном комплексе расчёт параметров диффузионной установки базируется на ключевой характеристике диффузионной установки [8], которая представляет собой зависимость эффективности экстракции от коэффициента использования мощности. Вид этой характеристики различен для диффузионных аппаратов разных типов (рис. 2).
Для аппаратов с транспортно-мешательной системой (двухшне-ковых, колонных) характеристика имеет максимум, соответствую-
щий оптимальной производительности. При этом для аппаратов типа ПДС данный оптимум ниже номинальной производительности (график 1), а для аппаратов DC — выше (график 2). Это объясняется тем, что рабочий объём аппаратов ПДС намного меньше, чем у аппаратов DC равной производительности. При пониженной производительности перемешивающее действие транспортно-мешательной системы начинает превалировать над направленным движением сока и стружки: противоток всё больше нарушается, слои сока с различной концентрацией сахара смешиваются, что снижает эффективность экстракции. При повышении производительности слои стружки уплотняются, её поверхность блокируется и не омывается соком, что также затрудняет экстракцию сахара.
Для аппаратов ротационного типа характеристика монотонно убывает (график 3). Снижение эффективности при повышении производительности происходит из-за сокращения продолжительности процесса и ухудшения сепарации сока и стружки.
Однако ключевые характеристики будут неизменными лишь при
Рис. 2. Ключевые характеристики диффузионных аппаратов разных типов
№ 9 • 2017 САХАР
31
соблюдении «образцовых» условий эксплуатации. На сахарных заводах свойства свекловичной стружки различны и значительно изменяются на протяжении сезона переработки.
Поэтому мы адаптируем ключевые характеристики к реальным условиям завода, для которого разрабатывается проект. В этих целях технологические данные из заводских лабораторных журналов переносят в электронные таблицы. Полученный массив показателей (обычно он составляет 15—20 тыс. значений) передаётся в программный комплекс. Выполняется процедура фильтрации данных, в ходе которой исключаются интервалы с резкими изменениями производительности и со значительными отклонениями от технологического регламента. Затем производится обработка методами математической статистики. В результате мы получаем достоверную ключевую характеристику, на которой базируются проектные расчёты для данного завода.
Нами создана база ключевых характеристик диффузионных аппаратов разных марок, работающих в различных условиях. Установлено, что характер кривых для аппаратов одного и того же типа одинаков, но максимальная величина КТИ и оптимальная производительность отличаются для каждого завода. Поэтому проектные расчёты мы выполняем по ключевой характеристике, рассчитанной по данным завода, для которого разрабатывается проект.
С целью достижения максимального эффекта программа повышения энергоэффективности сахарного завода обязательно должна предусматривать мероприятия, снижающие отбор диффузионного сока. Таким образом, коэффициент эффективности Кэ (см. табл. 1) необходимо увеличить, приблизив его к 1. При этом учитываются особенности диффузи-
онной установки, используемой на данном заводе.
Для аппаратов двушнекового типа критичными являются качество стружки, ритмичность подачи стружки и отбора сока, эффективность теплопередачи через греющие камеры. Поэтому наибольший эффект дают следующие мероприятия:
— внедрение автоматизированных линий восстановления све-клорезных ножей, регенерации ножей в свеклорезке сверхзвуковыми струями воздуха, смена ножей по графику (актуально для всех типов аппаратов);
— монтаж дополнительной секции корпуса, что увеличивает рабочий объём аппарата и продолжительность процесса;
— применение алгоритмов управления приводами шнеков, основанных на динамической модели;
— применение автоматизированного многоточечного дозирования поверхностно-активных веществ в режимах нормализации и интенсификации.
Особо выделяется группа мероприятий по оснащению двухшне-ковых аппаратов ошпаривателями. Прямое ошпаривание насыщенным паром в современных разработках не используется, так как исключает применение низкопотенциальных теплоносителей для нагрева диффузионного сока. Повышение эффективности тепло- и массообмена достигается применением противоточного ошпари-вателя [9], в котором производится весь процесс нагрева стружки. В диффузионный аппарат нагретая свекловичная стружка подаётся в составе сокостружечной смеси. Увеличение продолжительности процесса на ~ 20% приводит к соответствующему увеличению КТИ с 14 до 16—17 ед.
При подаче сокостружечной смеси в двухшнековый аппарат поток диффузионного сока, отби-
раемого через сита, превышает номинальный в ~ 3 раза. Установка дополнительных сит не компенсирует в полной мере возрастание потока. Нами разработана система ошпаривания с сепаратором, который отделяет циркуляционный сок до диффузионного аппарата [10].
Для аппаратов ротационного типа эффективны следующие мероприятия:
— внедрение контроля массы стружки, поступающей в каждую секцию, совместно с контролем уровня сокостружечной смеси в секциях;
— применение алгоритмов управления подачей стружки и питательной воды, основанных на динамической модели;
— оснащение ротационной диффузионной установки противо-точным ошпаривателем, которое увеличивает КТИ на 15—20%, что уже апробировано на многих сахарных заводах.
Категория колонных диффузионных установок выделяется тем, что конструкции аппаратов и параметры процессов тепло- и массообмена существенно различаются.
Колонные диффузионные аппараты, разработанные в СССР, и им подобные выпускались до середины 90-х гг. Их параметры следующие:
производительность
номинальная............ < 3000 т/сутки;
диаметр
корпуса..................... < 6,0 м;
высота
активная.................. < 12,6 м;
продолжительность
экстракции.............. 78—85 мин;
КТИ среднеэксплу-атационное.............. 8,0—8,7 ед.;
№ГИ паспортное .... ц,0 ед.; №ГИ после
модернизации.......... 12,5—13,0 ед.
Возможности модернизации таких колонных аппаратов ограни-
32 САХАР № 9 • 2017
т Щелково ЫУ агрохим
www.betaren.ru
чены заменой типа транспортирующих лопастей, что не приводит к существенному улучшению экстракции сахара. Данные установки укомплектованы ошпаривателями с несовершенной рекуперацией тепла диффузионного сока; это не позволяет использовать низкопотенциальные теплоносители для его нагрева, однако есть возможность модернизировать ошпари-ватели с повышением теплотехнических показателей [11].
Другие колонные диффузионные установки систем BMA и «Buckau Wolf», входящие в эту категорию, требуют более подробного рассмотрения, так как в мировой свеклосахарной промышленности именно они занимают лидирующие позиции.
Для колонных диффузионных аппаратов отношение производительности к площади поперечного сечения постоянно. При этом продолжительность процесса не является фиксированной и определяется активной высотой, которую рассчитывают по гарантируемой величине NTU с учётом прогнозируемого качества свёклы и стружки. Анализ параметров колонных аппаратов, поставленных на сахарные заводы Европы за несколько десятилетий, показывает устойчивую тенденцию увеличения активной высоты колонны и,
соответственно, продолжительности процесса (рис. 3). В последние годы было подтверждено на практике, что продолжительность пребывания стружки в колонне может быть увеличена до 150 мин [12] без повышенного перехода несахаров в сок. Это стало возможным благодаря повышению качества свёклы и применению концепции контролируемой микробиологической деятельности в колонне [13].
Некоторые колонные аппараты, выпущенные в предыдущие десятилетия, сейчас модернизируют. При этом монтируют дополнительные царги корпуса и трубова-ла, увеличивая активную высоту колонны (максимально до 25 м).
Наибольшая эффективность экстракции в колонном диффузионном аппарате достигается при равномерно-плотном заполнении стружкой всего рабочего пространства колонны. Рабочие поверхности лопастей и контрлопастей воздействуют на массу со-костружечной смеси, и она поднимается в виде сплошной массы без существенного перемешивания. В общей массе стружинки движутся синхронно, промежутки между ними минимальны, но достаточны для беспрепятственного течения сока. Зависимость эффективности экстракции от плот-
ности массы стружки имеет свой оптимум. При плотности меньше оптимальной стружка перемешивается, принцип противотока нарушается, уменьшается продолжительность экстракции. При превышении оптимальной плотности механические нагрузки на лопасти и контрлопасти возрастают, затрудняется течение сока сквозь колонну и отбор его через сита.
Поддержание оптимального удельного наполнения колонны производится путём вариации следующих параметров:
— подачи стружки насосами со-костружечной смеси;
— скорости вращения трубовала колонны;
— уровня жидкости в колонне;
— упругости стружки, зависящей от температуры процесса.
Величина удельного наполнения колонны определяется косвенно по следующим параметрам:
— крутящий момент на приводе колонны;
— перепад давления на ситах колонны;
— характер колебаний уровня жидкости в колонне;
— непосредственная визуальная оценка состояния сокостружеч-ной смеси через смотровые окна.
При ручном управлении возможностей оператора недостаточно для тщательной обработки (контроль и корректировка каждые 300 с) необходимого объёма информации. На управляющие воздействия колонный аппарат реагирует с большим запаздыванием, циклы регулирования при этом могут переходить на следующую рабочую смену. Оператор, опасаясь перегрузки привода, обычно ведёт процесс при удельном наполнении колонны заведомо меньшем оптимального. Поэтому коэффициент эффективности >1,0 в колонных аппаратах устойчиво достигается только при автоматическом регулировании
х, мин
•
• 1 • • 1 •
' * * - L. 1 ____
1 • 1 • I • —1 Л—¡1 •
•• I • ■ < 1 >**' • 1
■ ■
• • •
1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 Год
Рис. 3. Номинальная продолжительность процесса экстракции в колонных диффузионных аппаратах BMA и «Buckau Wolf» по годам выпуска
№ 9 • 2017 САХАР
33
Таблица 3. Сравнение способов использования мезги жомопрессовой воды
Способ использования мезги Недостатки Преимущества
В жомовую яму Повышение потерь сахара на 0,3-0,4% к массе свёклы Не требуется дополнительного оборудования
В прессованный жом на сушку Повышение потерь сахара на 0,3-0,4% к массе свёклы. Испарение воды в жомосушке необходимо увеличить на 35% Не требуется дополнительного оборудования
В сырой жом перед прессами Увеличение нагрузки на прессы, снижение СВ прессованного жома, повышение риска забивания прессов Не требуется дополнительного оборудования
В отдельный пресс для мезги Затраты на пресс для мезги Потери сахара не увеличиваются
удельного наполнения колонны стружкой.
В составе колонных диффузионных установок применяются горизонтальные противоточные ошпа-риватели. Такие же ошпариватели могут быть использованы для оснащения ротационных и двухшне-ковых диффузионных аппаратов. При автоматическом управлении ошпаривателем заданный параметр — крутящий момент на валу ошпаривателя, а регулирующий — скорость вращения трубовала. Оценивают эффективность про-тивоточного теплообмена по температуре сока, отбираемого из ош-паривателя (рис. 4). Превышение её над температурой стружки, поступающей в ошпариватель, должно быть ДТ<10—15 К°.
Таким образом, устойчиво эффективной будет работа только той колонной диффузионной установки, которая оснащена АСУТП с функциями поддержания оптимального удельного наполнения стружкой ошпаривателя и колонны.
Одинаковой для современных диффузионных установок всех
типов является необходимость применения прессовой стадии процесса экстракции. Наиболее распространёнными сейчас являются горизонтальные двухшне-ковые прессы. При сходной конструкции отношение параметров наибольшего и наименьшего типоразмеров прессов составляют: производительность — 10:1, диаметр шнеков — 2,5:1, масса — 12:1, установленная мощность — 8:1.
Параметры режима прессования могут регулироваться изменением скорости вращения шнеков. Отношение максимальной скорости к минимальной составляет 2,5— 4,0. Увеличение скорости повышает производительность пресса, но снижает степень отжима. Диапазон изменения производительности составляет 50—120% от номинальной, изменение СВ прессованного жома — от 22 до 35%.
Таким образом, затраты на покупку прессов и результат прессования чётко взаимосвязаны. Например, при обработке всего жома использование двух одинаковых прессов обеспечивает 25% СВ, трёх - 29,5% СВ, четырёх - 32% СВ.
Процесс прессования происходит при давлении до 10 МПа в течение 10-15 мин. Количество отжатой из жома воды составляет 50-70% к массе свёклы. Она фильтруется, нагревается и направляется в диффузионный аппарат. В процессе прессования ~ 25% жома проходит сквозь сита и образует мезгу жомопрессовой воды, большая часть которой отделяется на мезголовушке. Её необходимо использовать, применив один из способов, приведённых в табл.3.
Рис. 4. Диаграмма параметров ошпаривателя при автоматическом регулировании удельного наполнения
34 САХАР № 9 • 2017
ЯО ЩЕЛКОВО ЫУ АГРОХИМ ^
www.betaren.ru
В значительной мере результат прессования зависит от состояния поступающего жома. Свойства жома как объекта прессования определяются в первую очередь параметрами поступающей в переработку свёклы: содержанием мякоти, одревеснением клеточных стенок, гидролизом пектинов и т.д.
Существенное изменение свойств свекловичной ткани происходит при переработке в зависимости от следующих параметров: режима резания (заточка ножей, толщина стружки), измельчения в диффузионном аппарате, продолжительности и температуры процесса экс -тракции, величины рН в диффузионном аппарате, ионообмена между мякотью стружки и соком и т.д. Хорошие результаты прессования обеспечиваются при ограничении гидролиза пектинов свекловичной мякоти и повышении упругости свекловичной ткани. Для этого применяются следующие технологические приёмы: подкисление питательной воды SO2 или Н^04, добавление солей, которые при диссоциации образуют катионы с валентностью 2 и больше, ограничение температуры ошпаривания и процесса экстракции. Приборов для непосредственного измерения свойств свекловичной ткани на заводе нет, поэтому наладка технологического режима прессования жома производится в значительной мере эмпирически. Различие в свойствах жома приводит к изменению результатов прессования, при значительном размягчении жома возможна перегрузка и поломка пресса.
Для расчёта массовых и тепловых балансов необходимо определить влияние результатов прессования на суммарную эффективность диффузионно-прессовой установки.
В качестве основной характеристики процесса прессования используется содержание СВ, % в
прессованном жоме, так как эта величина определяется непосредственно при лабораторных анализах. Для расчёта массового баланса процесса экстракции необходимы данные о содержании мякоти в свёкле, содержании сахара и несахаров в клеточном соке жома.
Оснащение существующего диффузионного аппарата прессами для глубокого отжима жома приводит к повышению суммарной эффективности диффузионно-прессового процесса. При помощи нашего программного комплекса было проведено моделирование работы диффузионно-прессовой установки при различных вариантах комплектации (рис. 5). «Конкурентоспособными» являются диффузионные установки с №ГИ>20. Эта область выделена зелёным цветом.
Диапазон СВ прессованного жома до 20% соответствует прессам предыдущего поколения («старым») - GH-2, SP-1000, ^-1000,
WL-145, А4-ПВЖ; диапазон СВ 20—35% соответствует современным двухшнековым прессам большой мощности: «Babbini», «Stord», «Mercier» и др. При тщательном выполнении технологического регламента, включая необходимые химические добавки, устойчиво обеспечивается прессование до СВ > 30%.
Для моделирования были приняты следующие значения эффективности диффузионной стадии процесса:
— NTU=8 соответствует средне-эксплуатационным показателям «старых» аппаратов, которыми отечественная промышленность снабжалась до середины 90-х гг.: DC, ПДС, КДА, КД2-А, ЭКА;
— NTU=11 соответствует гарантируемой поставщиком эффективности упомянутых ранее аппаратов, она достигается при тщательной наладке;
— NTU=14 соответствует эффективности ротационных аппаратов
№ 9 • 2017 САХАР
35
RT4, RT5 и двухшнековых DC, укомплектованных противоточ-ными ошпаривателями;
— NTU=17 гарантированно достигается современными колонными диффузионными аппаратами.
Результаты проведённого исследования дают основания для следующих выводов:
— с целью технико-экономической оценки диффузионно-прессовых установок предложено использовать число единиц переноса
(ЭТи);
— определено, что «конкурентоспособными» по расходу топлива могут стать те заводы, на которых будет обеспечена эффективность экстракции №Ги>20;
— прессование жома даже до СВ<20% даёт значительное повышение эффективности, поэтому даже для «старых» прессов целесообразно выполнить восстановительный ремонт, смонтировать схему возврата жомопрессовой воды и эксплуатировать её с соблюдением технологического регламента;
— для «старых» диффузионных аппаратов, работающих с отклонениями от технологического регламента, даже максимальные затраты на установку мощных прессов (СВ=35%) обеспечат эффективность лишь на уровне такого же аппарата, работающего при выполнении всех требований регламента, т.е. тот же экономический эффект может быть достигнут с гораздо меньшими затратами;
— даже для безукоризненно работающих «старых» диффузионных аппаратов закупка наиболее мощных прессов (СВ=35%) не увеличит суммарную эффективность до «конкурентоспособной» величины NTU>20;
— ротационные диффузионные аппараты могут достигать «кон-
курентоспособной» величины NTU-20 при работе с производительностью, не превышающей номинальную, выполнении всех требований регламента, прессовании жома до СВ=30—35% и комплектации противоточным ошпа-ривателем;
— бывшие в употреблении колонные диффузионные аппараты системы BMA и «Buckau Wolf», разработанные в 1960—1980 гг., в большинстве случаев необходимо модернизировать путём увеличения высоты (этот вопрос решается для каждого конкретного аппарата), также обязательным является автоматическое регулирование удельного наполнения;
— новые колонные диффузионные аппараты проектируются с учётом условий конкретного завода, при этом продолжительность экстракции может составлять 150—160 минут, а эффективность экстракции достигает 35—37 единиц.
Список литературы
1. Василенко, С.М. Енергоеко-номiчнi фактори тдвищення енергоефективносп цукрово! промисловосп /С.М. Василенко [та ин.] // Цукор Укра!ни. — 2013.
- № 5. - С. 13-16.
2. Штангеев, К.О. Випарт установки та тепловi схеми цукрових завод1в. - К. : ЮН1ДО, 2015. -66 с.
3. Филоненко, В.Н. Рациональная последовательность энергосберегающих технических решений для сахарного завода /В.Н. Филоненко, Д.Н. Цыганков, А.А. Швецов // Сахар. - 2016. - № 9.
- С. 24-31.
4. Даишев, М.И. Теоретические основы технологии сахара. Ч. 1. Технология получения диффузионного сока (современное состояние и перспективы развития). -Краснодар, 1997. - 70 с.
5. Коваль, Е.Т. Новый метод сравнительной оценки диффузионных аппаратов различных систем / Е.Т. Коваль, А.Я. За-горулько, А.А. Липец // Труды ЦИНСа. - Киев, 1960. - Вып. VII.
- С. 171-175.
6. Лысянский, В.М. Процесс экстракции сахара из свёклы. Теория и расчёт / В.М. Лысянский. - М. : Пищевая промышленность, 1973.
- 224 с.
7. Верхола, Л.А. Экстракция сахара из свёклы: возможности имеющегося оборудования / Л.А. Верхола, Н.Н. Пушанко // Цукор Укра!ни. - 2011. - № 11 (71). -С. 33-41.
8. Верхола, Л.А. Совершенствование методики проектирования диффузионных отделений / Л.А Верхола, М.И. Ладановский // Сахар. - 2014. - № 10. - С. 41-46.
9. Sobczynski, J. Ocena eksploatacji instalacji ekstraktora korytowego wspolpracuj^cego z zaparzalnikiem w Cukrowni Miejska Gorka / J. Sobczynski // Gazeta Cukrownicza. - 2010. - № 4. -S. 103-105.
10. Верхола, Л.А. Современные системы ошпаривания свекловичной стружки / Л.А. Верхола // Сахар. - 2015. - № 10. - С. 26-28.
11. Верхола, Л.А. Модершзащя системи ошпарювання колон-но! дифузшно! установки Шамра!вського цукрового заводу / Л.А. Верхола // Цукор Укра!ни. -2011. - № 1 (61) - С. 46-50.
12. Schulze, T. A look at technological and technical tower extraction trends SUGAR INDUSTRY / Т. Schulze [and oth.] // Zuckerindustrie 140 (2015). - No. 12. -Р. 748-752.
13. Прати, Э. Пути улучшения эксплуатационных показателей прессования жома / Э. Пра-ти, Ф. Манискалко // Вюник цукровикв Украши. - 2013. - № 7 (86). - С. 21-24.
36 САХАР № 9 • 2017
7-я совместная конференция Международной организации по сахару
— и и и
и Евразийской сахарной ассоциации
Рынок сахара стран СНГ
А
15 марта 2018 года Москва,
Рэдиссон Славянская
www.sugarconference.ru
Организаторы
По вопросам участия обращайтесь:
+7 (495) 695 37 42 sugarconf@gmail.com
