CC BY
38
Энергосберегающее теплообменное оборудование
в сахарной промышленности
П.А.Капустенко, А.В.Демирский, Г.Л.Хавин
АО «Содружество-Т» (г. Харьков) С.И.Бухикало, Л.Л.Товажненский
Национальный технический университет «ХПИ» (г. Харьков, Украина)
Производство сахара из свеклы — весьма энергоемкий процесс. Его экономичность прежде всего определяется затратами энергоносителей и их стоимостью. Последовательности чередующихся нагревов и охлаждений на всех этапах от первичной переработки свеклы до кристаллизации требуют широкого использования теплообменников. В этой связи выбор эффективного теплообменного оборудования для нагрева, охлаждения и рекуперации имеет первостепенное значение для экономичной работы всего производства. Рациональный подбор теплообменников позволяет увеличить производительность и эффективность процесса получения сахара.
На сахарных заводах за рубежом нашли широкое применение пластинчатые теплообменники практически всех типов: традиционные разборные и паяные, ширококанальные, спиральные, компоблоки, а также пластинчатые выпарные аппараты. Основными преимуществами пластинчатых тепло-обменных аппаратов являются:
• высокая эффективность теплообмена за счет повышения турбулизации потока;
• минимальное температурное сбли-
Просс_ Питающая вода
Пупьполовушка _
I I ш
ш
Жом на сушку
Подогреватель питающей воды
Диффузионный аппарат
Т1
Ошп.
I 1
Ошпариватель и
I
Свекольная стружка
На дефекацию
Рис. 1. Получение диффузионного сока
Подогреватель циркулирующего сока
жение между греющим и нагреваемым теплоносителем (до 1 °С);
• малые капитальные затраты; гибкость в наладке и модернизации, путем добавления пластин или изменения их типа;
• малая материалоемкость, масса и занимаемая площадь;
• легкость в обслуживании и эксплуатации.
Сотрудники кафедры «Общая химическая технология процессов и аппаратов» национального технического университета «ХПИ» (г. Харьков, Украина) длительное время занимаются исследовательскими разработками и созданием оптимальных систем пластинчатых теплообменных аппаратов для различных отраслей промышленности, в том числе пищевой и перерабатывающей. На базе кафедры при поддержке ряда зарубежных организаций создан Центр энергосберегающих интегрированных технологий. Совместно с АО «Содружество-Т» (г. Харьков) и ЗАО «Теплокомплект» (г. Белгород) поставлено и введено в эксплуатацию более 4500 пластинчатых теплообменников и проведена эффективная реконструкция около 2500 теплопунктов в 22 областях Украины и 10 - России. С 1996 г. освоено производство индивидуальных тепловых пунктов на основе пластинчатых теплообменников шведской фирмы «Альфа Лаваль». Специалисты фирмы «Содру-жество-Т» провели с использованием методов «пинч-анализа» [1], целый ряд обследований предприятий пищевой промышленности, в том числе сахарных заводов на предмет повышения тепловой и энергетической эффективности, установлены пластинчатые теплообменные аппара-
Подогреватель прессовой воды
ты, позволившие значительно снизить энергопотребление и повысить рентабельность производства.
Технологический процесс получения сахара из свеклы делится на 4 этапа [2]: получение диффузионного сока, или диффузия; очистка диффузионного сока; выпаривание сока и кристаллизация сахара из выпаренного сока.
Экстракция сахарного сока производится в диффузионных аппаратах и ошпаривателях различной конструкции (рис. 1). На этой стадии возможна установка трех теплообменных аппаратов: подогреватель питающей воды, подогреватель жомопрессовой воды и подогреватель циркуляционного сока. В первом случае может быть использован обычный разборный пластинчатый теплообменник, подобранный в соответствии с техническими условиями. Для подогревателей жомо-прессовой воды рекомендуется устанавливать ширококанальный пластинчатый аппарат или, в крайнем случае, традиционный теплообменник с большой высотой гофры. Как правило, подогреватель жомопрессовой воды двухступенчатый с нагревом от 60 до 80 °С и далее до 90 °С. При этом во второй ступени теплоносителем является конденсат или вторичный пар с третей ступени выпарной станции, а для первой ступени подогрев проводят обратным током самой жомопрессовой воды. Обе ступени размещают на одной раме. Зачастую подогрев циркуляционного сока и охлаждение диффузионного сока также производят в аппаратах подобного типа. В большинстве случаев в качестве подогревателя циркуляционного сока применяют спиральный или ширококанальный тепло-обменный аппарат. Это связано с наличием в диффузионном соке волокон, грубых частиц, взвесей и различных примесей, которые могут забивать каналы традиционных пластинчатых теплообменников. При использовании для нагрева диффузионного сока вторичного пара из вакуумных аппаратов (кристаллизаторов) рекомендуется применять горизонтальные спиральные теплообменники с верхней подачей греющего пара и отдельным отводом конденсата на нижней крышке. Это применение исключает засорение осадками, так как все отложения собираются на дне искривленного канала, обеспечивается хороший отвод неконденсирующихся газов при малых потерях давления.
Помимо основных преимуществ пластинчатых теплообменных аппаратов, указанных выше, только в них
возможна очистка поверхности нагрева с обеих сторон - со стороны теплоносителя и нагреваемого продукта.
На стадии очистки диффузионного сока возможна установка нескольких групп теплообменников-подогревателей (рис. 2). Для подогрева сока рекомендуется применять ширококанальные или спиральные теплообменные аппараты. Особенно эффективно использовать спиральные теплообменники, которые обладают эффектом самоочистки. Для этих аппаратов в качестве греющего теплоносителя обычно используют конденсат, а также вторичный пар с третьей и четвертой ступени выпарной станции.
Высокой эффективностью работы характеризуются ширококанальные теплообменники для подогрева сока после первой сатурации перед фильтрованием и перед второй сатурацией. Причем в последнем случае допускается установка традиционного пластинчатого теплообменника с большой высотой гофры. Также ширококанальный теплообменник целесообразно и экономически выгодно монтировать после котла второй сатурации в качестве подогревателя сатурированного сока. Далее в технологической цепочке деминерализации очищенного сока (разбавленного сока) можно использовать обычный пластинчатый аппарат. В качестве греющего теплоносителя для подогрева сока в отделении очистки диффузионного сока обычно применяют вторичный пар третьей ступени, иногда второй ступени.
На рис. 3 представлена схема выпарной станции сахарного завода, в которой сок перед подачей в первый корпус подогревается в нескольких паровых пластинчатых подогревателях. Для заданных технических условий здесь можно с высокой эффективностью использовать обычные пластинчатые теплообменные паровые аппараты. При этом реализуется основное их преимущество, позволяющее нагреть очищенный сахарный сок до температуры на 2 °С приближающейся к температуре пара, что невозможно при использовании теплообменников других типов.
В качестве греющего пара используется вторичный пар с первой и второй ступени, а также ретурный (турбинный) пар, если это предусмотрено техническими условиями. После выпарной станции располагается подогреватель выпаренного сиропа перед выходом через фильтр или сепаратор на кристаллизацию. На подогрев идет пар третьей ступени выпарной станции,
ENGINEERING AND TECHNOLOGY
что позволяет улучшить фильтрацию и сберечь энергию.
На выпарных станциях используются специальные пластинчатые испарители (рис. 4), которые могут устанавливаться как обычные пластинчатые теплообменные аппараты, так и в цилиндрической оболочке. Выпарные станции на базе таких аппаратов проектируются на 5-6 ступеней под разряжением. Главное их достоинство — высокая эффективность испарения; малое время пребывания сахарного сока в аппарате, низкие тепловые потери и т.д. Обычно пластинчатые испарители монтируют совместно с сепараторами вторичного пара, (рис. 5), а также оборудуют системой циркуляции выпариваемого раствора, для обеспечения аварийной циркуляции раствора в случае прекращения его подачи. Для выпарных станций большое распространение получила установка пластинчатых выпарных аппаратов в качестве усилителя традиционного трубчатого испарителя, дополняющего его работу. К основным достоинствам пластинчатых испарителей можно отнести:
• малые капитальные затраты;
• низкое энергопотребление;
• малый вес и габариты и, как следствие, низкие затраты на строительство;
• пониженное накипеобразование и инкрустация рабочей поверхности;
• возможность легко наращивать мощность;
• стойкость конструкции и возможность автоматической промывки;
• полный доступ к поверхности теплообмена.
На последней стадии получения сахара - кристаллизации (рис. 6) - пластинчатые теплообменники используют в качестве подогревателей сиропа. Применяют паровые теплообменные
Падагрййатали д&фбкйваниОгО сока Подогреватели сома
Подогреватели диффузионного сока
Крили гнрнн I"* дэ
™ ™ Подогреватель Подогреватель Подогрева-
Чл готипшип сатиоиоонаннога (Ьильтооняиного г.ягипиппня!
фил ьтрова н ного сока
' Вакуум-фильтр со*а 2-я сатурация
Рис. 2. Очистка диффузионного сока
Вакуум-
Подогреватель фильтр сатурированного
сока
V
Рис. 4. Пластинчатый выпарной аппарат фирмы «Альфа Лаваль»
Рис. 5. Пластинчатый испаритель фирмы «Альфа Лаваль» совместно с сепаратором вторичного пара
аппараты традиционном комплектации. Если в технологической схеме предусмотрена установка сепаратора для очистки сиропа, поступающего в сборник первого вакуум-аппарата, а не фильтра, то подогреватель сиропа не ставят.
Пластинчатые теплообменные аппараты с успехом можно применять при получении побочных продуктов сахарного производства и на вспомогательных процессах. Например, при растворении и раффинации, при переработ-
ке патоки (мелассы), обессахаривании патоки (мелассы), подогреве питательных сред, охлаждении смазочного и турбинного масел, обработке сточных вод и т.д.
Современные требования к реконструкции предприятий сахарной промышленности, помимо замены устаревшего оборудования новым, более совершенным, предполагают также всестороннюю оценку теплового хозяйства в целом. Для этого прежде всего необходим анализ существующих тепловых потоков и их оптимизация с целью уменьшения капитальных и эксплуатационных затрат. В этом отношении весьма эффективен метод пинч-анализа, разработанный в университете г. Манчестера (Великобритания) [1] и развиваемый для условий Украины в Центре энергосберегающих технологий Национального технического университета «ХПИ».
АО «Содружество-Т», используя методы и инструменты пинч-анализа, провела целый ряд обследований сахарных заводов [1,3], в результате которых был разработан комплекс мероприятий, позволяющих снизить потребление тепловой энергии на 30-40%. Разработанный АО «Содру-жество-Т» комплекс программ позволяет быстро и эффективно оценить тепловое хозяйство сахарного завода и предложить комплекс меро-при-ятий по модернизации тепловой системы.
ЛИТЕРАТУРА
1. Смит Р., Клемеш Й, Товажнянс-кий Л.Л., Капустенко П.А., Ульев Л.М. Основы интеграции тепловых процессов. - Харьков: НТУ «ХПИ», 2000. 456 с.
2. Колесников В.А., Нечаев Ю.Г. Теплосиловое хозяйство сахарных заводов. - М.: Пищевая промышленность, 1980. 392 с.
3. Товажнянский Л.Л., Капустенко П.А., Ульев Л.М., Болдырев С.А. Улучшение тепловой интеграции на сахарных заводах // 1нтегроваш технологи та енер-гозбереження. 2002. №2. С.11-16.
