CC BY
109
QUALITY AND POWER INPUTS IN PROCESSES OF VACUUM DEHYDRATION OF THERMOLABILEMATERIALS
G.V. SEMENOV, E.V. BUDANTSEV, M.S. BULKIN
Moscow State University of Applied Biotechnology,
33, Talalikhina st., Moscow, 109316;ph.: (495) 670-06-15; e-mail: Semenov@msaab.ru
Alternative variants of vacuum dehydration of thermolabile materials are considered at various pressures, and also drying in the conditions of combination of cycles of drying vacuum at the initial stage with the subsequent classical freeze drying. Estimations of power inputs in these processes, and also estimations of level of safety of food properties are given.
Key words: vacuum drying, freeze drying, functional properties of gluten, histologic characteristics.
663.551.4
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ЭТАНОЛА
Л.М. ЛЕВАШОВА \ Т.А. УСТЮЖАНИНОВА \ Т.Г. КОРОТКОВА2, Е.Н. КОНСТАНТИНОВ2
1 Майкопский государственный технологический университет,
352700, г. Майкоп, ул. Первомайская, 191; электронная почта: popova@maykop.ru 2 Кубанский государственный технологический университет,
350072, г. Краснодар, ул. Моковская, 2; электронная почта: intrel@kubstu.ru
Обоснована экономическая целесообразность рекуперации теплоты вторичных паров выпаривания барды для обогрева колонн брагоректификационной установки и на стадии ферментативного разваривания.
Ключевые слова: брагоректификационная установка, энергосбережение, этанол, выпаривание барды, математическое моделирование.
Экономическим вопросам производства пищевого спирта в настоящее время уделяется значительное внимание. Большинство исследований и технических предложений по энергосбережению в технологии производства пищевого спирта посвящены раздельному анализу процессов разваривания, осахаривания, брожения, брагоректификации и упаривания фильтрата барды. Однако очевидно, что этот комплекс должен рассматриваться как единая система. Фирмы Anhydro [1] и Wiegand [2] рекомендуют использовать при производстве биоэтанола теплоту паров спиртовой колонны на стадии выпаривания, что проблематично при производстве пищевого спирта глубокой очистки. Компания «Бизнеспромэнерго» и китайские специалисты [3, 4] предлагают многокорпусные выпарные установки (МВУ), 3- и 5-корпусное выпаривание.
Инновационным и, на первый взгляд, кардинальным решением является применение вакуума с отгонкой спирта на стадии брожения [5], что позволяет решить проблему инактивации дрожжей. К сожалению, авторами [5] не освещены проблемы герметизации, механической прочности бродильных чанов под внешним давлением для установок большой производительности, не приведены затраты на откачку углекислого газа и на извлечение из него паров спирта.
Многие исследователи высказывают идеи о способах снижения количества технологической воды в производстве спирта, которые сводятся к следующему: исключить использование острого пара; повысить концентрацию сусла, а следовательно, крепость бражки; часть фильтрата бражки (до 30%) подавать на стадию разваривания; использовать работу бражной колонны под вакуумом. Если также учесть, что МВУ экономич-
нее сушки, и совместить разваривание, выпаривание барды и брагоректификацию [6] с оптимизацией рекуперации теплоты, то можно достичь существенных результатов.
Современный уровень технических решений по дроблению, развариванию, ферментации, термотолерантным дрожжам, брагоректификации позволяет поднять крепость бражки до 12% об.
Проанализируем на первом этапе исследования порядок величин энергопотребления раздельных стадий брагоректификации, выпаривания фильтрата бражки и ферментативного разваривания.
Во-первых, для установки производительностью 3000 дал/сут спирта и при обычной крепости бражки 7,5% об. (все расчеты проведены на суточную производительность и размерность расходов теплоты в ГДж/сут) количество бражки составит 400 м3/сут. Современное ферментативное низкотемпературное разваривание замеса является стадией, потребляющей тепловую энергию на температурном уровне 100°С в количестве порядка 130 ГДж/сут. Эта теплота перед брожением снимается в основном охлаждающей водой. В бражной колонне целесообразно поддерживать вакуум, чтобы удалить спирт из бражки при низкой температуре и при этой же температуре отделить на центрифуге дрожжи, сведя к минимуму их плазмолиз. Затраты теплоты на брагоректификацию составляют в браж-ной колонне 90 ГДж/сут. В эпюрационную и ректификационную колонны подводится 50 и 200 ГДж/сут соответственно. На выпаривание барды в 3-корпусной установке требуется порядка 250 ГДж/сут. В сумме основные затраты теплоты на разваривание и БРУ составляют 470 ГДж/сут и 250 ГДж/сут на выпаривание,
т. е. всего 720 ГДж/сут. Затраты на газ в денежном выражении составят порядка 100 тыс. р./сут.
Во-вторых, примем высокое значение крепости бражки, не максимальные 12%, а 10,6% об. Количество бражки станет равным 283 м3/сут. В бражной колонне отгоним бражной дистиллят в количестве 57 м3/сут и получим около 226 м3/сут барды. После отделения нерастворимого осадка и подачи 25% фильтрата бражки на приготовление замеса, получим 169,5 м3/сут фильтрата.
Опытным путем нами определено содержание сухих веществ (СВ) в фильтрате кукурузной бражки, выработанной по типовой технологии без рециркуляции на стадию разваривания, равное 2,6%. При рециркуляции оно возрастет до 3,275%. Если упарить фильтрат до концентрации СВ 30%, то получится 18,5 м3/сут концентрированной барды и 151 т/сут вторичного пара. Выпаривание целесообразно проводить под высоким давлением, чтобы высококонцентрированный кипящий раствор имел низкую вязкость при высокой температуре, и осуществлять его интенсивную принудительную циркуляцию через кипятильник. Полученный вторичный пар сравнительно высокого давления, имеющий температуру 120-130°С можно использовать для других технологических нужд. При конденсации этого пара будет получено 347 ГДж/сут теплоты, которой достаточно для проведения процесса браго-ректификации. Вместе с развариванием потребуется 477 ГДж/сут, что в стоимостном выражении составляет 67 тыс. р./сут. Экономия затрат на газ в денежном выражении составит порядка 33 тыс. р./сут.
Для более точного и детального анализа результатов, а также поиска вариантов схемы рекуперации теплоты и путей дальнейшего уменьшения энергозатрат в качестве примера было рассмотрено два варианта технологической схемы БРУ, совмещенных с выпариванием. Разработаны математические модели схем с использованием идентифицированных математических модулей входящих в них процессов [7-10].
В первом варианте предусмотрено 2-корпусное выпаривание. Вторичный пар первого корпуса направлялся на обогрев второго корпуса, а вторичный пар второго - использовался для обогрева бражной, эпюраци-онной и спиртовой колонн [6]. Бражка в количестве 514 м3/сут имела крепость 5,9% об.
На МВУ получен кислый вторичный пар, причем после первой ступени выпаривания он содержал 269 мл/л кислот и 1,5% этанола и летучих примесей спирта, а после второй ступени - 236 мл/л кислот и
0,15% этанола и летучих примесей спирта. Часть пара первой ступени в количестве 78 м3/сут подавалась в бражную колонну в качестве острого пара. В остальные колонны подавался пар со второй ступени для глухого обогрева. Получено барды 504 м3/сут. На выпаривание затрачено 644 ГДж/сут, после второй ступени получен концентрированный 30%-й фильтрат барды. Общие затраты с учетом разваривания составили 774 ГДж/сут. Это больше, чем определено выше при предварительной оценке в количестве 720 ГДж/сут на раздельные выпаривание и брагоректификацию, что связано с использованием бражки низкой крепости и
обогрева бражной колонны острым паром. При установке на бражную колонну кипятильника и переходе на глухой обогрев суммарные затраты снижаются до 595 ГДж/сут. Таким образом, целесообразна рекуперация теплоты выпаривания на БРУ.
Во втором варианте в отличие от первого основная часть паров первой ступени выпаривания используется для обогрева колонн БРУ, а оставшаяся часть пара подается в качестве греющего на вторую ступень выпарной установки, предназначенную для окончательного концентрирования фильтрата барды до содержания СВ 30% об.
Моделирование выполнено для установки по переработке 283,8 м3/сут бражки крепостью 10,6% об. с возвратом 02 = 53,9 м3/сут фильтрата барды на стадию разваривания.
Согласно технологической схеме (рисунок), высококонцентрированная бражка подается в конденсатор бражного дистиллята 4, где нагревается до температуры 50°С. Нагретая бражка подается на верхнюю тарелку бражной колонны 1, обогреваемой вторичным паром 1-го корпуса 2-корпусной выпарной установки. Бражная колонна работает под вакуумом для снижения температуры барды и уменьшения плазмолиза находящихся в ней дрожжей. Пары, обогащенные этанолом и другими спиртовыми примесями, поступают в конденсатор бражной колонны 4, конденсируются и в качестве бражного дистиллята направляются на питательную тарелку эпюрационной колонны 2. Она обогревается вторичным паром 1-го корпуса 2-корпусной выпарной установки. По выходе из колонны 2 пары, содержащие летучие примеси, пройдя дефлегматор 5 и конденсатор 7, в виде эфиро-альдегидной фракции (ЭАФ) выводятся из установки в сборник ЭАФ. Эпюрат направляется на питательную тарелку спиртовой колонны 3, обогре-
ваемой вторичным паром 1-го корпуса 2-корпусной выпарной установки. Непастеризованный спирт, отбираемый из конденсатора 8 спиртовой колонны 3, рециркулируется на верхнюю тарелку эпюрационной колонны 2. Сивушный спирт, отбираемый с тарелок выше питательной, и сивушное масло, отбираемое с тарелок ниже питательной, выводятся из установки. Ректификованный спирт отбирается с верхних тарелок спиртовой колонны 3. Барда выводится из нижней части бражной колонны 1 и поступает в циркуляционный насос барды 12, которым через ребойлер 9 возвращается вниз бражной колонны 1. Другая часть барды поступает в декантер 13, где разделяется на осадок и фильтрат. Фильтрат отводится в 1-й корпус 14 2-корпусной выпарной установки, обогреваемый первичным паром. Частично упаренная барда поступает во 2-й корпус 15 выпарной установки, обогреваемый вторичным паром 1-го корпуса. Вторичный пар 1-го корпуса поступает в коллектор 16, снабженный пятью штуцерами, первый штуцер 17 - для подачи вторичного пара в коллектор, второй 18 - для подачи вторичного пара в греющую камеру 2-го корпуса 2-корпусной выпарной установки, третий 19 - для подачи вторичного пара в выносной ребойлер 9, четвертый 20 - для подачи вторичного пара в выносной кипятильник 10 эпюрационной колонны 2, пятый 21 - для подачи вторичного пара в выносной кипятильник 11 спиртовой колонны 3. Концентрат фильтрата барды выводится из 2-го корпуса выпарной установки для последующей переработки.
Для моделирования на ЭВМ необходимо задать неизвестные количества вторичного пара первой ступени выпарной установки (МВУ) и греющего пара, подаваемого на БРУ и на вторую ступень. Для их определения разработана следующая методика расчета.
После расчета БРУ было определено количество барды О1 = 215,7 м3/сут, и за вычетом рецикла барды на разваривание расход фильтрата на МВУ составил О3 = = 161,8 м3/сут. Количество теплоты Q = 286 ГДж/сут, которое необходимо подать для обогрева БРУ, находится из теплового баланса с учетом потерь. Количество теплоты для БРУ принято больше, чем 286 ГДж/сут, а именно, Q2 = 292 ГДж/сут, чему отвечает количество пара О6 = 132960 кг/сут (06 = О6' + 0'6'+ О"^ или 133,2 м3/сут в пересчете на жидкость при 20°С. На первой ступени МВУ надо получить О4 пара, больше чем О6 на неизвестную пока величину расхода пара на обогрев второй ступени О7 = Xм3/сут. Пар образуется и при дросселировании фильтрата первой ступени О5 при переходе его с давления 0,21 МПа на вторую ступень (давление 0,11 МПа). Количество образовавшегося пара рассчитано по модели адиабатического процесса дросселирования - Оп = 0,8 м3/сут.
Из общего материального баланса МВУ по начальной и конечной концентрациям СВ найдено, что количество концентрированного фильтрата барды О8 = = 18,2 м3/сут.
Запишем материальный баланс первой ступени выпаривания
О3 = О4 + О5. (1)
Материальный баланс коллектора пара 16 (рисунок) О4 = 06 + X. (2)
Материальный баланс второй ступени выпаривания
о5 = о8 + X+оп. (3)
В уравнении (3) принято, что количество вторичного пара второй ступени равно сумме количества греющего пара О7 и количества пара Оп, образовавшегося при самоиспарении фильтрата первой ступени.
Решая уравнения (1)-(3), найдем
X = (Оз -О6-О8 -Оп)/2. (4)
Найденное значение X = 4,83 м3/сут. Тогда на первой ступени МВУ необходимо выпарить
О4 = X + Об = 4,83 + 133,2 = 138,03 м3/сут.
Для этого необходимо подвести Q1 = 330 ГДж теплоты.
Общие затраты теплоты с учетом разваривания составят 460 ГДж. Это меньше, чем оценено выше приблизительно для случая одноступенчатого разваривания, где требуется 477 ГДж.
При использовании теплоты вторичных паров МВУ для стадий разваривания и брагоректификации, по нашему мнению, всегда выгоднее применять 1-корпус-ное выпаривание. Проверим это для рассматриваемого случая. Расход фильтрата на МВУ равен 161,8 м3/сут, количество концентрированного фильтрата 18,2 м3/сут. Тогда расход вторичного пара 143,6 м3/сут, и при его конденсации будет получено 316 ГДж/сут теплоты. Затраты на выпаривание составят 343 ГДж теплоты. Затраты возрастут на 13 ГДж/сут при увеличении используемой энергии на 24 ГДж/сут. Экономия составит 11 ГДж/сут. Общие затраты при одноступенчатом выпаривании - 449 ГДж/сут, т. е. меньше общих затрат при двухступенчатом выпаривании, которые равны 460 ГДж/сут. Вместе с тем снижаются капитальные затраты на МВУ. Технологический режим БРУ следующий:
Бражная колонна (под вакуумом)
Число тарелок/тарелка питания 24/24
Расход бражки, м3/сут 283,8
Крепость бражки, % об. 10,6
СВ в бражке, % об. 2,6
Давление низа, МПа 0,05
Давление верха, МПа 0,03
Температура низа, °С 81,5
Температура верха, °С 71,6
Эпюрационная колонна
Число тарелок/тарелка питания 39/20
Расход бражного дистиллята, м3/сут 68,8
Крепость бражного дистиллята, % об. 43,7
Отбор эфиро-альдегидной фракции, м3/сут 2
Отбор эпюрата, м /сут 122
Крепость эпюрата, % об. 23,6
Давление низа, МПа 0,118
Давление верха, МПа 0,103
Температура низа, °С 90,6
Температура верха, °С 88,5
Ректификационная колонна Число тарелок/тарелка питания 80/16
Тарелка отбора ректификованного спирта 78
Тарелка отбора сивушного спирта 20
Тарелка отбора фракции сивушных масел (ФСМ) 4
3
Отбор непастеризованного спирта, м /сут 0,1
3
Выход ректификованного спирта, м /сут 29,55
Крепость ректификованного спирта, % об. 96,54
3
Отбор сивушного спирта, м /сут 0,11
Крепость сивушного спирта, % об. 74,4
3
Отбор ФСМ, м /сут 1
Концентрация этанола в ФСМ, % об. 4,8
Давление низа, МПа 0,128
Давление верха, МПа 0,105
Температура низа, °С 106
Температура верха, °С 79
Технологический режим 2-корпусной выпарной установки 3
Расход барды, м /сут 215,7
3
Фильтрат барды на разваривание, м /сут 53,9
3
Фильтрат барды на МВУ, м /сут 161,8
3
Концентрат фильтрата барды, м /сут 18,2
СВ в концентрате фильтрата барды, % об. 30
ВЫВОДЫ
1. Разработана методика моделирования схемы совмещенного теплопотребления БРУ и МВУ и разваривания.
2. Показана экономическая целесообразность рекуперации теплоты вторичных паров выпаривания для обогрева колонн БРУ и разваривания.
3. В совмещенной схеме МВУ и БРУ оптимальным является 1-корпусное выпаривание.
ЛИТЕРАТУРА
1. Завод сушки послеспиртовой барды. Пресс-релиз 01 февраля 2010 r.-http://www.anhydro.com/content/ru (дата обращения 08.09.2010 г.).
2. GEA Wiegand, Ettlingen, Germany - distillation, rectification and evaporation of beverages. - http://www.gea-wiegand.ru (дата обращения 14.09.2010 г.).
3. Компания «БИЗНЕСПРОМЭНЕРГО & ГЛАС СВ.». Экологически чистая технология переработки спиртовой барды DDGS. Технологическая цепочка и описание технологического процесса. -http://equipment-extrusion.ru (дата обращения 06.09.2010 г.).
4. Jinan Keyu Zhanye Technology & Equipment Co., Ltd. -http://ru.keyualcohol.com (дата обращения 10.09.2010 г.).
5. Арсеньев Д.В., Ежков A.A. Технология этилового спирта на основе сопряжения процессов брожения и дистилляции // О состоянии и направлениях развития производства спирта этилового из пищевого сырья и ликероводочной продукции. - М.: Пищепромиз-дат, 2005. - С. 77-92.
6. Перспективность технологии производства бензанола на базе достижений спиртовой промышленности / Е.Н. Константинов, Т.Г. Короткова, Л.М. Левашова и др. // Изв. вузов. Пищевая технология. - 2009. - № 3. - С. 57-59.
7. Константинов Е.Н., Короткова Т.Г., Ачмиз Б.М. Моделирование процесса ректификации для непрерывных установок получения пищевого спирта // Изв. вузов. Пищевая технология. -1996. - № 5-6. - С. 55-59.
8. Константинов Е.Н., Короткова Т.Г. Разработка моделей равновесия пар - жидкость, жидкость - жидкость, твердое тело -жидкость для систем масложировой и спиртовой промышленности // Изв. вузов. Пищевая технология. - 2005. - № 2-3. - С. 23-27.
9. Моделирование нестабильного состояния системы жидкость - жидкость многокомпонентных спиртовых смесей / Т.Г. Короткова, О.В. Мариненко, С.К. Чич и др. // Изв. вузов. Пищевая технология. - 2007. - № 1. - С. 65-67.
10. Чич С.К., Короткова Т.Г.,Сиюхов Х.Р.,Константи-нов Е.Н. Моделирование равновесий жидкость - жидкость - пар многокомпонентных спиртовых смесей // Изв. вузов. Пищевая технология. - 2007. - № 1. - С.82-86.
Поступила 30.11.10 г.
ENERGY-SAVING IN THE PRODUCTION OF ETHANOL
L.M. LEVASHOVA1, T.A. USTYUZHANINOVA1, T.G. KOROTKOVA2, E.N. KONSTANTINOV2
1 Maikop State Technological University,
191, Pervomaiskaya st., Maikop, 352700; e-mail:popova@maykop.ru
2 Kuban State Technological University,
2, Moskovskaya st., Krasnodar, 350072; e-mail: intrel@kubstu.ru
Proved the economic feasibility of heat recovery of the secondary steam, evaporating draff for heating columns distillation plant and at the stage of fermental boil soft.
Key words: distillation plant, energy-saving, ethanol, evaporating draff, mathematical modeling.
664.848:621.1.013
ИССЛЕДОВАНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ ВНУТРЕННЕГО И ВНЕШНЕГО ТРЕНИЯ ПЛОДОВ ШИПОВНИКА И БОЯРЫШНИКА ПРИ СУШКЕ
А.Н. ОСТРИКОВ, В.В. концов
Воронежская государственная технологическая академия,
394036, г. Воронеж, пр-т Революции, 19; факс (4732) 55-35-54, электронная почта: oan@vgta.vrn.ru
Полученные данные зависимостей коэффициентов внутреннего и внешнего трения от влажности шиповника и боярышника использованы при обосновании выбора рационального гидродинамического режима сушки, обеспечиваю-
