CC BY
7TECHNICAL SCIENCES
METHODS OF ECOLOGIZATION OF SUGAR PRODUCTION WITH THE PURPOSE OF REDUCING EMISSIONS INTO THE ATMOSPHERE
Ovcharuk V.,
PhD, Docent, Associate Professor of the Department of Informatics, National University of Food Technologies, Kyiv, Ukraine Yushchuk I.
Senior Lecturer of the Department ofInformatics, National University of Food Technologies, Kyiv, Ukraine
МЕТОДИ ЕКОЛОГВАЦП ЦУКРОВОГО ВИРОБНИЦТВА З МЕТОЮ ЗМЕНШЕННЯ ВИКИД1В
У АТМОСФЕРУ
Овчарук В.
К.т.н., доцент, доцент кафедри iнформатики, Нацюнальний yHieepcumem харчових технологт, Кшв, Украша
Ющук I.
Старший викладач кафедри тформатики, Нацюнальний утверситет харчових технологш, Кшв, Украша
Abstract
The paper studies influence of the size of equipment for saturation in crude juice purifying process in sugar production. Mathematical model for calculation of carbonation process is developed. It is established that theoretical size of saturator is smaller than the size of machines used in sugar factories. Saturation of carbonation gas with carbon dioxide has negative impact on its utilization rate.
Анотащя
Робота присвячена дослщженню впливу po3Mipy обладнання для сатураци в процеа очищення дифузшного соку в цукровому виробництвг Розроблена математична модель для розрахунку процесу кар-бошзаци. Встановлено, що теоретичний розмiр сатуратора менше тих апарапв, що використовуються на цукрових заводах. Насичення сатурацшного газу дюксидом вуглецю негативно впливае на коефщент його використання.
Keywords: calculations optimization, crude juice purifying, sugar production.
Ключовi слова: оптимiзацiя розрахунку, очистка дифузшного соку, цукрове виробництво.
Викиди СО2 промисловими пiдприeмствами кожний рiк збiльшуються на 2,7% i на 2021 вони на 60% бiльшi рiвня 1990 року — базового року для Кютського протоколу [1].
У виробничi сезони викиди цукровими заводами парогазових сумшей в атмосферу е звич-ним явищем i сприймаються як неминучють. Внаслiдок дiяльностi пiдприемств цукрово! проми-словостi вiдбуваеться забруднення атмосферного повггря, що призводить до змiни його хiмiчного складу та фiзико-хiмiчних властивостей. На щдприемствах iснуе сiмнадцять стацюнарних дже-рел викидiв, з яких викидаеться п'ятнадцять заб-руднюючих речовин. Для таких шдприемств викиди дюксиду карбону е значною та невирше-ною проблемою [3].
Серед них найбшьшими за кiлькiстю та агресившстю е викиди вiдпрацьованого сатурацшного газу з апарапв першо! та друго! сату-рацiй.
В складi вiдпрацьованого сатурацiйного газу знаходиться до 15% невикористаного дюксиду вуглецю, краплi води та водяна пара. Кшь-шсна оцiнка викидiв в кожному конкретному випадку залежить ввд багатьох факторiв. Основ-ними з них е якють виробництва сатурацшного
газу, досконалють обладнання для проведення процесу сатураци та дотримання оптимальних режимiв його роботи. Для заводу середньо! про-дуктивностi 3000 т буряыв/добу об'ем викидiв на першш сатурацii досягае 5000 м3/год., на другiй сатураци — 2000 м3/год.
Апарати першоi' сатураци мають низький коефiцiент використання дюксиду вуглецю, велик втрати тепла з сатурацшним газом, який покидае апарати сатураци, i, як наслiдок, велика забруд-ненiсть атмосфери СО2 з вщпрацьованим сату-рацiйним газом. Прост розрахунки матерiального балансу по дюксиду карбону показують, що в ввдпрацьованому сатурацiйному газi з апарату пер-шоi сатураци концентрацiя СО2 достатньо висока i достатня для використання цього газу в процеа II сатураци.
Зменшення обсягу викиду дюксиду карбону можна досягнути шляхом штенсифжаци процесу абсорбци його гiдроксидом кальцш. Основними факторами, якi впливають на швидшсть абсорбци дiоксиду карбону, е стутнь диспергування фаз, що контактують, та парцiальний тиск газу. Типовi апарати, якi використовуються в цукровш галузi про-мисловостi, працюють при атмосферному тиску з
диспергуванням газово! фази в радку. Ефект аб-сорбцп дiоксиду карбону складае —35%. Значно! штенсифжацп процесу можна досягнути при про-веденнi сатураци в апаратах шд тиском з диспергуванням редко! фази в газову.
Запропоновано дешлька схем пiдвищення утилiзацil СО2 за рахунок повторного використання СО2 з ввдпрацьованого сатурацiйного газу апара-тами першо! та друго! сатурацiй. Так, зпдно схеми [8] пропонуеться споаб сатураци цукрових роз-чинiв, оснований на використант ввдпрацьованого сaтурaцiйного газу першо! сатурацп в якостi сату-рaцiйного газу на другiй сатураци. Це зменшуе за-гaльнi витрати газу на проведения процесiв сатурацп та заощаджуе паливо, що використовуеться для його отримання в вапняково-обпалювальнш печi.
Ефективним способом тдвищення використання дiоксиду карбону в апаратах першо! та друго! сатурацш е розпилювання цукрового розчину в надсоковому просторi, або розпилювання в додат-ково встановленому абсорбер^ який являеться пер-шою ступеню сaтурaцi! [5].
Втрати можливо зменшити при збiльшеннi використання дiоксиду карбону шляхом мо-дернiзaцi! aпaрaтiв. Шдняття рiвня соку в апа-рап першо! сaтурaцi! з 4 м до 6 м приводить до збшьшення коефщента використання СО2 до 70%, що еквiвaлентно зменшенню теплових втрат на 1% до маси буряшв [4].
Ще одним способом модершзацп aпaрaтiв сатурацп е !х секцiонувaння при загальному прямо-тоцi роботи секцiй [7]. На першш та другш сату-рaцiях процес пропонуеться проводити у мо-дернiзовaному aпaрaтi сатурацп з першою розпилюючою стaдiею контакту фаз тд надлишко-вим тиском та наступною - барботажною. Отри-мaнi дaнi свiдчaть про зб№шення використання СО2 в двохсекцiйному сaтурaторi майже на 20%. Цукров1 розчини теля обробки в такому сатуратор!
мають вищi якlснi показники, що дозволяе на за-ключнш стадп отримати бiльше кристaлiчного цукру. Середнш показник коефiцiенту використання дюксиду карбону на 15-20% вищий за ана-логiчний показник в типовому сатуратора
Недолiком такого способу шдвищення використання СО2 е значно збшьшеш затрати енергi!, встановлення додаткових прилaдiв, зaмiнa обладнання на бшьш потужне.
Було проведено досл1дження по ошгашзацп процесу розрахунку обладнання, що призначене для поглинання дiоксиду карбону з метою нейтрал1зацп гiдроксиду кальцш при очищеннi дифузiйного соку в цукровому виробництвi. З цiею метою була розроблена математична модель ро-зрахунку технологiчного процесу сaтурaцi!, пара-метрична схема яко! наведена на рис. 1.
На першш сатурацп з участю карбонату кальцш завершуеться формування осаду з необ-хвдними для його вiдокремлення седиментацш-ними та ф№трацшними властивостями. На кшь-к1сть вилучених iз соку на першш сатурацп не-цукрiв адсорбщею та кристaлiзaцiею поряд з витратами вапна значно впливають так1 параметри: вмiст пдроксиду кaльцiю в соку щд час кри-стaлiзaцi! карбонату кальцш, температура, швид-к1сть поглинання дюксиду карбону, площа по-верхш та величина заряду часток карбонату кальцш, лшшна швидк1сть кристaлiзaцi! карбонату кальцш та ш.
Високий показник ступеня використання дюк-сиду карбону забезпечуе роботу заводу без пере-витрат вапняку, палива та енергп, значно полiпшуе керування першою сатуращею, а також суттево призводить до зменшення обсягу викиду дiоксиду карбону в атмосферу. На стушнь використання дюксиду карбону впливають так! параметри: вмют пдроксиду кальцш в соку, що мютився в сатуратор^ поверхня роздшу мгж соком та газом, штен-сивнють перем!шування соку та ш.
Рис.1. Параметрична схема математично'1 модел1 розрахунку швидкостг поглинання СО2 в сатураторi.
Дослвджувалось вплив технолопчних пара-метрiв процесу, конструктивних розмiрiв апарата i характеристик сатурацiйного газу на швидшсть по-глинання СО2 лужним соком. Кшцевою метою ще! роботи е досягнення оптимального значения дiа-метру сатуратора в залежностi вiд вмюту дiоксиду карбону в сатурацiйному газг
На математичнiй моделi першо! сатураци до-слвджувався вплив конструктивних розмiрiв апа-рату: дiаметра апарату, висоти соку в апарап, i технолопчних параметрiв: вмiсту СО2 в сатурацшному газi, витрат вапна на очищення, температури соку в апарап, швидкостi спливання газових бульбашок на швидшсть поглинання СО2 лужним соком. Мате-матична модель складаеться з рiвнянь, що опису-ють пдродинашку руху бульбашок сатурацiйного газу в сатурованому соку, а також рiвнянь для опису масообмiну в апарап з урахуванням ро-зрахунку поверхш подiлу фаз i коефiцiентiв дифузи дiоксиду карбону i масовiддачi при абсорбци в рвдинному середовищi.
Зменшення кiлькостi викидiв за рахунок по-кращення гiдродинамiчних умов ведення процеав i збiльшення коефiцiента використання СО2 в сатураторах можливо досягти при максимальнiй швид-костi процеав масопередачi, як1 ввдбуваються при оптимальних значеннях гiдравлiчного опору облад-нання i залежать ввд висоти шару продукту, що обробляеться, його газовмюту, швидкосп руху га-зово! фази.
Швидшсть поглинання дюксину карбону:
Шс^ =УгРп^ Кр1 • (Ар — Ас),
де У1 -фактор прискорення абсорбци; Рп — питома поверхня подшу фаз, м2/м3; Кр1 — коефщент масопередачi, м/с; Ар — розчин-нiсть СО2 у цукровмютних розчинах, кмоль/м3; Ас — початкова концентращя СО2 у соку.
Коефщент масопередачi виражае собою к1ль-шсть речовини, що переходить з одше! фази в iншy за одиницю часу через одиницю поверхнi контакту фаз. При проведенш масопередачi важко розчин-них газiв, яким i е СО2, опiр масопередачi зазвичай знаходиться зi сторони газово! фази та залежить в;д И швидкосп:
Kpt =
Dc • Ко • Ubf • ps
2 • as
де Ис — коефщент дифузil СО2 у цукровмiст-них розчинах, м2/с; Ко — коефщент опору; иЬ^-швидк1сть спливання газових бульбашок, м/с; рэ — густина соку, кг/м3; об — поверхневий натяг на поверхш подшу фаз ак-газ, н/м.
При оптимiзацil був врахований взаемозв'язок вище перерахованих параметрiв процесу i зробле-ний контрольний розрахунок. За табличними да-ними отримаш рiвняння, якi використанi в модели Це величина стало! Генрi для температур у межах 20 - 90 °С, яку визначали за формулою, що отри-мана методом найменших квадратiв з абсолютною похибкою, яка становить 52=1,6 10-2, величина пар-цiального тиску водяно! пари, яку визначили за рь внянням, що отримано з абсолютною похибкою 52 =4,81810-3 i значення динамiчноl в'язкостi соку, яка отримана по апроксимованiй з середньоквадра-тичною похибкою 52 =5,38 10-10.
Було встановлено, що при зниженш вмiсту дi-оксиду карбону в сатурацшному газi до 20% сту-пiнь його поглинання зростае приблизно до 70%.
Так для заводу потужшстю по переробцi 3000 тисяч тон буряшв на добу, з витратами на очищення 2,5% СаО до маси буряшв i висотою соку в сатура-торi 3,5 метри зменшення дiаметра апарату з трьох до двох метрiв i зменшенням швидкостi спливання бульбашок сатурацшного газу вiд 0,3 до 0,1 м/с приводить до зростання швидкосп поглинання СО2 (рис. 2).
4x10
- 3
3x10
- 3
J1
ООО
J2
ООО
J3
Б-Б-Б
2x10
-3
1x10
-3
0.1
0.15
0.2 Ub
0.25
Рис.2. Залежнгсть швидкостг поглинання СО2 eid швидкостг спливання бульбашок Ub i дгаметра
апарату (J1 - 3 м; J2 - 2,5 м; J3 -2 м).
Аналiз piBMHb масопередачi у моделi показуе, що створення обладнання для проведения першо! сатураци , в якому процеси масопередачi вщбува-ються з високою штенсивтстю, однозначно приводить до зменшення викидiв СО2 у навколишне се-редовище.
СПИСОК Л1ТЕРАТУРИ:
1. Cuellar-Franca, R. M. Carbon capture, storage and utilisation technologies: Acritical analysis and comparison of their lifecycle environmental impacts [Text] / R. M. Cuellar-Franca, A. Azapagic // Journal of CO2 Utilization. — 2015. — Vol. 9. —P. 82-102. doi:10.1016/j.jcou.2014.12.001
2. Duraccio, V. Carbon capture and reuse in an industrial district: A technical and economic feasibility study [Text] / V. Duraccio, M. G. Gnoni, V. Elia // Journal of CO2 Utilization. — 2015. — Vol. 10. — P. 2329. doi:10.1016/j.jcou.2015.02.004
3. Fairbairn, E. M. R. Cement replacement by sugar cane bagasse ash: CO2 emissions reduction and potential for carbon credits [Text] / E. M. R. Fairbairn, B. B. Americano, G. C. Cordeiro, T. P. Paula, R. D. Toledo Filho, M. M. Silvoso // Journal of Environmental Management. — 2010. — Vol. 91, №» 9. — P. 18641871. doi:10.1016/j.jenvman.2010.04.008
4. Вискребцов, В. Б. 1нтенсифжатя технолопчних процеав в цукровш промисловосп
на 0CH0Bi ежекцшних методiв / В. Б. Вискребцов, В. В. Пономаренко // Харчова наука i технолопя. -2011. - № 3 (16). - С. 87-90.
5. Досвщ впровадження в виробництво висо-коефективного тепло- та масообмшного обладнання. Вщ теорй до впровадження / В. А. Мельник, В. О. Бойко, М. О. Прядко, С. А. Наумчик та ш. // Цу-кор Укра!ни. - 2017. - №2 (134). - С. 12-17.
6. Мартинюк, А. С. Шдвищення ефективносп очищення дифузшного соку шляхом удоскона-лення i карботзацп [Електронний ресурс] : авто-реф. дис. ... канд. техн. наук : спец. 05.18.05 / А. С. Мартинюк ; Нацюнальний утверситет харчових технологш. - Ки!в, 2017. - 23 с. - Режим доступу до Електронного архiву Нацюнального унiверситету харчових технологiй : http ://dspace. nuft. edu.ua/j spui/han-dle/123456789/25929 (дата звернення: 22.06.2018).
7. Пономаренко, В. В. Споаб тдвищення ефективносп роботи сатурацшних апаратiв [Текст] / В. В. Пономаренко // Цукор Укра!ни. — 2014. — № 7(103). — С. 13-16.
8. Рева, Л. П. Фiзико-хiмiчнi основи технолопчних процеав очищення дифузшного соку у виробнищга цукру : моногрaфiя / Л. П. Рева ; Нацюнальний утверситет харчових технологш. - Ки!в : НУХТ, 2015. - 371 с.
0
