CC BY
47
663.551.4
СТОИМОСТНАЯ И ЭКСЕРГЕТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ ПРИ БРАГОРЕКТИФИКАЦИИ С ВЫПАРИВАНИЕМ БАРДЫ
Т.Г. КОРОТКОВА1, Л.М. ЛЕВАШОВА2, С.С. МАРИНЕНКО2, Е.Н. КОНСТАНТИНОВ1
1 Кубанский государственный технологический университет,
350072, г. Краснодар, ул. Московская, 2; электронная почта: intrel@kubstu.ru 2 Майкопский государственный технологический университет,
352700, г. Майкоп, ул. Первомайская, 191; электронная почта: popova@maykop.ru
Показано, что использование теплового насоса в технологическом процессе брагоректификации обеспечивает экономию энергии при стоимостной оценке 27%, эксергетической оценке - 43,7%. Применять тепловой насос на стадии выпаривания невыгодно.
Ключевые слова: брагоректификационная установка, тепловой насос, энергосбережение, выпаривание барды.
На большинстве брагоректификационных установок (БРУ) две основных энергопотребляющих стадии: разваривание и брагоректификация. На стадии разваривания в настоящее время существенно снижены энергозатраты за счет применения гидродинамического ферментативного разваривания. По оценкам, на установке при переработке 283,8 м3/сут бражки крепостью 10,6% об. на стадии ферментативного низкотемпературного разваривания при температуре 100°С потребляется тепловая энергия в количестве порядка 130 ГДж/сут. Количество теплоты, которое необходимо подать для обогрева БРУ, составляет 286 ГДж/сут, или 125 т/сут греющего пара, что меньше, чем предусмотрено нормами расхода пара на колонны БРУ [1]. Это связано с тем, что бражная колонна работает под вакуумом, а перерабатываемая бражка, которая получена нами при переработке кукурузного зерна высокого качества, имеет низкое содержание 2-пропанола -0,26 мг/дм3.
В настоящее время, согласно постановлению правительства, регламентирована обязательная переработка послеспиртовой барды. После переработки бражки получается 225 м3/сут барды. Содержание сухих веществ (СВ) в фильтрате барды при его частичной рециркуляции на стадию разваривания составляет около 3,3%. Если упарить этот фильтрат в 1-корпусной установке до концентрации СВ 30%, то получится 151 т/сут вторичного пара. Если же выпаривание осуществить на 3-корпусной выпарной установке, то количество греющего пара сократится до 60 т/сут и затраты в 3-корпусной выпарной установке составят 138 ГДж/сут теплоты. Общие затраты тепловой энергии будут 553 ГДж/сут.
В работе [2] показано, что количество теплоты, необходимое для обогрева БРУ, целесообразно обеспечить путем использования вторичного пара выпаривания барды в 1-корпусной выпарной установке. Общие затраты теплоты при этом снижаются до 416 ГДж/сут. Дальнейшая экономия энергетических затрат возможна с использованием тепловых насосов.
В настоящей статье анализируется эффективность использования тепловых насосов на брагоректифика-
ционной и выпарной установках. На импортных БРУ для экономии энергии применяют пониженное давление в бражной и эпюрационной колоннах. Для закрытого обогрева этих колонн используют пары спирта из спиртовой колонны (СК). Зарубежный опыт не применим в полной мере в условиях Российской Федерации. Основным недостатком импортной схемы является то, что режимы работы 3 колонн БРУ в этом случае оказываются взаимосвязанными. Поэтому при колебаниях внешних параметров, что имеет место на отечественных БРУ, очень сложно поддерживать технологический режим СК, обеспечивающий получение спирта высокого качества. Между тем, российские ликеро-водочные заводы предъявляют жесткие требования к содержанию сивушного масла в спирте, а именно менее
2 мг/дм3. На наш взгляд, можно использовать теплоту паров СК для обогрева ее низа.
Нами предложено компримировать пары спирта, которые в типовой схеме конденсируются в дефлегматоре СК. После сжатия в винтовом компрессоре до давления 0,58 МПа их температура становится равной 160°С и они направляются для конденсации в выносной ребойлер СК, где после снятия теплоты перегрева, конденсируются при температуре 130°С. Конденсат под собственным давлением возвращается на верх СК в качестве орошения. Пары спирта перед входом в компрессор имели следующие параметры: расход
141 т/сут, температура 79,2°С, давление 0,106 МПа, крепость 96,6% об. Мощность компрессора 20 ГДж/сут, что соответствует 232 КВт. При конденсации паров спирта получено 119,3 ГДж/сут теплоты, что недостаточно для обогрева СК. В низ колонны необходимо подвести такое же количество теплоты, которое подводилось при использовании греющего пара -136,1 ГДж/сут. Поэтому при использовании теплового насоса необходимо дополнительно подвести в низ колонны 16 ГДж/сут. С этой целью была использована циркуляция жидкости, отбираемой с 1-й тарелки насосом через выносной ребойлер небольшой поверхности, который обогревается греющим паром.
Проведем экономическую оценку энергетических затрат. Стоимость 1 т греющего пара принята равной
280 р. по средним ценам, что соответствует стоимости
1 ГДж 120 р. Тогда стоимость греющего пара, который использовался при отсутствии теплового насоса, составляет 136,1 • 120= 16332р. Затраты на дополнительный пар при использовании теплового насоса -16 • 120 = 1920 р./сут.
На электроэнергию для привода компрессора затрачивается 10000 р./сут при цене одного ГДж 500 р.
Использование теплового насоса на БРУ позволяет получить экономию энергии в стоимостном выражении, равную 16332 - 11920 = 4412 р./сут, и снизить величину энергозатрат на 27%.
Если вместо стоимостной оценки произвести формальное сравнение по затратам энергии, то вместо расходуемых ранее 136,1 ГДж/сут, подаваемых в куб колонны, в схеме с тепловым насосом расходуется 20 ГДж/сут электроэнергии и 16 ГДж/сут греющего пара, т. е. 36 ГДж/сут. Таким образом, снижение энергозатрат составляет 100 ГДж/сут, или 73,5%. В целом энергетические затраты снижены с416до316 ГДж/сут. Сэкономленная энергия в размере 100 ГДж/сут может быть использована для проведения процесса разваривания зерновой массы. Учитывая, что стоимостная оценка справедлива только в рамках действующих цен, представляется целесообразным выполнить эксергети-ческий анализ.
Для расчета эксергии обычно принимают в качестве базовой температуру окружающей среды. Однако, учитывая, что из всех технологических потоков на БРУ наименьшую температуру имеет бражка и ее надо нагревать перед подачей на БРУ, то эта температура принята нами за базовую при расчете эксергии пара. Принято считать, что электроэнергия представляет собой 100%-ю эксергию, т. е. ее эксергия составляет 20 ГДж/сут при затратах электроэнергии 20 ГДж/сут. Эксергия греющего пара в схеме без теплового насоса составляет 49 ГДж/сут при энергетических затратах на греющий пар 136,1 ГДж/сут, а эксергия дополнительного пара в количестве 16 ГДж/сут, который требуется подвести при работе с тепловым насосом, равна 5,8 ГДж/сут. Суммарные затраты эксергии в схеме с тепловым насосом составляют 25,8 ГДж/сут. Общая экономия эксергии при использовании теплового насоса по сравнению с традиционной схемой обогрева низа СК греющим паром составит 49 - 25,8 = 23,2 ГДж/сут, что соответствует 43,7%. Из полученных результатов можно сделать вывод, что использование теплового насоса на СК представляет интерес для современного производства.
Для завершения энергетической оценки проведем аналогичный анализ по использованиию тепловых насосов в совместной схеме процесса брагоректифика-ции и выпаривания барды.
Рассмотрим процесс 1-корпусного и 3-корпусного выпаривания. При выпаривании фильтрата барды получено 151,6 т/сут вторичного пара с давлением 0,17 МПа и температурой 117°С. Для этого потребовалось 168 т/сут первичного греющего пара. Вторичный пар подан на компрессор мощностью 25 ГДж/сут, в ре-
160°С; 0,58 МПа
зультате компримирования получен перегретый пар давлением 0,35 МПа с температурой 200°С, который использован в качестве греющего пара при выпаривании. Его недостаточно, дополнительно требуется 168 - 151,6 = 16,4 т/сут первичного греющего пара. Таким образом, при 1-корпусном выпаривании необходимо 168 т/сут пара, при 3-корпусном - 60 т/сут. При использовании же теплового насоса - 25 ГДж/сут электроэнергии и дополнительно 16,4 т/сут пара. При цене греющего пара 300 р./т, а электроэнергии 500 р./ГДж экономия от использования теплового насоса по сравнению с 3-корпусной установкой составит всего 3,3%. К тому же при использовании теплового насоса возникает проблема использования винтового компрессора для сжатия кислого пара, который образуется при выпаривании барды, в составе которой всегда содержатся кислоты.
Технологическая схема совмещенного с выпариванием барды процесса брагоректификации рассмотрена в работе [2]. Схема использования теплового насоса в СК приведена на рисунке.
В СК 1 в качестве питания подается эпюрат. Пары с верха СК направляются на всас винтового компрессора 2. Скомпримированные пары спирта, имеющие высокое давление и температуру, подаются в качестве греющего теплоносителя в межтрубное пространство выносного ребойлера 3 СК, где практически полностью конденсируются, передавая теплоту конденсации для обогрева низа колонны. Недостающая часть теплоты, необходимой для процесса ректификации, вводится через дополнительный ребойлер 4, обогреваемый греющим паром. Парожидкостная смесь из ребойлера
3 разделяется в сепараторе 5 на головную фракцию (ГФ), которая рециркулируется в эпюрационную колонну, и конденсат спиртовых паров, который под собственным давлением возвращается на верх СК в качестве орошения. Сивушный спирт и сивушное масло в качестве вторичных продуктов брагоректификации выводятся из СК с тарелок выше и ниже питательной соответственно. Ректификованный спирт отбирается с 6-й тарелки, считая сверху колонны.
Предложенная технология позволяет получить экономию энергетических затрат, в стоимостном выраже-
нии равную 4,4 тыс. р./сут, что составляет 1,32 млн р./год. Сэкономленный греющий пар предлагается использовать для проведения разваривания зернового замеса.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований и региональных инвесторов в рамках гранта РФФИ (проект № 11-08-96507-р_юг_ц).
ЛИТЕРАТУРА
1. Справочник работника спиртовой промышленности (производство спирта из мелассы) / Под ред. П.В. Рудницкого. - Киев: Техшка, 1972. - 196 с.
2. Левашова Л.М., Устюжанинова Т.А., Короткова Т.Г., Константинов Е.Н. Энергосбережение при производстве этанола // Изв. вузов. Пищевая технология. - 2011. - № 1. - С. 68-71.
Поступила 24.03.11г.
VALUATION AND EXERGIC ASSESSMENT OF HEAT PUMPS USE IN BREW DISTILLATION
WITH EVAPORATION OF DRAFF
T.G. KOROTKOVA1, L.M. LEVASHOVA2, S.S. MARINENKO2, E.N. KONSTANTINOV1
1Kuban State Technological University,
2, Moskovskaya st., Krasnodar, 350072; e-mail: intrel@kubstu.ru
2 Maikop State Technological University,
191, Pervomaiskaya st., Maikop, 352700; e-mail:popova@maykop.ru
It is shown that use of heat pump in technological process of brew distillation provides economy of energy at a cost estimation of 27%, exergic assessment - 43,7%. Use of heat pump at an evaporation stage it is unprofitable.
Key words: brew distillation installation, heat pump, energy, evaporation of draff.
631.563
ЗАКОНОМЕРНОСТИ КОНВЕКТИВНОМ СУШКИ ВЫЖИМКИ БЕЛОГО ВИНОГРАДА
В.В. ДЕРЕВЕНКО, A.B. СИДОРЕНКО, В.А. КОВАЛЕВ, Н.Г. ВОЛОДЬКО
Кубанский государственный технологический университет,
350072, г. Краснодар, ул. Московская, 2; электронная почта: ekotechprom@mail.ru
Показано, что выжимка белого винограда сорта Шардоне является коллоидным капиллярно-пористым телом. Получены зависимости для расчета основных параметров конвективной сушки виноградной выжимки: продолжительности сушки, скорости сушки, коэффициентов сушки и внешней массоотдачи.
Ключевые слова: виноградная выжимка, конвективная сушка, время сушки, скорость сушки.
Ресурсосберегающая технология утилизации виноградной выжимки, определяющим этапом которой является сушка, основывается на высокоэффективных процессах и аппаратуре. Поэтому важно исследовать кинетические закономерности конвективной сушки виноградной выжимки.
Объектом исследования была выжимка из белого винограда сорта Шардоне урожая 2010 г., выращенного в Краснодарском крае, полученная на мембранном прессе в ЗАО АФ «Мысхако».
Изучение кинетики конвективной сушки проводили на стендовой циркуляционной сушилке по методике [1].
Полученные результаты в виде кривых сушки выжимки винограда представлены на рисунке, а (темпе-ратурасушки агента 80°С; скорость, м/с: кривая 1 - 6,0;
2 - 8,5; 3 - 11,0). Численным дифференцированием кривых сушки получили зависимости конвективной скорости сушки от ее влагосодержания V (рисунок, б). Характер изменения скорости сушки свидетельствует
180
