Технико-экономическое сравнение различных схем кристаллизации Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 664.1

Технико-экономическое сравнение

различных схем кристаллизации

*

R. LEBLANC, инженер-технолог

А. GAUCHE, консультант-директор по развитию

Fives Sugar Consulting

И.В. ШАРУДА, руководитель департамента Sugar/Bioenergy CIS Компания Fives Cail

1. МОДЕЛИРОВАНИЕ

САХАРНОГО ЗАВОДА

В предпринятом исследовании проводится моделирование стандартного завода. Его производительность аналогична сахарным заводам, действующим в настоящее время во Франции. Исследование проводилось с использованием программы BEMEIO™, разработанной компанией Fives.

1.1. Программа BEMEIO™

Программа BEMEIO™ (модель завода для оптимизации энергоэффективности и доходности) способна моделировать работу всего сахарного завода. Изначально созданная Fives для про-

Входные данные: настройки и конфигурация отделения

изводства тростникового сахара (под названием CAMEIOTM) [4], в дальнейшем эта программа была доработана с учётом условий производства свекловичного сахара.

В качестве объекта рассмотрения на рис. 1 представлен сахарный завод в целом и полный цикл его производства, от стадии подготовки свёклы до стадии хранения сахара, включая системы водо-и энергоснабжения. Входными данными являются вес поступившей свёклы, общая организация завода (оборудование и технология). Программа рассчитывает баланс масс, тепловой и электрический балансы для каждого отделения. Подсчитывается также

Выходные данные: результирующие отчеты с указанием балансов массы, тепла, энергии и доходности

Электричество

Таблица СО,

Более 10 ООО 3/7e/fe«moßN^J интерактивных данных^?

т

Водопользование

Дистилляция

Переработка жома

Рис. 1. БЕМЕЮ™ — комплексный инструмент для технико-экономического совершенствования производства сахара

доход завода за рассматриваемый период.

Помимо простого моделирования программа создаёт цифровой образ завода. Этот «цифровой двойник» позволяет быстро воспроизводить изменения (коррекция настроек, внедрение нового оборудования) и оценивать их влияние на производительность и доходность завода. После этого посредством моделирования можно определить наилучший вариант капиталовложений. Программа BEMEЮ™ может использоваться как средство для принятия оптимального решения в конкретной техническо-экономической ситуации. В настоящем исследовании моделируются изменения в отделении кристаллизации.

1.2. Стандартная модель завода

Моделируемый завод перерабатывает 14 400 т/день свекольной стружки (в диффузионное отделение поступает 600 т/ч). На рис. 2 показано моделирование всего технологического процесса производства сахара. Учтены также отделение сушки жома и электроустановка. Ещё одним допущением является отсутствие дистилля-ционной установки, т. е. меласса не перерабатывается, а сразу идёт на продажу.

*Данная статья была впервые опубликована в журнале «Пищевая и сельскохозяйственная промышленность», номер за июль-август 2018 г. (www.revue-iaa.fr)

Свекловичная стружка 14 400, т /д

Схема модификации

^ А X

Жом Осадок

(на сушку) Неучтённые потери

Рис. 2. Стандартная модель завода, рассматриваемая в статье

Меласса

Товарный сахар

1.2.1. Диффузия

Диффузионное отделение включает в себя две линии: на первой установлена диффузионная установка RT5, а на второй используется колонная диффузионная установка. Загрузка составляет 112 кг % кг стружки. Весь жом прессуется и отправляется на станцию сушки, где он гранулируется. Потери сахара в жоме составляют около 0,25 % к массе стружки.

1.2.2. Очистка сока

Из диффузионной установки сок поступает на станцию очистки. При моделировании используется классическая схема с двойной сатурацией. На этой стадии удаляется 32 % примесей. После выхода из подогревателей станции очистки очищенный сок, нагретый до 130 оС, отправляется на станцию выпаривания.

1.2.3. Выпаривание

и генерирование энергии

Станция выпаривания состоит из пяти выпарных аппаратов. Первый является выпарным аппаратом с падающей плёнкой, а остальные — аппараты с восходящей плёнкой. Общая площадь выпаривания составляет 1,86 м2/т свекольной стружки. Выходящий из пятой ступени выпаривания сироп должен иметь содержание сухих растворимых веществ (Впх) 70 %. Моделирование выпарной станции учитывает всю потребность завода в паре. Пар вырабатывается в котельной, работающей на природном газе. Давление на выходе из котла составляет 38 бар, а противодавление на выходе из турбогенератора — 3,3 бара. Завод подключён к национальной энергосети, но объём отдаваемой и потребляемой электрической энергии невелик.

Основная часть электроэнергии, производимой турбогенератором, используется для обеспечения нужд завода, включая работу участка высушивания жома.

2. СХЕМЫ

КРИСТАЛЛИЗАЦИИ

Моделирование завода позволяет испытать несколько схем кристаллизации. Базовая схема включает в себя три ступени с аффинацией [1, 3]. Она представлена на рис. 3.

♦ Вариант a, классическая 3-сту-пенчатая (базовая) схема. На 3-й ступени применяются вертикальные кристаллизаторы для максимального истощения мелассы и центрифуги с целью аффинации полученного сахара. На последней ступени происходит смешивание сахара 3 с оттёком утфеля 2-й кристаллизации (GS2). Целью является удаление слоя маточного

Сахар 1

Категория 1

ЕЭС 20 !СиМ5А

Концентратор 5/. 1

Периодический вакуум-аппарат 1

♦ МС1

Центрифуга 1

Ступень

Сироп

Периодический вакуум-аппарат 2

1 МС2

Центрифуга 2

Ступень 2

1

Периодический

вакиим-аппарат 3

| 1 мсз я

1ДИ

Центрифуга 3

Ступень

Клеровочный аппарат и аффинатор

I Аффинированный— | сахар

II

!8 ||

Аффинационная центрифуга

Меласса

Аффинация

Рис. 3. Вариант a, классическая 3-ступенчатая (базовая) схема

раствора с поверхности кристалла, содержащего много несахаров и поэтому имеющего насыщенный цвет. После центрифугирования утфеля (МС) аффинированный сахар 3, из которого удалены примеси, клеруется и отправляется на вход 1-й ступени. Аффинация ограничивает появление тёмного сахара на 1-й ступени и позволяет получить высококачественный сахар 1. Поэтому необходимая цветность сахара 1 составляет 20 ICUMSA. Это соответствует сахару 1-й категории качества по стандартам ЕЭС. Для достижения такого уровня качества пробелка сахара на 1-й ступени центрифугирования корректируется соответствующим образом.

Следующие схемы, которые сравниваются с 3-ступенчатой базовой схемой, в общем виде представлены в табл. 1. Большинство этих схем также имеет 3 ступени.

♦ Вариант Ь: 3 ступени кристаллизации без вертикального кристаллизатора на 3-й ступени.

♦ Вариант с: 3 ступени кристаллизации без вертикального кристаллизатора и аффинации. Поскольку сахар 3 не «обесцвечивается», он поступает на вход 2-й ступени для получения сахара 1, соответствующего 1-й категории качества ЕЭС, с показателем 20 ICUMSA.

♦ Вариант d: 3 ступени кристаллизации без отделения оттёка в центрифугах 2-й ступени.

Эти три модификации в малой степени влияют на производство сахара заводом и на расход пара. Задачей программы BEMEIOTM является количественное описание этого влияния.

Далее рассматриваются следующие 3-ступенчатые схемы.

♦ Вариант е: использование вакуумных аппаратов непрерывного действия вместо вакуумных аппаратов периодического действия. Вакуумные аппараты периодического действия применяются только для получения маточного

утфеля, подаваемого в вакуумные аппараты непрерывного действия.

♦ Вариант / нет стандартного концентратора сиропа 1 (SL1). Это оборудование может достичь показателя содержания растворимых сухих веществ 78 % перед вакуумными аппаратами непрерывного действия 1-й ступени.

Две последние модификации непосредственно влияют на пода-

чу пара в отделение кристаллизации. Действительно, потребности в электроэнергии у вакуумных аппаратов периодического действия, вакуумных аппаратов непрерывного действия и концентраторов разные. BEMEIOTM может количественно представить влияние этих изменений на тепловой баланс установки и расход природного газа.

Таблица 1. Оборудование, используемое в каждой из рассмотренных

кристаллизационных схем

Схема

Схема с аффинацией

Схема рафинирования

Оборудование

Концентратор

Вакуум-аппарат периодического действия

Вакуумный аппарат непрерывного действия

Испарительный/охлаждающий кристаллизатор

Центрифуга

периодического действия

Вакуум-аппарат периодического действия

Вакуумный аппарат непрерывного действия

Испарительный/охлаждающий кристаллизатор

Вертикальный кристаллизатор

Центрифуга непрерывного действия

Вакуум-аппарат периодического действия

Вакуумный аппарат непрерывного действия

Вертикальный кристаллизатор

Центрифуга непрерывного действия

Мешалка

Центрифуга непрерывного действия

Клеровочный аппарат

Вакуум-аппарат периодического действия

Центрифуга периодического действия

Размеры

Схема кристаллизации

а

1 550 м2

65 м3

225 м3

220 м3

СаП & РМАег ZUKA® 1750

65 м3

150 м3

220 м3

325 м3

СаП & РМАег е-С^Ы™

65 м3

150 м3

325 м3

СаП & РМАег е-С^Ы™

12 / 22 м3

СаП & РМАег е-С^Ы™

75 м3

65 м3

СаП & РМАег ZUKA® 1750

I I }

11111 1111

6 666268555

■ — используемого оборудования, шт. ; — неиспользуемое оборудование по сравнению с классической 3-продуктовой схемой; ■ — дополнительное оборудование по сравнению с классической 3-продуктовой схемой, шт.

Схема: а — классическая 3-продуктовая; Ь —3 ступени без вертикального кристаллизатора; с — 3 ступени без аффинации, без вертикального кристаллизатора; d — 3 ступени без отделения оттека; е — 3 ступени с вакуумными аппаратами непрерывного действия; / — 3 ступени без концентратора SL1; g — 3 ступени + ступень очистки; h — 2 ступени с выходом мелассы; г — 2 ступени без вертикального кристаллизатора; ] — 2 из 3 классических ступеней

1

2

3

Также анализируются схемы, отличные от рассмотренных 3-сту-пенчатых схем.

♦ Вариант g (рис. 4): 3 ступени кристаллизации плюс ступень очистки. 4-я ступень включает клерование сахара 1 водой перед его повторной кристаллизацией. Полученный утфель имеет очень высокую чистоту, что позволяет нам рассчитывать на получение высококачественного сахара и цветности с показателем 4 ICUMSA. Однако производство такого сахара обойдётся заводу дороже. ВЕМЕЮ™ может рассчитать себестоимость;

♦ вариант к (рис. 5): 2 ступени

кристаллизации с испарительными/охлаждающими кристаллизаторами, вертикальными кристаллизаторами и аффинацией (2 ступени с выходом мелассы). Испарительный/охлаждающий кристаллизатор улучшает получение сахара, уменьшая растворимость сахарозы в воде посредством быстрого вакуумного выпаривания [2]. Это оборудование используется на двух ступенях, следующих за вакуумными аппаратами периодического действия. На 2-й ступени для продолжения кристаллизации с помощью охлаждения дополнительно к испарительному/ охлаждающему кристаллизатору

используются вертикальные кристаллизаторы. В такой конфигурации предпочтительно проводить предварительное центрифугирование утфеля 2-й ступени и отправлять мелассу снова в вертикальные кристаллизаторы. Целью является искусственное сокращение концентрации кристаллов утфеля с тем, чтобы кристаллы продолжали расти в вертикальных кристаллизаторах. Без такого шага число кристаллов и их размер являются ограничительным фактором и влияют на эффективность кристаллизаторов.

♦ Вариант г: 2 ступени кристаллизации с помощью испаритель-

г

[I

Категория 1 ЕЭС

4 /СУДИМ

Рафинированный сахар

Концентратор 5/.1

Ступень /I

Периодический вакуум-аппарат 1

Центрифуга 1

Клеровочныи аппарат 1

Периодические вакуум-аппараты очистки

Центрифуги очистки

'а

I

О р

О.Ч ЭР

Iй

5_

Периодический вакуум-аппарат 2

\ МС2

Центрифуга 2

Ступень 2

Периодический вакуум-аппарат 3

♦ МСЗ

Вертикальные кристаллизаторы 3

Центрифуга 3

Ступень 3

I

■е-■е-

1ч

Меласса

Аффинированный

Рафинирование

сахар 1 Аффинационная 1

1 1 центрифуга

Сироп

Клеровочный аппарат и аффинатор

Аффинация

А

Рис. 4. Вариант g, 3 ступени кристаллизации плюс ступень очистки

Сахар 1

Категория 2

тегот ЕЭС

35 !СиМ5А

Концентратор 511

Периодический вакуум-аппарат 1

1 М81

Испарительный/ охладительныи кристаллизатор 1

Центрифуга 1

Ступень 1

1

Периодический вакуум-аппарат 2

f М82

Испарительный/ охладительныи кристаллизатор 1

Меласса

X

Вертикальный кристаллизатор 2

Центрифуги 2

I-

Предварительные центрифуги

Ступень 2

И

65/

Аффинированный

Клеровочный аппарат и аффинатор

сахар 1 1 Аффинационная 1

| центрифуга

Меласса

Сироп

Аффинация

Рис. 5. Вариант к, 2 ступени кристаллизации с испарительными/охладительными кристаллизаторами, вертикальными кристаллизаторами и аффинацией (2 ступени с выходом мелассы)

ных/охлаждающих кристаллизаторов и аффинации (вариант к без вертикального кристаллизатора).

Используя две последние схемы (к и г) с тем количеством оборудования и рециркуляцией зелёной патоки и мелассы, которое в них задействовано, трудно получить сахар качества категории 1 ЕЭС. Задачей является получить цветность сахара 1 с показателем 35 ICUMSA. Отсутствие 3-й ступени позволяет получить экономию (меньше оборудования, проще эксплуатация, меньше потребляемой энерги и т. д.), но при этом также сокращается объём производимого сахара;

♦ вариант j: 2 ступени кристаллизации без испарительного/охлаждающего кристаллизатора или вертикального кристаллизатора. Без кристаллизаторов сахар 2 не требует аффинации (обесцвечивания) и сразу клеруется для отправки на 1-ю ступень. Этот вариант также можно назвать «2-й из 3 ступеней», так как он по сути является базовой схемой без 3-й ступени. Меласса на выходе соответствует оттёку утфеля 2-й кристаллизации в базовой схеме, и её чистота выше по сравнению с мелассой в других схемах. Программа BEMEIOTM используется для подсчёта потерь сахара в мелассе.

3. СРАВНЕНИЕ ВАРИАНТОВ

Программа BEMEIOTM может использоваться для сравнения вариантов по разным критериям.

3.1. Доброкачественность

1-я ступень даёт продукт самой высокой чистоты. Полученный на ней сахар является готовым к продаже (если только не присутствует ступень рафинирования). Последняя ступень даёт продукт самой низкой чистоты. В этом случае целью является истощение мелассы путём кристаллизации сахара в максимально возможной степени. На рис. 6 показана чистота ут-феля по ступеням (1-й, 2-й и 3-й)

и мелассы для различных вариантов. Применение вакуумного аппарата непрерывного действия по сравнению с базовой схемой не влияет на чистоту мелассы и, следовательно, на производство сахара. Без использования вертикальных кристаллизаторов истощение мелассы ниже (4 дополнительных балла чистоты), но чистота одинакова на первых 3 ступенях. Без отделения оттёка и аффинации (сахар 3 на ступень 2), чистота выше на 2-й и 3-й ступенях. Таким образом, истощение на последней ступени ниже и чистота мелассы выше. При использовании 3-сту-пенчатой схемы производство сахара является оптимальным при применении 3-ступенчатой базовой схемы (2285 т/д) и сокращается при применении других схем, например, 2246 т/д при работе по схеме без вертикального кристаллизатора (табл. 2).

В схеме с 2 ступенями с выходом мелассы возможно достичь чистоту мелассы 61,1. Объём производства сахара одинаков для 3-сту-пенчатых схем (2267 т/д). Однако без вертикального кристаллизатора и особенно без испарительного/ охлаждающего кристаллизатора производство сахара значительно падает (до 2207 и 2020 т/д соответственно). Эта последняя схема может быть привлекательна, если

Доброкачественность, % 98 93

88 83 78 73 68 63

Рис. 6. Сравнение доброкачественност аппаратах периодического действия) и • — меласса

только полученная меласса высокой чистоты имеет экономическую ценность.

3.2. Цветность

Доброкачественность утфеля на 1-й ступени влияет на качество и особенно на цвет вырабатываемого сахара. При чистоте утфеля 99 % на стадии рафинирования можно получать сахар с показателем цветности 4 ед. ICUMSA. Однако на 2-ступенчатых схемах с испарительным/охлаждающим кристаллизатором чистота составляет около 92 % при подаче в центрифуги (по сравнению со средним значением 95 % на 3-ступенчатых схемах). Здесь утфель имеет цветность на 20 % выше по сравнению с утфелем при 3-ступенчатой схеме. При таких условиях трудно получить сахар с качеством категории 1 по стандарту ЕЭС (табл. 3). Это подтверждает предположение о целесообразности производства по такой схеме сахара с показателем цветности 35 ICUMSA.

3.3. Энергия

BEMEIOTM рассчитывает общий энергетический баланс предприятия. Все заводские потребности в паре учитываются в балансе пара, отводимого из выпарного аппарата. Программа оценивает потребность в паре, производимом паро-

ей (получаемых в вакуум: ▲ - УТФ1; - УТФ2; ♦ - УТФ3;

Л

•у

А**

//

#

¿у

М/

ъуУ

Л

У

у

вым котлом, а также расход пара, поступающего в конденсатор. Что касается отделения кристаллизации, то концентратор SL1 снабжается паром ^УР4 (пар, выходящий из 4-го корпуса выпарного аппарата с температурой 110 оС), а вакуумные аппараты периодического действия получают пар VP3 (из 3-го корпуса выпарного аппарата с температурой 120 оС). График, представленный на рис. 7, показывает сравнительные энергетические потребности различных схем с учётом работы котла на природном газе и отвода сокового пара в конденсатор.

Без концентратора SL1 всё отделение кристаллизации получает пар ^УРЗ, в результате чего увеличивается расход сокового пара на конденсатор и потребление природного газа. И наоборот, добавление вакуумного аппарата непрерывного действия на каждой из 3 ступеней компенсирует выпуск из VP3 в пар ^УР4. Поскольку тепловые уровни вакуумных аппаратов непрерывного действия ниже, то в них можно подавать пар из VP4 с более низким давлением. Компенсация отбора пара в сочетании с более низким расходом энергии в вакуумных аппаратах непрерывного действия позволяет сократить потребление природного газа заводом (—6,5 %) и расход пара на конденсатор. Сахарный завод с 4 ступенями потребляет на 34 % больше природного газа по сравнению с заводом, работающим по базовой 3-ступенчатой схеме. Вода, добавляемая для кле-рования сахара 1, должна быть выпарена (увеличение воды, которая должна быть выпарена во время кристаллизации, на 64 %). В рассматриваемой модели завода пар на входе в первый выпарной аппарат используется как дополнительный. Действительно, баланс выпаривания не позволяет оценить пар с более низким давлением. Двухступенчатые схемы потребляют меньше природного газа (—6 %

в среднем). Количество оборудования меньше, и подача воды в отделение кристаллизации тоже меньше (—60 % в сравнении с 3-ступен-чатой схемой). При сохранении

отбора пара, как в 3-ступенчатой схеме, расход пара на конденсатор в 2-ступенчатой схеме необычайно высок. Для сокращения такого расхода возможны корректировки

Таблица 2. Сравнение схем по объёму производимого сахара

Схема Чистота мелассы, % Производство сахара, т/д

Классическая 3-продуктовая схема 59,0 2 285

3 ступени без вертикального кристаллизатора 63,0 2 246

3 ступени без аффинации, без вертикального кристаллизатора 64,0 2 235

3 ступени без отделения оттёка 62,1 2 256

3 ступени с вакуумными аппаратами непрерывного действия 59,0 2 285

3 ступени без концентратора $Ы 59,0 2 285

3 ступени + ступень рафинирования 58,8 2 285

2 ступени с выходом мелассы 61,1 2 267

2 ступени без вертикального кристаллизатора 66,5 2 207

2 из 3 классических ступеней 76,5 2 020

Таблица 3. Сравнение различных схем по цветности (качеству сахара)

Схема Плановый показатель цветности, ICUMSA Плановый показатель качества, категория ЕЭС Чистота утфеля 1 на центрифуге, %

Классическая 3-продуктовая схема 20 1 95,9

3 ступени без вертикального кристаллизатора 20 1 95,8

3 ступени без аффинации, без вертикального кристаллизатора 20 1 95,8

3 ступени без отделения оттека 20 1 95,8

3 ступени с вакуумными аппаратами непрерывного действия 20 1 95,8

3 ступени без концентратора SL1 20 1 95,9

3 ступени + ступень рафинирования 4 1 99,0

2 ступени с выходом мелассы 35 2 92,2

2 ступени без вертикального кристаллизатора 35 2 91,8

2 из 3 классических ступеней 20 1 95,5

12,0 11,5 11,0 10,5 10,0 9,5 9,0 8,5 8,0 7,5 7,0

ЯГ

№

I

/

да*

ь/

18 16 14 12 10

Рис. 7. Сравнение расхода энергии в различных схемах: ■ — расход природного газа, т/ч; • — пар в конденсатор, т/ч

(в частности, в других отделениях завода, например в схеме подогрева пара).

Потребности в электроэнергии также известны. При расчёте принимается во внимание всё установленное оборудование (электродвигатели, насосы и т. д.) и используемые потоки. Как и в ситуации с расходом природного газа, здесь также имеется значительное расхождение между 2-ступенча-той схемой (потребление электроэнергии на 10 % меньше по сравнению с 3-ступенчатой схемой) и 4-ступенчатыми схемами (расход электроэнергии на 20 % больше по сравнению с 3-ступенчатыми схемами). Необходимо отметить, что потребности в электроэнергии полностью покрываются турбогенератором (байпас турбогенератора позволяет осуществлять точную регулировку выработки и потребления электроэнергии).

3.4. Оборудование

Балансы, рассчитываемые программой ВЕМЕЮ™, позволяют определить параметры оборудования отделения кристаллизации. Все физические, химические свойства и потоки материалов известны (рис. 8, где указан расход утфеля). В табл. 1 указано основное оборудование отделения кристаллизации в соответствии с выбранной схемой. Указан объём, а также количество единиц оборудования. Баки хранения не учитываются при моделировании.

3.5. Начальные

капиталовложения

Зная количество и параметры оборудования (см. табл. 1), можно определить объём начальных капиталовложений. В объёме необходимых капиталовложений учитывается оборудование, КИП, доставка и монтаж на заводе. Результаты представлены в табл. 4 в виде процентной разницы по сравнению с классической 3-ступенчатой схемой. Разница в стоимости являет-

ся постоянной, но интересно выразить её в цифрах. 4-ступенчатая схема требует увеличения инвестиций на 41 %. При этом 2-ступенча-тая схема с выходом мелассы обойдётся на 22 % дешевле.

4. ВЛИЯНИЕ НАДОХОДНОСТЬ ПРЕДПРИЯТИЯ

Общий доход сахарного завода рассчитывается исходя из цен закупаемого сырья (известь, природный газ и проч.) и продаваемых продуктов (сахар, меласса, гранулированный жом). Различные затраты не принимаются во внимание, но их вариации не влияют на сравнение.

4.1. Экономическая ситуация A

Диаграмма на рис. 9 показывает сравнение различных вариантов исходя из фиксированной цены на закупаемый природный газ и реализованный сахар и мелассу (экономическая ситуация А). Доход представлен как процентная разница при сравнении с базовой 3-ступенчатой схемой.

Например, в экономической ситуации А цена на сахар, принимае -мая в расчёт, составляет 300 евро/т. Исходя из этого предположения, 2-ступенчатая схема с аффинацией и без кристаллизатора является не самой подходящей. Эта схема становится привлекательной, если меласса имеет большую эконо-

Таблица 4. Сравнение различных схем по объёму затрат

Схема Разница затрат, % по сравнению с классической 3-ступенчатой схемой

Классическая 3-продуктовая схема 0

3 ступени без вертикального кристаллизатора -15

3 ступени без аффинации, без вертикального кристаллизатора -17

3 ступени без отделения оттёка -5

3 ступени с вакуумными аппаратами непрерывного действия 6

3 ступени без концентратора SL1 -5

3 ступени + ступень рафинирования 41

2 ступени с выходом мелассы -22

2 ступени без вертикального кристаллизатора -32

2 из 3 классических ступеней -40

50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 О

Рис. 8. Сравнение расхода утфеля, получаемого в вакуум-аппаратах периодического действия: ▲ — УТФ1; ■ — УТФ 2; ♦ — УТФ3

Расход, кг /кг £

мическую ценность (например, при производстве этанола). Точно так же, 4-ступенчатая схема более уместна, если производимый сахар продаётся дороже (компенсация дополнительных производственных затрат, связанных с 4-й ступенью). Следует обратить внимание на значительное снижение дохода при отсутствии вертикального кристаллизатора. И наоборот, применение вакуумных аппаратов непрерывного действия улучшает финансовый баланс предприятия.

Если завод не использует вертикальные кристаллизаторы, то диаграмма на рис. 9 наглядно показывает потенциал увеличения доходности в случае установки этого оборудования. Сравнивая эту выгоду со сделанными капиталовложениями (см. табл. 4), можно рассчитать срок окупаемости капиталовложений (7 лет, как показано в табл. 5). При замене вакуумных аппаратов периодического действия на вакуумные аппараты непрерывного действия срок окупаемости составит 6 лет в данном примере.

4.2. Экономическая ситуация Б

Поскольку затраты на производство и сырьё подвержены изменению, наиболее прибыльные схемы не будут одинаковыми. Таким образом, если цена на сахар снижается на 10 %, а цена на энергию возрастает на 10 % (экономическая ситуация В, рис. 10),

Разница доходности, %/сезон

т

Экономическая ситуация А

■Л

4

-6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1

Рис. 9. Разница в доходности (%/сезон) каждого рассматриваемого варианта в сравнении с базовой 3-ступенчатой схемой: 0 — классическая 3-продуктовая схема; 1 — 3 ступени без вертикального кристаллизатора; 2 — 3 ступени без аффинации; 3 — 3 ступени без отделения оттёка; 4 — 3 ступени с ваккуум-аппаратами непрерывного действия; 5 — 3 ступени без концентратора SL1; 6 — 3 ступени + ступень рафинирования; 7 — 2 ступени с выходом мелассы; 8 — 2 ступени без вертикального кристаллизатора; 9 — 2 из 3 классических ступеней

Изменение цен, % 60

50 40 30 20 10 О -10 -20 -30 -40

1

ситус ция А /

/

у

\

\

V

Рис. 10. Рассматриваемые экономические ситуации: • — меласса; — энергия

— сахар;

Таблица 5. Наиболее выгодные схемы и СОИ в зависимости от экономической ситуации

Экономическая ситуация А В С D

Наиболее прибыльные схемы 1 3 ступени с вакуумными аппаратами непрерывного действия 3 ступени с вакуумными аппаратами непрерывного действия 3 ступени с вакуумными аппаратами непрерывного действия 2 из 3 классических ступеней

2 Классическая 3-продуктовая схема 2 ступени с выходом мелассы Классическая 3-продуктовая схема 2 ступени без вертикального кристаллизатора

3 2 ступени с выходом мелассы Классическая 3-продуктовая схема 3 ступени без концентратора SL1 2 ступени с выходом мелассы

СОИ* на вертикальные кристаллизаторы 7 9 6 >20

СОИ* на вакуумные аппараты непрерывного действия 6 5 8 6

* Срок окупаемости инвестиций на закупку оборудования в данном примере

то двухступенчатая схема с вертикальными и испарительными/ охлаждающими кристаллизаторами становится экономически более привлекательной по сравнению с 3-ступенчатой схемой (см. табл. 5). При таких условиях схемы, потребляющие меньше энергии, являются более прибыльными. Установка вакуумных аппаратов непрерывного действия (оборудования с низким энергопотреблением) является также выгодной (срок окупаемости капиталовложений снижается с 6 лет (для экономической ситуации А) до 5 (для экономической ситуации В)). Однако, поскольку сахар продается по более низкой цене, вложения в вертикальные кристаллизаторы окупятся через 9, а не через 7 лет.

4.3. Экономическая ситуация C

В ситуации, когда цена на сахар на 10 % выше, а цена на энергию на 10 % ниже, 3-ступенчатые схемы являются более выгодными. Они позволяют производить большие объёмы сахара. Срок окупаемости затрат на установку вертикального кристаллизатора снижается с 7 (экономическая ситуация А) до 6 лет. Однако, поскольку энергия стоит дешевле, установка вакуумных аппаратов непрерывного действия принесёт прибыль не через 6, а через 8 лет.

4.4. Экономическая ситуация D

В условиях, когда меласса имеет большую экономическую ценность, (например, если она используется для производства спирта или дрожжей), и когда цена на сахар низкая, то заводы, производящие мелассу высокой чистоты, оказываются в более выгодном положении. В этом случае 2-сту-пенчатые схемы становятся более выгодными. Здесь отсутствует заинтересованность в установке вертикального кристаллизатора с целью производства большего количества сахара (срок окупаемости такой установки превысил бы

20 лет). При стабильной цене на электроэнергию в экономической ситуации А срок окупаемости затрат на приобретение вакуумных аппаратов непрерывного действия остается неизменным (6 лет).

Заключение

Производители сахара вынуждены постоянно реагировать на изменения экономических условий, влияющие на их средне-и долгосрочные планы ведения хозяйственной деятельности, а именно: изменение цен на этиловый спирт, органическое топливо и электроэнергию, изменение экономической политики и стандартов (в частности, отмена сахарных квот в Европе) и, конечно, изменение цен на сахар. В таких условиях программа ВЕМЕ10ТМ позволяет быстро смоделировать различные конфигурации цехов сахарного завода и помочь в выработке наилучшей стратегии развития (планирование работы в следующем сезоне, расчёт долгосрочных капиталовложений и проч.). Программа анализирует задачу, стоящую перед заводом, и оценивает исходные капиталовложения

при принятии решений по следующим вопросам:

— каков наиболее прибыльный вариант в данных условиях;

— каков будет срок окупаемости затрат на приобретение оборудования;

— когда следует смонтировать 3-ю ступень кристаллизации;

— каков оптимальный объём производимого заводом этилового спирта;

— при какой цене на сахар данный вариант становится выгодным?

Программу BEMEIO™, позволяющую моделировать весь комплекс производства сахара, можно использовать для сравнительного анализа и по другим цехам сахарного завода.

Список литературы

1. v.d. Poel, P.W. Sugar Technology / P.W. v.d. Poel, H. Schiweck,; T. Schwartz. — Berlin : Bartens, 1998. 762 767.

2. Decloux, M. Procédés de transformation en sucrerie (part. 2) / M. Decloux. — Techniques de l'ingénieur. — 11.

3. de Sucrerie, M. Raffinerie Tirlemon-toise / M. de Sucrerie. - 1984. 255 261.

4. Belotti, A. Modélisation d'une sucrerie de canne / A. Belotti // International Sugar Journal. — 2015. — January.

Аннотация. Как выбор схемы кристаллизации, так и технологии кристаллизации оказывают значительное влияние на качество сахара, общее извлечение сахара и энергопотребление сахарного завода. Инвестиционные решения должны основываться на технико-экономическом сравнительном исследовании сценариев. В каждом сценарии будет изучаться глобальное улучшение доходов предприятий и ожидаемая отдача от инвестиций в соответствии с данной схемой кристаллизации, технологиями кристаллизации и прогнозируемой эволюцией цен на сахар и энергию.

Ключевые слова: ступени кристаллизации, истощение, вакуум-аппараты периодического действия / вакуум-аппараты непрерывного действия, кристаллизация / аффинация, вертикальный кристаллизатор / самоиспарительный кристаллизатор, доброкачественность мелассы, энергопотребление, доходы.

Summary. Both choices of the crystallization scheme and crystallizers technologies have a significant impact on sugar quality, sugar overall recovery, and energy consumption of the sugar factory. Investment decisions should rely on a techical and economical comparative study of scenarios. Each scenario will explore global factory income improvement and expected return on investments durations according to given crystallization scheme, crystallizers technologies and projected evolutions of sugar and energy selling or purchasing prices.

Keywords: сrystallization stages, exhaustion, batch pans, rantinuous vacuum pans, refining/affination, vertical crystallizer/ flash crystallizer, molasses purity, energy consumption, incomes.