Тепловые процессы и их роль в технологии

Теплоэнергетическое снабжение предприятия

По своей энергоемкости, сложности и стоимости теплоэнергетического комплекса, по неразрывности связей между технологическими и теплоэнергетическими процессами сахарное производство занимает одно из первых мест среди отраслей пищевой индустрии. Энергетическая схема сахарного завода по сравнению с предприятиями других отраслей пищевой промышленности весьма совершенна. За сезон производства на сахарных заводах выпаривают до 100 млн. м³ воды, при этом затрачивается до 168 - 109 кДж тепловой энергии.

Расход топлива на отечественных сахарных заводах составляет порядка 7 %, в то время как на европейских – 2,5 %. Задача снижения расхода топлива решатся за счет применения новых технологий (снижение величины откачки сока путем применения диффузионно-прессового способ извлечения сахарозы из стружки; применение современного фильтрующего оборудования, камерных фильтр-прессов; уменьшение количества воды, подаваемой на промывку осадка; применение современных технологий уваривания утфелей в продуктовом отделении из высококонцентрированных растворов). Также следует внедрять эффективные тепловые схемы и тепловое оборудование (шести- и семикорпусные выпарные установки; пластинчатые теплообменники; пленочные выпарные аппараты; периодически действующие выпарные аппараты с механической циркуляцией сока; непрерывно действующие вакуум-аппараты; центрифуги с высоким фактором разделения) и автоматизировать все производство.

Затраты на энергию и топливо в настоящее время, с учетом энергоносителей, составляют 35 - 40 % от общих затрат на переработку свеклы. На сахарных заводах ЕС, исключая Польшу, Чехословакию, затраты на энергию составляют 55 - 60 %. Эти затраты выше, чем на отечественных сахарных заводах, за счет более высокой стоимости энергоносителей и топлива. Такой высокий уровень энергозатрат заставил правительство ЕС уже в 1950 - 55 гг. принять меры к внедрению энергосберегающих технологий. Были приняты законы об энергосберегающих технологиях, организованы государственные предприятия в Европе, которые приводили теплоэнергоаудит или оценку расхода энергии на предприятиях, в том числе на сахарных заводах и при высоких расходах энергии предприятия платили большие штрафы и налоги. Это заставило всех руководителей предприятий проводить эффективную работу по энергосбережению. В результате расход энергии на сахарных заводах ЕС с 1955 г. по 1990 г. был снижен в 2,5 - 3 раза.

В СССР энергоносители были самыми дешевыми и стоимость энергии в производственных затратах составляла всего 3 -5 %, поэтому необходимости разрабатывать и внедрять энергосберегающие технологии не было. Это привело к тому, что к 1990-2000 гг. расход энергии и топлива на отечественных сахарных заводах оказался в 2,5 - 3 раза выше, чем на заводах ЕС.

Такое положение существует не только в сахарной промышленности, но и в других отраслях. Особенно оно усугубилось тем, что стоимость энергоносителей после 1992 г. резко возросла в РФ. И по отдельным видам топлива и энергии сравнялась со странами ЕС. Разница и более высокая цена энергоносителей в Европе объясняется стоимостью транспортировки, в основном из РФ. Высокие энергетические затраты в промышленности являются одной из причин низкой конкурентоспособности продукции РФ.

В компании «Продимекс» техническая политика по снижению расхода топлива активно проводится в течение 10 лет. За это время расход топлива в целом по сахарным заводам снизился в 1,5 раза, а по отдельным заводам - в 1,8 - 2 раза. В частности. Снижение расхода топлива было достигнуто за счет повышения производственной мощности предприятий, автоматизации технологических и тепловых схем. Например, на Успенском сахарном заводе (краснодарский край) расход топлива снизился с 5,5 % к м. св. до 3,3 % к м. св.; на Елань-коленовском сахарном заводе - с 8 до 4 % к м. св.; на Ольховатском сахарном заводе - с 8 до 3,7 % к м. св. Для сравнения, расход топлива на сахарных заводах Германии составляет
3 - 3,5 % к м. св. Основное направление снижения расхода топлива - совершенствование технологических схем, внедрение новых технологий, модернизация тепловых схем. Т.о. тепловая схема сахарного завода напрямую влияет на рентабельность производства.

Тепловые процессы и их роль в технологии

В технологии сахарного производства применяются все 4 известных вида тепловых процессов: нагревание, охлаждение, выпаривание, конденсация. Каждый из этих видов тепловых процессов имеет свое технологическое назначение.

Нагревание. Применяется с целью поддержания оптимальной с точки зрения технологии температуры данного технологического процесса. Исходное сырье – свекла поступает в завод с температурой 15 ˚С в начале сезона и 5 ˚С – в конце сезона. Температура технологических процессов изменяется от 75 ˚С до 90 ˚С и даже 100–130 ˚С на разных стадиях технологии, поэтому на каждый станции приходится поддерживать определенный температурный режим. При переходе жидких продуктов от одного технологического процесса к другому в аппаратах и трубопроводах возникают потери тепла за счет охлаждения, поэтому нагревание применяется в общем случае для поддержания оптимальной температуры данного технологического процесса и компенсации тепловых потерь при охлаждении.

Второе назначение нагревания является вынужденным не целевым и тепловая схема завода должна работать при минимальных тепловых потерях, что достигается за счет изоляции трубопроводов и самих технологических аппаратов.

Процесс нагревания применяется с целью повышения скорости технологических процессов (диффузия, химические реакции на станции очистки, фильтрование, выпаривание). Для каждого процесса целью нагревания является увеличение скорости протекания процессов, причем оптимальная конечная температура нагревания определяется физико-химическими свойствами сахарозы и несахаров, входящих в состав продукта.

Выпаривание. Нагревание продуктов перед выпариванием в многокорпусной выпарной установке (МВУ) и вакуум-аппаратами применяется для:

– уменьшения времени пребывания раствора в МВУ и снижения за счет этого распада сахарозы и нарастание цветности;

– увеличения интенсивности кипения растворов и утфелей и скорости выпаривания сока и уваривания утфеля за счет перегрева продуктов выше точки кипения перед поступлением в аппарат.

Пределы нагревания ограничиваются определенными температурными свойствами – термостойкостью сахарозы, как основного продукта и ряда несахаров, влияющих, прежде всего на вязкость соков и скоростью фильтрования. Термостойкость указанных продуктов заставляет подбирать оптимальное значение конечной температуры технологических процессов.

Сахароза в растворах может подвергаться гидролизу, присоединяя воду с образованием глюкозы и фруктозы:

С₂Н₂₂О₁₁ + Н₂О → 2С₆Н₁₂О₆

Эта реакция является автокаталитической, т.к. образующаяся в результате гидролиза инвертный сахар в свою очередь распадается на цветные вещества и органические кислоты, причем последние и являются катализаторами гидролиза сахарозы.

Все технологические режимы станций сахарного производства, в том числе и температурные, устанавливаются из требования максимально затормозить реакцию разложения сахарозы.

МВУ является технологическим парогенератором, который обеспечивает паром все станции завода, поэтому температурный режим станции требует того, чтобы вторичные пары имели температуру выше температуры продукта. И чем больше разница, тем больше количества тепла подводится к продукту. Из этих технических соображений температура кипения в корпусах принимается выше критической температуры распада сахарозы (от 138–95 °С), поэтому выпарная установка является наиболее опасной с точки зрения распада сахарозы. Очищенный сок перед выпарной установкой должен содержать минимальное количество редуцирующих веществ и для того чтобы снизить влияние высокой температуры на станции выпаривания этот процесс должен проводиться максимально быстро, иначе будет идти нарастание цветности.

В продуктовом отделении длительность пребывания сахарозы наибольшее, из 70–72 часов общего цикла производства в вакуум-аппаратах сахароза находится в течении 50–60 часов, следовательно за счет большой длительности температурного воздействия температуру уваривания утфелей снижают ниже критической температуры распада сахарозы (85–90 °С) и принимают равной 70–75 °С, чтобы предотвратить нарастание цветности продуктов и уменьшения неучтенных потерь. Снижение температуры кипения осуществляется за счет применения вакуума.

Для уменьшения расхода тепловой энергии на выпаривание в тепловой схеме предусмотрено двухступенчатое выпаривание. Около 100 % воды из 130 % выпаривается в МВУ, которая является технологическим парогенератором тепловой энергии и пар из ТЭЦ завода подводится к I корпусу выпарной установки. Вторичный пар корпусов подводится к технологическим теплопотребителям. Таким образом, все теплопотребители завода обогреваются паром не из ТЭЦ, а паром из МВУ.

Охлаждение. В качестве целевого применяется только в продуктовом отделении для проведения дополнительного истощения сахарного раствора на последней стадии кристаллизации. Утфель последнего продукта после уваривания в вакуум-аппарате подвергается охлаждению в кристаллизаторах-охладителях от 72 до 30–35 °С. При этом процесс охлаждения позволяет поддержать пересыщение, как движущую силу процесса кристаллизации. За счет охлаждения потери сахара в мелассе снижаются на 1 % и соответственно увеличивают выход сахара.

Теплотехническая роль охлаждения отрицательная. Охлаждение создает тепловые потери на всех участках производства. Для борьбы с тепловыми потерями и охлаждения продуктов используют изоляцию технологических трубопроводов, паропроводов, технологических аппаратов, но даже при самой тщательной изоляции за счет тепловых потерь температура продуктов от диффузионного аппарата до выпарной установки падает на 22 °С, поэтому для поддержания температуры и компенсации тепловых потерь приходится использовать дополнительные станции подогревания.

Конденсация. Конденсация – это превращение пара в жидкое состояние. Имеет двоякое значение:

а) теплотехническое. Основным теплоносителем в тепловой схеме сахарного

завода является насыщенный пар. Греющий пар  конденсируется с выделением удельной теплоты конденсации, равной теплоте парообразования, при этом образуется тепловой поток :

,

 – используется для осуществления процессов нагревания или выпаривания.

б) технологическое. Конденсация применяется для создания вакуума и снижения давления в аппаратах. В этом случае процесс конденсации проводится либо в барометрических конденсаторах смешения или в поверхностных конденсаторах.

Снижение давления и вакуум используется на станции фильтрования для создания :

,

 – абсолютное давление в конденсаторе используемое в вакуум-фильтрах.

Вакуум используется для снижения t_кип.  растворов в последнем корпусе МВУ. Конденсатор позволяет создать ступенчатое изменение давления от I корпуса к последнему. В результате между корпусами образуется перепад давления, которое позволяет транспортировать выпариваемый сок из корпуса в корпус без применения насосов. Ступенчатое изменение давления приводит к ступенчатому изменению температуры кипения, что позволяет осуществлять самообогрев МВУ начиная со II корпуса. Вакуум в вакуум-аппаратах позволяет снизить  утфеля со 130–140 °С при атмосферном давлении, до 70–75 °С и предотвратить разложение сахарозы. За счет этого уменьшается нарастание цветности продуктов в продуктовом отделении при длительном температурном воздействия на сахарозу.