Структурная оптимизация технологии получения сахара

Литература

1. Vincent James Н. Aerosol Sampling: science and practice / James H. Vincent. - Institute of Occupational Medicine, 1988. - 390 p.

2. Белова Т.И. Агашков E.M., Гавршцук В.И. Алгоритм работы автоматизированной системы вентиляции // Проблемы энергосбережения, информации и автоматизации, безопасности и природопользования в АПК: Мат. междун. науч.-технич. конф. - Брянск: Брянская ГСХА, 2012. - С. 2932.

3. Агашков Е.М., Белова Т.И. Результаты дисперсного анализа пыли пищеконцентра в удаляемом воздухе при разных углах раскрытия вытяжных зонтов // Охрана труда 2011. Проблемы и пути их решения. - Орел: ОрелГАУ, 2011. - С. 187-191.

4. Агашков Е.М., Белова Т.И., Гавршцук В.И., Бурак В.Е., Кравченко Д.А. Методика определения дисперсного состава сыпучего материала и аэрозоли в научных исследованиях и учебном процессе // Научно-педагогические проблемы транспортных учебных заведений: Мат. междунар. науч.-практич. конф. -М.: МИИТ, 2011. -Вып. 3. - С.11-16.

5. Агашков Е.М., Белова Т.И., Гавршцук В.И. Исследование дисперсного состава сыпучего продукта // ВестникМАНЭБ. - 2012. - Т.17. - № 3. - С. 138-143.

6. Штокман Е.А. Очистка воздуха от пыли на предприятиях пищевой промышленности. -М.:Агропромиздат, 1989. -312с.

7. Коузов П.А. Основы анализа дисперсного состава промышленных пылей и аэрозолей. - JL: Химия, 1987. - 264 с.

8. Инструкция по проведению анализа дисперсного состава пыли седиментационным методом в жидкой среде. Л., ВНИИОТ, 1965. - 52 с.

9. Белова Т.И., Агашков Е.М., Гавршцук В.И, Абрамов А.В., Кравченко Д.А. Модель обеспечения условий труда операторов пищеконцентратных производств // Вестник МАНЭБ. - 2010. - Т. 15. - № 5. -С. 137-138."

10. Градус Л.Я. Руководство по дисперсионному анализу методом микроскопии. - М.: Химия, 1979. - 232 с.

УДК 664.14 Канд. техн. наук Д.С. АГАПОВ

СТРУКТУРНАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ САХАРА

Пинч-анализ, интеграция тепловых процессов, структурная оптимизация, производство сахара

Применение пинч-анализа для структурной оптимизации такой системы, как завод по производству сахара, является тривиальной задачей, успешно решаемой многими зарубежными исследователями [1,2]. Однако решение данной задачи осуществлялось исходя из положения, что все тепловые потоки являются стационарными.

В практике нередко встречаются случаи, когда это не соответствует действительности. Более того, априорно можно утверждать, что если время работы оборудования в стационарном режиме сравнимо по продолжительности со временем выхода на технологический режим и/или со временем завершения работы (остановки), то тепловые потоки такого оборудования нельзя полагать стационарными.

Такая проблема решается путём установки преобразователя нестационарного теплового потока в несколько стационарных [3].

По техническому заданию ООО «Сельхозресурс-КМВ» необходимо определить структуру завода по производству сахара, производительностью 3 000 т/сут. Технология производства сахара принята стандартной, применяемой на большинстве заводов, расположенных на территории бывшего СССР и стран СНГ.

Для определения ориентировочных данных о тепловых потоках технологического оборудования завода по производству сахара можно воспользоваться данными характерных значений [1,2, 4].

Для проектируемого сахарного завода ориентировочные данные о тепловых потоках представлены в табл. 1.

Таблица 1. Данные о тепловых потоках технологического оборудования для производства сахара

№ потока Название потока Температура на входе Температура на выходе Тепловой поток

К кВт

1 Мойка продукта (подогрев воды) 15,0 25,0 523,75

2 Ошпаривание (получение диффузионного сока) 15,00 66,00 16313,15

3 Нагрев предщефекованного сока 51,00 85,00 10712,83

4 Подогрев сока после первой сатурации 80,00 90,00 3150,83

5 Промой фильтра 80,00 95,0 1621,73

6 Подогрев сока перед второй сатурацией 80,00 95,00 2943,69

7 Подогрев сока перед выпарной установкой 80,00 126,00 9027,31

8 Выпаривание сока в первом корпусе выпарной установки 125,00 125,00 42431,81

9 Выпаривание сока во втором корпусе выпарной установки 116,0 116,0 34642,13

10 Выпаривание сока в третьем корпусе выпарной установки 106,00 106,00 13407,64

11 Выпаривание сока в четвёртом корпусе выпарной установки 96,00 96,00 3413,13

12 Выпаривание сока в пятом корпусе выпарной установки 84,00 84,00 405,73

13 Подогрев сиропа перед фильтрованием 68,5 82,0 399,38

14 Упаривание утфеля в первом вакуумном аппарате 73,00 73,00 2228,16

15 Упаривание утфеля во втором вакуумном аппарате 73,00 73,00 2158,53

16 Упаривание утфеля в третьем вакуумном аппарате 73,00 73,00 1833,59

17 Подогрев свежего воздуха 15,0 80,0 90,73

18 Вторичный пар первого корпуса выпарной установки 124,00 124,00 42249,18

19 Конденсат первого корпуса выпарной установки 120,00 15,00 8481,26

20 Вторичный пар второго корпуса выпарной установки 115,00 115,00 34729,87

21 Конденсат второго корпуса выпарной установки 103,0 15,0 5789,42

22 Вторичный пар третьего корпуса выпарной установки 105,00 105,00 13464,97

23 Конденсат третьего корпуса выпарной установки 93,00 15,00 1956,24

24 Вторичный пар четвёртого корпуса выпарной установки 95,00 95,00 3432,09

25 Конденсат четвёртого корпуса выпарной установки 82,00 15,00 419,12

26 Вторичный пар пятого корпуса выпарной установки 85,00 85,00 385,26

27 Конденсат пятого корпуса выпарной установки 72,00 15,00 48,10

28 Вторичный пар первого вакуумного аппарата 70,00 70,00 2228,16

29 Конденсат первого вакуумного аппарата 70,00 15,00 221,23

30 Вторичный пар второго вакуумного аппарата 70,00 70,00 2158,53

31 Конденсат второго вакуумного аппарата 70,00 15,00 214,32

32 Вторичный пар третьего вакуумного аппарата 70,00 70,00 1833,59

33 Конденсат третьего вакуумного аппарата 70,00 15,00 182,06

34 Теплота уходящего воздуха 50,00 15,00 48,85

Принимая АТдинч =10 градусов, строим композитные кривые (рис. 1). Задача практически сводится к пороговой, когда практически вся интеграция происходит с одной стороны пинча. Из рис. 1 видно, что значительную часть тепловой картины представляют процессы фазовых переходов,

такие как испарение и конденсация. Это затрудняет локализацию пинча и при определении температуры пинча такие потоки можно временно исключить из рассмотрения, однако при синтезе теплообменной сети их необходимо учитывать.

140

0 -I----

0 50000 100000 150000 200000

Тепловой поток

Рис. 1. Композитные кривые тепловых потоков сахарного завода

Результаты расчётов приведены в табл. 2. Из неё следует, что имеется возможность регенерировать, а значит, и экономить при таком режиме работы технической системы около 100,9 МВт теплоты, что составляет примерно 70% от общего расхода теплоты.

Таблица 2. Результаты пинч-анализа

Показатель Значение

Горячий пинч, °С 124,001

Холодный пинч, °С 116,001

Минимальные горячие утилиты, кВт 44394,0732

Минимальные холодные утилиты, кВт 16932,19376

Общая мощность горячих потоков, кВт 117842,2379

Общая мощность холодных потоков, кВт 145304,1173

Степень интеграции 0,87

Мощность теплоты регенерации выше пинча, кВт 1,2

Мощность теплоты регенерации ниже пинча, кВт 100910,0441

Общая мощность теплоты регенерации, кВт 100910,04

Пинч-анализ, как было показано выше, оперирует сугубо стационарными потоками. Вообще большинство аналогичных инструментов ориентировано исключительно на стационарные потоки и не применимы или условно применимы к потокам, переменным по времени [3].

Тем не менее, нередко встречаются нестационарные процессы, имеющие высокий термодинамический потенциал, исключение из рассмотрения которых приведёт к существенным

потерям теплоты в окружающую среду. Характерными примерами таких процессов являются технологические этапы производства — остывание или охлаждение объектов или зависимость температуры отработавших газов от режима работы оборудования.

Предлагаемое в данной статье устройство (рис. 3) позволяет преобразовывать нестационарный поток (рис. 2) в несколько стационарных (рис. 4).

Рассматриваемый случай нестационарного потока (рис. 2) является наиболее общим, сложным и нечасто встречающимся. Чаще всего температура по времени имеет характер логарифмической кривой или в первом приближении линейный характер.

Т,

К

{ПТК \ т 1 ГП1П /АТГгтптПТ ^ I /ГП^ А > >

0=ХС ........ II............ т

Рис. 2. Нестационарный поток

Устройство преобразования (рис. 3) состоит из теплообменников, тепловых труб и тепловых аккумуляторов фазового перехода, число которых равно числу тепловых труб.

Температуры фазовых переходов материала тепловых аккумуляторов разные, равно как и ёмкость самих тепловых аккумуляторов (то есть количество теплоаккумулирующего материала). Наибольшую температуру фазового перехода имеет материал первого теплового аккумулятора, то есть тот, через который нестационарный поток проходит первым (на рис. 4 крайний справа).

Выход агента приёмника теплоты

Выход агента приёмника теплоты

Выход агента приёмника теплоты,

Выход агента приёмника теплоты

Т,>Тр>...>Т,>...>Т„

Выход агента источника теплоты

Аккумуляторы теплоты

Вход агента приёмника теплоты

Вход агента приёмника теплоты

Вход агента приёмника теплоты

Вход агента приёмника теплоты

Тепловые трубы

Вход агента источника теплоты

Рис. 3. Конструкция преобразователя

Важным условием является то положение, что тепловые трубы работают в этой схеме как термодиоды, то есть пропуская теплоту лишь в одном направлении. Таким образом, если температура разделяемого нестационарного потока снизилась ниже температуры фазового перехода материала первого теплообменника, то работают уже другие секции, а именно те, чьи температуры фазовых переходов не превышают текущую температуру нестационарного потока.

Т,

К

тш

1т,<2

ттт

0„ и

Т,

ГТ11П

5 Я г .1 Г! • Я г ;1Я I Я г |1: я п

¡¡¡•¡¡¡Ж

¿и

10,

0=20,

!;!И;11!:!1;1111 I

Т: III

02

Т,

о, 11

Т.е.

Рис. 4. Преобразованный нестационарный поток в несколько стационарных потоков

Итогом работы представленной конструкции является несколько стационарных тепловых потоков (рис. 3), отбираемых в разных трубопроводах.

Следует отметить, что суммарная теплота этих стационарных потоков будет равна теплоте разделяемого нестационарного потока, из которого они получились. То есть:

гт 1="

где Т - текущее значение температуры нестационарного потока, К; г— время, с; 7, - значение температуры фазового перехода теплоаккумулирующего материала /-й секции, К; г, -продолжительность по времени зарядки/разрядки г-й секции, с.

Вообще говоря, с помощью данной конструкции возможно преобразование всех имеющихся в технологической линии потоков, как стационарных, так и нестационарных. Однако в таком случае желательно всё же провести анализ всех потоков системы для того, чтобы характеристики конструкции, представленной на рис. 3, наилучшим образом подходили к имеющейся системе, что позволит существенно снизить капитальные затраты на создание конструкции.

Таким образом, эта конструкция позволяет преобразовывать нестационарные тепловые потоки в стационарные для обеспечения возможности интеграции теплоты средствами пинч-технологии.

Однако теперь необходимо выяснить, каким образом возможна такая экономия. Для этого производим расчёт с помощью написанной ранее программы для ЭВМ «Пинч-анализ и теплообменная сеть». Результаты расчёта сведены в табл. 3.

ТаблицаЗ. Интеграция тепловых потоков

Температура на входе горячей стороны, °С Температура на выходе горячей стороны, °С Название горячего потока Тепловой поток, кВт Название холодного потока Температура на входе холодной стороны, °С Температура на выходе холодной стороны, °С

Выше пинча

Горячие утилиты 1962,26 Подогрев сока перед выпарной установкой 116,00 126,00

Горячие утилиты 42431,81 Выпаривание сока в первом корпусе выпарной установки 125,00 125,00

Ниже пинча

615,00 584,43 Охлаждение отработавщих газов 2,24 Подогрев впускного воздуха 253,00 293,00

124,00 124,00 Вторичный пар первого корпуса выпарной установки 34642,13 Выпаривание сока во втором корпусе выпарной установки 116,00 116,00

115,00 115,00 Вторичный пар второго корпуса выпарной установки 16313,15 Ошпаривание (Получение диффузионного сока) 15,00 66,00

115,00 115,00 Вторичный пар второго корпуса выпарной установки 13407,64 Выпаривание сока в третьем корпусе выпарной установки 106,00 106,00

105,00 105,00 Вторичный пар третьего корпуса выпарной установки 9706,74 Нагрев предщефекованного сока 54,19 85,00

124,00 124,00 Вторичный пар первого корпуса выпарной установки 7065,05 Подогрев сока перед выпарной установкой 80,00 116,00

115,00 115,00 Вторичный пар второго корпуса выпарной установки 3413,13 Выпаривание сока в четвёртом корпусе выпарной установки 96,00 96,00

105,00 105,00 Вторичный пар третьего корпуса выпарной установки 3150,83 Подогрев сока после первой сатурации 80,00 90,00

120,00 88,00 Конденсат первого корпуса выпарной установки 2584,76 Подогрев сока перед второй сатурацией 80,00 95,00

95,00 95,00 Вторичный пар четвёртого корпуса выпарной установки 2228,16 Упаривание утфеля в первом вакуумном аппарате 73,00 73,00

115,00 115,00 Вторичный пар второго корпуса выпарной установки 1595,95 Промой фильтра 80,24 95,00

103,00 81,00 Конденсат второго корпуса выпарной установки 1447,35 Упаривание утфеля во втором вакуумном аппарате 73,00 73,00

95,00 95,00 Вторичный пар четвёртого корпуса выпарной установки 1203,93 Упаривание утфеля в третьем вакуумном аппарате 73,00 73,00

81,00 65,71 Конденсат второго корпуса выпарной установки 1006,09 Нагрев предщефекованного сока 51,00 54,19

88,00 81,00 Конденсат первого корпуса выпарной установки 565,42 Упаривание утфеля во втором вакуумном аппарате 73,00 73,00

81,00 74,52 Конденсат первого корпуса выпарной установки 523,75 Мойка продукта (подогрев воды) 15,00 25,00

124,00 124,00 Вторичный пар первого корпуса выпарной установки 407,51 Упаривание утфеля в третьем вакуумном аппарате 73,00 73,00

105,00 105,00 Вторичный пар третьего корпуса выпарной установки 405,73 Выпаривание сока в пятом корпусе выпарной установки 84,00 84,00

85,00 85,00 Вторичный пар пятого корпуса выпарной установки 222,18 Упаривание утфеля в третьем вакуумном аппарате 73,00 73,00

105,00 105,00 Вторичный пар третьего корпуса выпарной установки 201,67 Подогрев сока перед второй сатурацией 86,57 95,00

85,00 85,00 Вторичный пар пятого корпуса выпарной установки 145,40 Упаривание утфеля во втором вакуумном аппарате 73,00 73,00

124,00 124,00 Вторичный пар первого корпуса выпарной установки 134,49 Подогрев сока перед второй сатурацией 80,95 86,57

93,00 89,94 Конденсат третьего корпуса выпарной установки 76,86 Подогрев сиропа перед фильтрованием 79,40 82,00

89,94 88,00 Конденсат третьего корпуса выпарной установки 25,78 Промой фильтра 80,00 80,24

88,00 23,00 Конденсат третьего корпуса выпарной установки 90,73 Подогрев свежего воздуха 15,00 80,00

89,94 88,00 Конденсат третьего корпуса выпарной установки 22,76 Подогрев сока перед второй сатурацией 80,00 80,95

88,00 87,00 Конденсат третьего корпуса выпарной установки 11,95 Подогрев сиропа перед фильтрованием 79,00 79,40

87,00 76,50 Конденсат третьего корпуса выпарной установки 125,18 Подогрев сиропа перед фильтрованием 68,50 79,00

88,00 85,00 Конденсат третьего корпуса выпарной установки 35,27 Подогрев сиропа перед фильтрованием 77,00 79,00

85,00 76,50 Конденсат третьего корпуса выпарной установки 99,97 Подогрев сиропа перед фильтрованием 68,50 77,00

85,00 85,00 Вторичный пар пятого корпуса выпарной установки 17,70 Подогрев сиропа перед фильтрованием 74,00 77,00

82,00 76,50 Конденсат четвёртого корпуса выпарной установки 32,45 Подогрев сиропа перед фильтрованием 68,50 74,00

82,00 81,00 Конденсат четвёртого корпуса выпарной установки 0,36 Упаривание утфеля во втором вакуумном аппарате 73,00 73,00

81,00 15,00 Конденсат четвёртого корпуса выпарной установки 23,52 Холодные утилиты

76,50 15,00 Конденсат третьего корпуса выпарной установки 733,33 Холодные утилиты

Конденсат третьего

76,50 15,00 корпуса выпарной установки 723,25 Холодные утилиты

Конденсат четвёртого

76,50 15,00 корпуса выпарной установки 362,80 Холодные утилиты

Конденсат первого

74,52 15,00 корпуса выпарной установки 4807,33 Холодные утилиты

Конденсат пятого

72,00 15,00 корпуса выпарной установки 48,10 Холодные утилиты

Вторичный пар

70,00 70,00 первого вакуумного аппарата 2228,16 Холодные утилиты

Вторичный пар

70,00 70,00 второго вакуумного аппарата 2158,53 Холодные утилиты

Вторичный пар

70,00 70,00 третьего вакуумного аппарата 1833,59 Холодные утилиты

70,00 15,00 Конденсат первого вакуумного аппарата 221,23 Холодные утилиты

70,00 15,00 Конденсат второго вакуумного аппарата 214,32 Холодные утилиты

70,00 15,00 Конденсат третьего вакуумного аппарата 182,06 Холодные утилиты

Конденсат второго

65,71 15,00 корпуса выпарной установки 3335,97 Холодные утилиты

50,00 15,00 Теплота уходящего воздуха 48,85 Холодные утилиты

Конденсат третьего

23,00 15,00 корпуса выпарной установки 11,17 Холодные утилиты

Таким образом, на основе пинч-технологии решена задача структурной оптимизации технической системы, в качестве которой рассмотрен завод по производству сахара, производительностью 3 ООО т/сут. При этом для обеспечения возможности интеграции теплоты нестационарных потоков предлагается использовать устройство преобразования нестационарного теплового потока в несколько стационарных. Также следует отметить, что представленная тепловая картина не масштабируема и изменение производительности какого-либо устройства или введение любой единицы оборудования влечёт необходимость повторного анализа.

Литература

1. Товажнянский JI.JI., Капустенко П.А., Ульев Л.М., Болдырев С.А. Тепловая интеграция и энергосбережение в сахарной промышленности // Вестник НТУ Харьковского политехнического университета. - 2002. -Вып. 9. - Т. 1. - С. 94-105.

2. М. Grabowski, J. Klemes, К. Urbaniec, G. Vaccari, X. Zhu. Minimum energy consumption in sugar production by cooling crystallisation of concentrated raw juice. // Ap-plied Thermal Engineering No 21, pp. 1319-1329, 2001.

3. Агапов Д.С. Устройство преобразования нестационарного теплового потока для его интеграции в производственные технолоогические линии // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета - 2014. - №37,- С. 241-249.

4. Товажнянский Л.Л., Капустенко П.А., Ульев Л.М., Болдырев С.А. Экономически оптимальная тепловая интеграция на сахарных заводах // Логистика и экономика ресурсосбережения и энергосбережения в промышленности: Междунар. научн,- практ. конф, 28-31 октября. - М., 2002. - С. 3.2-1.1.4.