СОЛНЕЧНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ВЫРАБОТКИ СПИРТА И СОПУТСТВУЮЩИХ МАТЕРИАЛОВ
SOLAR INSTALLATION FOR PRODUCTION OF ALCOHOL AND ACCOMPANYING MATERIALS

Изобретение относится к биотехнологиям, в частности к устройствам получения спиртов из различных растительных материалов с использованием солнечной энергии.
Известны технологии и устройства для получения бражки из подготовленной биомассы в бродильных чанах, ее последующая перегонка в брагопере-гонных установках и ректификация с целью получения качественного спирта [1, 2, 3, 4] (аналоги).
Общим недостатком подобных устройств является необходимость иметь в наличии источники электрической или тепловой энергии для обеспечения режимов их работы. В частности, для функционирования бродильных чанов требуется низкопотенциальный источник энергии, обеспечивающий в них температуру до 60…85°C, а для работы брагоперегонной установки и ректификационной колонны от 90 до 160°C.
Для обеспечения технологических процессов специализированные предприятия, выпускающие большие объемы спиртосодержащих материалов, имеют, как правило, свои ТЭЦ, обеспечивающие производство спиртов перегретым паром и электроэнергией.
Приблизить подобные установки к источникам сырья и уменьшить или исключить затраты на использование технологического пара и электроэнергии целесообразно, если задействовать при этом солнечную энергию.
Известно несколько производителей солнечных плоских коллекторов для систем горячего водоснабжения, например [5] ОАО Ковровский механический завод и НПО Машиностроения [6] (аналоги).
Более высокую температуру воды на выходе могут обеспечить солнечные коллекторы на вакуумных трубках, например, нагреватели серии Диджиталь [7] (аналог).
Такого рода солнечные источники могут использоваться только в качестве низкопотенциальных источников тепла.
Известны также различные солнечные установки в биоэнергетике с концентраторами солнечной энергии, например, по патенту №2396493 [8] (аналог).
Недостатком данного устройства является необходимость размещать приемник сконцентрированной энергии (в данном случае биореактор для культивации микроводорослей) внутри концентратора. Это накладывает ряд ограничений по габаритам, весу приемника и его форме, т.к. приемник должен быть цилиндрической формы для радиального приема солнечных лучей на его поверхность.
Известен патент [9] КНР №CN101020888 «Система, производящая этанол посредством солнечной энергии». Данная установка содержит четыре солнечных коллектора-нагревателя, последовательно включенных между технологическими узлами типовой схемы подготовки сбраживаемого сырья, его дистилляции, вторичной перегонки и ректификации.
Недостатком данной системы в том, что она не может длительное время работать при отсутствии солнечной инсоляции, например в ночное время суток. Кроме того, данная установка сложна в эксплуатации, так как последовательное включение солнечных нагревателей обуславливает необходимость контроля и регулирования разных температурных режимов узлов типовой схемы и отбора тепловой энергии от коллекторов.
Наиболее близким к заявленному изобретению (прототипом) является типовая технологическая установка для выработки спирта и сопутствующих продуктов, бродильная часть которой изображена на рис.2, с.114-115, а брагоперегонный агрегат и ректификационная колонна - на рис.5, с.124-125 [10] (см. Яровенко В.Л. Справочник по производству спирта. Сырье, технология и тех-нохимконтроль. М., 1981).
На рис.2, с.114-115, изображена подробная аппаратурно-технологическая схема подготовки биомассы и ее сбраживания в бродильных чанах (поз.46, 47) с помощью пара. С выхода передаточной емкости (поз.50) зрелая бражка перекачивается циркуляционным насосом на брагоперегонный агрегат и ректификационную колонну, рис.5, с.124-125. Последний рисунок представляет подробную технологическую схему брагоректификационной части установки, где поз.37 обозначает бражную колонну, а поз.15 - ректификационную колонну.
Недостаток данной установки в больших энергозатратах при сжигании органического невозобновляемого топлива.
Задачей предлагаемого изобретения является создание установки, использующей энергию солнца, и расширение области распространения такого рода установок, приближенных к сырью, пригодному для сбраживания.
Техническим результатом является увеличение числа подобных установок, не требующих централизованных энергоисточников и способных функционировать автономно, что увеличит объемы производимой продукции.
Технический результат предлагаемого изобретения достигается тем, что в установке для выработки спирта и сопутствующих продуктов применена параллельная двухканальная схема использования солнечной энергии, причем в канале низкопотенциального источника теплоты использованы солнечные коллекторы с теплоаккумулятором, подключенным к бродильному чану, а в канале высокопотенциального источника применен солнечный, например, параболический концентратор, в фокусе которого находится теплообменник, соединенный с другим теплоаккумулятором, подключенным к брагоперегонному аппарату типовой технологической схемы получения спиртов.
Для уменьшения стоимости и управления поступающей солнечной энергией в низкопотенциальном источнике тепловой энергии использованы комбинации плоских гидравлических и вакуумных коллекторов.
Для ускорения передачи тепловой энергии от теплообменника солнечного концентратора к тепловому аккумулятору высокого потенциала в качестве теплоносителя использовано, например, минеральное масло.
Для повышения температуры теплоносителя в теплообменнике солнечного концентратора в качестве последнего применен, например, параболический солнечный концентратор.
Схема предлагаемого изобретения приведена на чертеже.
Солнечная установка для выработки спирта и сопутствующих материалов содержит типовую технологическую схему 1 получения спиртов, содержащую линию 2 подготовки биомассы, бродильный чан 3, циркуляционный насос 4, перекачивающий созревшую брагу в брагоперегонный агрегат 5 и ректификационную колонну 6. С выходов 7 по известным технологиям отбирается барда, кормовые дрожжи, двуокись углерода и т.д., а с выхода 8 ректификационной колонны - спирт.К входам типовой технологической схемы получения спиртов подключены низкопотенциальный источник тепловой энергии 9 на солнечных коллекторах и высокопотенциальный источник тепловой энергии 10 с использованием солнечного концентратора.
Низкопотенциальный источник содержит комбинацию соединенных последовательно плоских солнечных гидравлических коллекторов 11, 12, число которых определяется потребностью в тепловой энергии, вакуумного солнечного коллектора 13 и теплового аккумулятора 14 низкого потенциала.
Высокопотенциальный источник теплоты содержит солнечный, например, параболический концентратор 15, в фокусе которого размещен теплообменник 16, соединенный с тепловым аккумулятором 77 высокого температурного потенциала.
Установка для выработки спирта и сопутствующих материалов работает следующим образом.
Подготовленная на линии 2 в типовой схеме 1 получения спиртов биомасса загружается в бродильный чан 3, в который поступает горячая вода с теплового аккумулятора 14 низкого теплового потенциала.
Аккумулятор накапливает тепловую энергию на периоды отсутствия солнечной инсоляции, например, в ночное время суток.
Поскольку цена плоских солнечных коллекторов 11 и 12 в 5…8 раз меньше цены вакуумного коллектора 13, последний целесообразно устанавливать на входе теплового аккумулятора 14 для обеспечения, если требуется, пикового догрева поступающей с плоских коллекторов подогретой жидкости.
Из бродильного чана 3 (их может быть несколько в зависимости от технологии) созревшая брага перекачивается насосом 4 в брагоперегонный агрегат 5, вход которого соединен с тепловым аккумулятором 17 высокого температурного потенциала. В данном аккумуляторе накапливается тепловая энергия полученная от сфокусированной параболическим концентратором 15 солнечной энергии на теплообменнике 16, подключенному к входу аккумулятора. Высокотемпературным теплоносителем в данной схеме является, например, минеральное масло.
Применение параболического концентратора позволяет получить высокую степень концентрации при незначительных габаритах последнего.
В брагоперегонном агрегате 5 типовой технологической схемы 1 получения спиртов осуществляется отбор сопутствующих материалов, а спирт-сырец подается на ректификационную колонну 6, с выхода 8 которой готовый конечный продукт поступает к потребителю.
Предлагаемая Установка для выработки спирта и сопутствующих материалов энергонезависима, может быть выполнена в малогабаритном и транспортном варианте, поэтому предназначается для массового применения, в том числе малыми предприятиями, в местах наличия пригодной для сбраживания биомассы. Установка функционирует при незначительной солнечной инсоляции, в т.ч. в ночное время суток, за счет аккумуляции тепловой энергии, поэтому имеет расширенную территориальную зону применения.
Источники информации
1. Регламент производства спирта из крахмалистого сырья. М., 1979, с.27-51.
2. Яровенко В.Л. Справочник по производству спирта. Сырье, технология и технохимконтроль. М., 1981. Глава 2. Технологические схемы и режим получения спирта, с.88-125.
3. Патент на полезную модель РФ №78192, МПК C12P 7/06. Установка для непрерывного производства спиртосодержащей жидкости. Радикульцев Ю.В., Кудряшов В.К., Зиновьев М.А. Патентообладатель: Институт биологического приборостроения (аналог).
4. Патент РФ №2304619, МПК C12P 7/06. Способ производства спирта и устройство для его осуществления. Ежков А.В. и др. Патентообладатель: ЗАО НПО «Экология» (аналог).
5. Мобильная солнечная установка горячего водоснабжения. ОАО «Ковровский механический завод». [Электронный ресурс]. Режим доступа: www.Kmz.kovrov.ru
6. Солнечные коллекторы НПО «Машиностроения» [Электронный ресурс]. Режим доступа: www.npomit.ru (аналог).
7. Нагреватели серии Диджитал. Продукция фирмы SANJLF SOLAR ENERJY Со LTD [Электронный ресурс]. Режим доступа: www.sl-solar.net (аналог).
8. Патент №2396493, Российская Федерация. МПК F24J2/10. Солнечная установка с концентратором. Стребков Д.С., Росс М.Ю., Ахмед Т.А., Митина И.В. Заявитель и патентообладатель ГНУ ВИЭСХ Россельхозакадемии (аналог).
9. Патент Китайской народной республики CN202078761 U(ZHAO М), 21.12.2011 (аналог).
10. Ю.Яровенко В.Л. Справочник по производству спирта. Сырье, технология и технохимконтроль. М., 1981, рис.2, с.114-115, и рис.5, с.124-125 (прототип).