Эксергетический анализ эффективности способа подготовки свекловичной стружки к экстрагированию

УДК 66-971: 664.1.03

Эксергетический анализ эффективности способа подготовки свекловичной стружки к экстрагированию

Н.Г. КУЛЬНЕВА, д-р техн. наук

М.В. ЖУРАВЛЁВ, канд. техн. наук

А.С. МУРАВЬЁВ, канд. техн. наук

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет инженерных технологий»

Введение

Поиск возможностей энергетического совершенствования технологических схем во многом определяется необходимостью оценки эффективности использования энергоресурсов. Применяемый для этих целей эксергетический расчёт [1] является перспективным методом оценки термодинамического состояния теплотехнологических систем.

Эксергетический анализ представляет собой совокупность методик, основанных на определении энергии или эксергетических потоков в исследуемой тепловой системе и построении эксергетического баланса, в котором рассматриваются все объекты, связанные этими потоками. Понятия «эксергия» и «энергия» различны: первое определяется фундаментальными свойствами материи, второе характеризует пригодность энергии в данных условиях внешней среды, характеристики которой не зависят от воздействия теплотехнологической системы.

К задачам эксергетического анализа относится расчёт степени термодинамического совершенства системы на основе второго закона термодинамики в целом, а также выявление этапов процесса, на которых имеются наибольшие потери эксергии.

Эксергетический анализ применили к способу получения диффузионного сока, предусматривающему обработку стружки в двухсекционном ошпаривателе вертикального типа [2], где она последовательно обрабатывается греющим паром температурой 85 оС, а затем 0,05%-ным раствором ^Н4)^04, который предварительно подвергается электрохимической активации в течение 90 с при напряжённости электрического поля 1 В/см и температуре 75 оС. Количество раствора для обработки составляет 10 % к массе стружки.

Тепловая обработка свекловичной стружки греющим паром и раствором ^Н4)^04 в каждой секции ошпаривателя осуществляется при постоянном перемешивании, благодаря чему достигается высокая степень равномерности обогрева всего объёма стружки до достижения необходимой температуры 72 оС. Обработка свекловичной стружки греющим паром приводит к денатурации белков поверхностного слоя свекловичной ткани, увеличивая её проницаемость [3]. В образующиеся поры вместе с паром проникает раствор сульфата аммония, компоненты которого блокируют тепловую деструкцию высокомолекулярных соединений. Уменьшается переход несахаров из свекловичной стружки в диффузионный сок в процессе экстрагирования сахарозы. Совмещение тепловой и химической обработки позволяет подогреть свекловичную стружку до оптимальной температуры диффузионного процесса 72 оС вне диффузионного аппарата. В диффузионный аппарат поступает уже нагретая стружка, благодаря чему сокращается длительность технологического процесса. Продолжительность обработки паром составляет 30—60 с, после чего температура стружки составляет 72 оС.

Качественные показатели диффузионного и очищенного соков, полученных по традиционной технологии с использованием предварительной термохимической обработки свекловичной стружки электроактивированным раствором сульфата аммония, представлены в табл. 1.

Качественные показатели полупродуктов, полученных по способу с применением предварительной термохимической обработки стружки перед экстрагированием сахарозы, значительно выше показателей соков, полученных по традиционной технологии. Это свидетельствует о целесообразности предлагаемого

Таблица 1. Качественные показатели диффузионного

и очищенного соков

Показатели полупродуктов Схема без обработки свекловичной стружки перед экстрагированием Предварительная обработка свекловичной стружки ЭХА раствором (NH4)2SO4

Диффузионный сок

Чистота, % 85,7 87,6

Содержание белков, мг/см3 0,38 0,21

Очищенный сок

Чистота, % 91,0 92,7

Цветность, ед. опт. плот. 216 178

Массовая доля солей кальция, % СаО 0,031 0,025

способа с термохимической подготовкой свекловичной стружки перед извлечением сахарозы [4].

Процесс термохимической обработки свекловичной стружки сопровождается дополнительными затратами электрической и тепловой энергии на приготовление раствора сульфата аммония, его электрохимическую активацию и непосредственно на обработку стружки в ошпаривателе. В связи с этим представляет интерес расчёт эксергетической эффективности данного процесса.

Методика проведения исследований

Эксергия контрольных поверхностей рассматриваемой системы экстрагирования сахарозы, состоящей из классических необратимых процессов, уменьшается с течением времени. Это обусловлено явлением диссипации тепловой энергии:

I Ез = 1 Е Б, С1)

где I Ез — суммарная эксергия подводимых к контрольной поверхности материальных и энергетических пото ков; I Еэ — суммарная эксергия отводимых от контрольной поверхности полезных материальных и энергетичестк потоков; IБ = ^ • ДS — сумма эк-сергетических потерь (уравнение Гюи-Стодолы).

Соотношение (1) для рассматриваемой технологии экстрагирования сахарозы из свёклы рассматривалось в следующем виде:

=

где слагаемые этих уравнений — эксергия (кДж): исходной стружки £[П; пара для ошпаривания £[В;

аммиачной воды -Ёц1; реагента (сульфата аммония) Е2; суммарной подводимой электроэнергии YEef; диффузионного сока, направляемого на очистку ЕЩ ; жома Есуммарные эксергетические потери в результате необратимости процессов, происходящих внутри контрольной поверхности YD суммарные эксергетические во внешнюю среду YÀ,.

Уравнение (3) отражает изменение эксергии те-плотехнологической системы экстрагирования сахарозы из свёклы за счёт ввода исходного сырья — свекловичной стружки, вспомогательных потоков (аммиачная, барометрическая и жомопрессовая вода, раствор сульфата аммония, пар для ошпаривания и греющий пар); подвода электроэнергии к приводам технологического оборудования; необратимых изменений структурно-механических свойств продукта, сопряжённых с затратами электроэнергии на приводы технологического оборудования; приращения эксергии продукта от механического воздействия роторов ошпаривателя и диффузионного аппарата, приращения эксергии вспомогательных потоков от приводов насосов; покрытия потерь от необратимости теплообменных процессов; гидравлических потерь потоков пара; электромеханических потерь; компенсации потерь, обусловленных действием окружающей среды.

Эксергии вводимых в систему внешних потоков — исходной стружки и реагента — находятся в термодинамическом равновесии с окружающей средой, поэтому равны нулю исходя из определения эксергии.

Принимаем, что в процессе обработки сырья и промежуточных продуктов, а также вспомогательных потоков их состав не претерпевает изменений, их химическая эксергия постоянна. Поэтому учитывается только удельная термическая эксергия, определяемая в соответствии с уравнением Гюи-Стодолы:

еэ.к. = е - е0 = h - h - T0

где e, e0 — удельная термическая эксергия, кДж/кг; h, h0 — удельная энтальпия, кДж/кг; S, S0 — энтропия, кДж / (кг • К) потока при данных параметрах процесса и в состоянии равновесия с окружающей средой.

В суммарное количество внутренних эксергети-ческих потерь входят потери от конечной разности температур в результате теплообмена между продуктами, продуктами и вспомогательными потоками (пар, вода), электромеханические, возникающие при необратимом изменении структурно-механических свойств продукта, и гидравлические, обусловленные увеличением удельного объёма пара при его поступлении в технологическое оборудование из подводящих паропроводов.

Потери, обусловленные конечной разностью температур между потоками, определяли по формуле

б то=цто .те,

где 0 — количество теплоты, переданное от одного потока к другое, 1\Цж; те — среднее значение фактора Карно для двух взаимодействующих потоков.

Фактор Карно, или эксергетическая температурная функция, равна термическому КПД цикла Карно между температурами контрольной поверхности и условно принятой окружающей среды:

те = (Ткп " Т0 ) / ГкП

где Ткп — температура теплоносителя внутри контрольной поверхности, К.

Эксергетические потери вследствие падения давления пара при его подаче в контрольную поверхность определяли по формуле

Dг = я АЯГ • ,

Т вх

где Твх — температура, продукта на входе в контрольную поверхность, К; ДНг — гидравлические потери, м.

По формуле Дарси-Вейсбаха найдены гидравлические потери при входе пара в контрольную поверхность:

V2

ДНГ =% ^,

где гвх — средняя скорость прохождения пара по сечению подводящего трубопровода, м/с; 4 — коэффициент сопротивления, определяемый отношением внутреннего объёма оборудования, рассматриваемого в качестве контрольной поверхности, к поперечному сечению входного отверстия.

Электромеханические потери эксергии тождественны мощности приводов технологического оборудования, используемого в процессе обработки сырья и промежуточных продуктов.

Внешние потери Dе связаны с условиями сопряжения системы с окружающей средой. Они обусловлены различием температур теплоносителя и окружающей среды, несовершенством теплоизоляции оборудования.

Потери эксергии в окружающую среду, обусловленные несовершенством теплоизоляции, были найдены по формуле

V = Оз -те,

где 0 — суммарные потери тепла в окружающую

среду через контрольную поверхность, кДж; те — фактор Карно.

Эксергетические потери полупродуктов процесса (свекловичный жом и диффузионный сок) при их выгрузке из секций I и VI диффузионного аппарата и достижении термодинамического равновесия с окружающей средой были вычислены по следующей формуле:

Апр = Тхр -ТПр-Т0  С• 1пТпр,

к пр

где hпр, Тпр — энтальпия, кДж/кг, и температура готовых продуктов, Т, с — средняя удельная теплоёмкость продуктов между их текущим состоянием в момент выгрузки и в состоянии термодинамического равновесия с окружающей средой, кДж / (кг • К).

Оценку термодинамического совершенства тепло-технологической системы экстрагирования сахарозы из свёклы с предварительной термохимической обработкой стружки проводили в соответствии со значениями эксергии готовой продукции, вычисляя КПД системы по формуле

^экс

I п т

к=1 = ¿=1 ]=1 п п '

I=1

I=1

где ^ еЭ — суммарная удельная эксергия полупро-П к=1 дуктов (диффузионный сок, жом), кДж/кг;

— суммарная затраченная удельная подведённая ¿=1 в систему извне, кДж/кг;

т

^ Б — суммарные эксергетические потери, кДж/кг.

}=1

Результаты исследований и их обсуждение

Согласно методологическим условиям [5] теплотех-нологическая система термохимической обработки свекловичной стружки перед диффузионным извлечением сахарозы (рис. 1) условно отделена от окружающей среды замкнутой контрольной поверхностью, внутри которой с учётом теплообменных процессов выделены контрольные поверхности:

I — получение раствора реагента;

II — электрохимическая активация раствора реагента;

III — термохимическая обработка свекловичной стружки в ошпаривателе;

IV — первая зона диффузионного аппарата;

V — вторая зона диффузионного аппарата;

VI — третья зона диффузионного аппарата;

VII — четвёртая зона диффузионного аппарата.

Диффузионный сок

I Диффузионный

Рис. 1. Схема технологического процесса:  — полупродукты;———  — жидкости различных категорий;-—- — — пар; ——— — границы контрольных поверхностей. 1 — ошпариватель свекловичной стружки; 2 — наклонный диффузионный аппарат; 3 — насос отбора диффузионного сока; 4 — насос отбора конденсата; 5 — сборник-дозатор приготовления раствора реагента; 6 — мезголовушка; 7 — установка для электрохимической активации раствора реагента

Эксергия в каждой из перечисленных контрольных поверхностей рассматриваемой системы экстракции сахарозы, состоящей из классических необратимых процессов, уменьшается с течением

времени, что обусловлено диссипацией тепловой энергии.

Схематическое отображение обмена рассматриваемой теплотехнологической системы термохими-

ческой обработки свекловичной стружки перед экстрагированием сахарозы тепловыми, материальными и энергетическими потоками с внешней средой и внутри системы между контрольными поверхностями представлено на рис. 2.

Принимая, что в процессе нагревания сырья, промежуточных продуктов и вспомогательных потоков в технологическом оборудовании их химическая эксергия постоянна, так как состав в процессе переработки не претерпевает существенных изме-

Пар для ошпаривания ^ ч I

363 К; 0,5 т/ч

I

Активированный ц реагент

* .. . . ЭХА

§ 340 К; 12 т/ч

Насос конденсата N=37 кВт

III

Ошпаривание ^стружки

реагента

Электроэнергия

N = 9,6 кВт I „ | | Растворение

Раствор реагента реагента 3412 К; 12 т/ч '-------

Мешалка N = 7 кВт

Реагент

Амиачная вода 3415 К; 12 т/ч

Шнеки N=24 кВт

Греющий пар 375 К; 1,2 т/ч

р5

т2

Насос диффузионного сока £

N = 45 кВт а ^ ек

Диффузионный сок

__I__Л.

IV

Первая зона

диффузионного

аппарата

3414 К

~1 Г

I___р__

Конденсат 303 К; 1,2 т/ч

Диффузионный сок на очистку

3414 К; 160 т/ч

I Диффузионный сок Сщ ~ 3417 К

п Г"

Вторая зона

диффузионного

аппарата

___I

Стружка Сп

I Диффузионный сок Сщ

" 338 К •--1--1 |---

VII

Третья зона

диффузионного

аппарата

Четвертая зона

диффузионного

аппарата

I

Стружка С

Стружка С

Черпачное колесо

Жомопрессовая вода

328 К; 75 т/ч Шнеки N=24 кВт

N=7,5 кВт

I I I

|_ Промышленная вода

345 К; 50 т/ч

Рис. 2. Схема обмена потоками между контрольными поверхностями предлагаемой теплотехнологической системы: ——  — полупродукты;—— —  — жидкости различных категорий;-—- —  — пар; > — электроэнергия; ——— — границы контрольных поверхностей, 1—У11 — номера контрольных поверхностей

Е=1,12 %

Е=1,53 % (21

Е=5,9 %

Е=3,88 %

Е=3,27 %

0=5,5 %

Е=0% Е=2,2 % й=0,67 %

Е=31,67 %

Е=8,12 %

Е=1,2% \Е=3,83 %

Рис. 3. Диаграмма Грассмана-Шаргута для исследуемой технологии: 1—У11 — номера контрольных поверхностей

нений, учитывается только удельная термическая эксергия.

В процессе построения эксергетических диаграмм Грассмана-Шаргута в качестве абсолютного эксерге-тического критерия выбрана эксергетическая мощность Е, кДж/ч, учитывающая как энергетическую составляющую в виде удельной эксергии, так и материальную в виде расхода вещества в потоке. Результаты расчётов представлены в табл. 2, обозначение потоков, отражённых в диаграмме Грассмана-Шаргута (рис. 3), — в табл. 3.

Таблица 2. Эксергетический баланс станции диффузионного

извлечения сахарозы из свёклы

№ п/п Наименование контрольной поверхности Абсолютная эксергетическая мощность Е, МДж/ч Относительная эксерге-тическая мощность, %

1 2 3 4

I Растворение реагента

П р и х о д

1 Аммиачная вода 85,44 3,78

2 Реагент (сульфат аммония) 0,00 0,00

3 Электроэнергия для привода мешалки 25,20 1,12

Суммарная эксергия 110,64 4,90

Р а с х о д

4 Внутренние эксергетические потери 28,36 1,26

Суммарная эксергия 28,36 1,26

II Электрохимическая активация реагента

П р и х о д

1 Электроэнергия для ЭХА реагента 34,56 1,53

Суммарная эксергия 34,56 1,53

Р а с х о д

3 Внутренние эксергетические потери 38,56 1,71

4 Внешние эксергетические потери 12,21 0,54

Суммарная эксергия 50,77 2,25

III Ошпаривание стружки

П р и х о д

1 Исходная стружка 0,00 0,00

2 Пар для ошпаривания 49,60 2,20

3 Электроэнергия для привода ротора ошпаривателя 25,20 1,12

Суммарная эксергия 74,80 3,31

Р а с х о д

5 Внутренние эксергетические потери 79,52 3,52

6 Внешние эксергетические потери 15,23 0,67

Суммарная эксергия 94,75 4,20

IV Первая зона диффузионного аппарата

П р и х о д

1 Греющий пар 73,94 3,27

2 Электроэнергия для привода насоса диффузионного сока 162,00 7,17

Окончание табл. 2

№ п/п Наименование контрольной поверхности Абсолютная эксерге-тическая мощность Е, МДж/ч Относительная эксергетическая мощность, %

3 Электроэнергия для привода насоса конденсата 133,20 5,90

4 Электроэнергия для привода шнека диффузионного аппарата 86,40 3,83

Суммарная эксергия 455,54 20,17

Р а с х о д

6 Внутренние эксергетические потери 452,63 20,05

7 Внешние эксергетические потери (включая конденсат) 124,20 5,50

8 Диффузионный сок 715,20 31,67

Суммарная эксергия 1292,03 57,22

V Вторая зона диффузионного аппарата

П р и х о д

1 Электроэнергия для привода шнека диффузионного аппарата 86,40 3,83

2 Греющий пар 73,94 3,27

Суммарная эксергия 160,34 7,10

Р а с х о д

3 Внутренние эксергетические потери 74,20 3,29

4 Внешние эксергетические потери 23,06 1,02

Суммарная эксергия 97,26 4,31

VI Третья зона диффузионного аппарата

П р и х о д

1 Электроэнергия для привода шнека диффузионного аппарата 86,40 3,83

2 Греющий пар 73,94 3,27

Суммарная эксергия 160,34 7,10

Р а с х о д

3 Внутренние эксергетические потери 62,10 2,75

4 Внешние эксергетические потери 15,20 0,67

Суммарная эксергия 77,30 3,42

VII Четвёртая зона диффузионного аппарата

П р и х о д

1 Промышленная (барометрическая) вода 703,42 31,15

2 Жомопрессовая вода 444,92 19,70

3 Электроэнергия для привода шнека диффузионного аппарата 86,40 3,83

4 Электроэнергия для привода черпачного колеса 27,00 1,20

Суммарная эксергия 1 261,74 55,88

Р а с х о д

5 Жом 183,30 8,12

6 Внутренние эксергетические потери 329,00 14,57

7 Внешние эксергетические потери 105,20 4,66

Суммарная эксергия 617,50 27,35

Общий подвод 2257,97 100,00

Общий отвод 2257,97 100,00

Эксергетический КПД 39,79

Таблица 3. Анализ потоков для диаграммы Грассмана-Шаргута станции извлечения сахарозы из

свекловичной стружки

Позиция на диаграмме Полупродукт или материал Контрольная поверхность

отдающая принимающая

1 Исходная стружка - III

2 Ошпаренная стружка III IV

3 Стружка Сру IV V

4 Стружка Су V VI

5 Стружка Су, VI VII

6 Жом VII -

7 Диффузионный сок на очистку IV -

8 Диффузионный сок Су,, VII VI

9 Диффузионный сок Су, VI V

10 Диффузионный сок Су V IV

11 Аммиачная вода - I

12 Раствор реагента I II

13 Активированный реагент II III

14 Пар для ошпаривания - III

15 Греющий пар - IV

16 Конденсат IV -

17 Промышленная (барометрическая) вода - VII

18 Жомопрессовая вода - VII

19 Реагент (сульфат аммония) - I

20 Электроэнергия для привода мешалки - I

21 Электроэнергия для ЭХА реагента - II

22 Электроэнергия для привода ротора ошпаривателя - III

23 Электроэнергия для привода насоса диффузионного сока - IV

24 Электроэнергия для привода насоса конденсата - IV

25 Электроэнергия для привода шнека диффузионного аппарата - IV-VII

26 Электроэнергия для привода черпачного колеса - VII

Заключение

Значение рассчитанного эксергетического КПД составило 39,79 %, что на 11,7 % выше, чем при использовании традиционной технологии. Полученное значение эксергетического КПД свидетельствует о том, что применение термохимической обработки свекловичной стружки позволяет повысить степень термодинамического совершенства рассматриваемой системы при переработке свеклы с различной начальной температурой.

Список литературы

1. Бродянский, В.М. Эксергетический анализ и его приложения / В.М. Бродянский, В. Фратшер, К. Ми-халек. — М. : Энергоатомиздат, 1988. — 288 с.

2. Пат. полез. мод. 161421 РФ, МПК7 Ш108016. Ошпариватель свекловичной стружки / Н.Г. Кульнева, М.В. Журавлёв, М.В. Копылов; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО Воронеж. гос. ун-т. инж. технол. - № 2015148832/15 заявл. 13.11.2015; опубл. 20.04.2016, Бюл. № 15.

3. Кульнева, Н.Г. Эффективность тепловой обработки свекловичной стружки перед экстрагированием сахарозы на Балашовском сахарном комбинате / Н.Г. Кульнева, М.В. Журавлёв, А.А. Швецов // Сахар. - 2016. - № 3. - С. 44-46.

4. Кульнева, Н.Г. Способы повышения эффективности диффузионного извлечения сахарозы из свёклы / Н.Г. Кульнева, М.В. Журавлёв. - Сахар. - 2017. -№ 1. - С. 30-33.

5. Сажин, Б.С. Эксергетический метод в химической технологии / Б.С. Сажин, А.П. Булеков. - М. : Химия, 1992. - 208 с.

Аннотация. Рассмотрена возможность использования эксергетического расчёта для оценки термодинамического состояния теплотехнологических процессов свеклосахарного производства. Анализ проведён для этапа диффузионного извлечения сахарозы с использованием термохимической обработки стружки. Расчётным путём подтверждены результаты экспериментальных исследований по эффективности термохимической обработки свекловичной стружки ЭХА растворами перед экстрагированием сахарозы. Ключевые слова: экстрагирование сахарозы, электрохимическая активация, ошпаривание стружки, эксергетический анализ.

Summary. The possibility of using the exergic calculation to assess the ther-modynamic state of the heat-technological processes of sugar beet production is considered. The analysis was carried out for the stage of diffusion extraction of sucrose using thermochemical processing of chips. The results of experimental studies on the effectiveness of thermochemical treatment of beet chips of ECA with solutions before extraction of sucrose are confirmed by calculation.

Keywords: sucrose extraction, electrochemical activation, scalding of chips, exergic analysis.