ВИКОРИСТАННЯМ ТЕПЛОВОЇ ЕНЕРГІЇ
Використання декількох ступенів тиску для багаторазового ступенево-послі-довного використання теплоти гріючої пари вперше було запроваджено у 1843 році у цукровій промисловості. Багатоступеневі випарні установки зменшують витрати первинної енергії за рахунок використання теплоти конденсації вторинної пари попереднього корпусу для обігріву наступного.
Використання багатоступеневих випарних установок зараз є класичним вирішенням питання енергозбереження.
Значно складніші справи з використанням декількох ступенів тиску в процесі ректифікації. У даному випадку маємо справу не з водяною парою, яка відрізняєть-
ся стабільними термодинамічними властивостями, а з водно-спиртовою парою, яка змінює свої характеристики у широких межах в залежності від концентрації спирту та інших летких домішок. Крім того, високі значення фізико-хімічної депресії між киплячою водно-спиртовою рідиною та її насиченою парою вимагають створення досить високих перепадів тиску у пов'язаних між собою тепловими потоками колонах.
Найбільш простим способом зниження витрат пари при брагоректифікації є використання установок прямої дії (рис. 15.22). Особливістю установки е двократне використання всієї теплоти гріючої пари, що надходить до бражної колони. Підігріта у дефлегматорі спиртової колони та бражному підігрівачі спиртова бражка, піддається епюрації за рахунок водно-спиртової пари, що надходить з бражної колони до епюрацїйної. Особливістю спиртової колони є наявність тільки концентраційної частини та живлення її водно-спиртовою парою з бражної колони. Епюрова-на бражка та флегма зі спиртової колони потрапляє на верхню тарілку бражної колони та після звільнення від спирту виводяться з установки одним потоком. Двократне використання теплоти гріючої пари дає можливість знизити її витрати на процес на 35... 40%.
Недоліком установки є можливе погіршення якості спирту при переробці дефектного зерна, викликане прямим зв'язком бражної та спиртової колон, а також розведення барди лютерною водою.
У ВИДІ харчової біотехнології розроблена та знайшла впровадження на ряді спиртових заводів БРУ напівпрямої дії (рис. 15.23). Відмінною особливістю уста-
Рис. 15.23 БРУ напівпрямої дії.
Колони: 1 - бражна; 2 - епюраційна; 3 - спиртова; 4 - підігрівам бражки; 5 - конденсатор; 6 - дефлегматор; 7 - кип'ятильник; 8 - піновловлювач
новки є попередня епюрація бражки та використання водно-спиртової пари, що виходить з бражної колони для обігріву епюраційної колони.
До установок напівпрямої дії треба віднести БРУ, розроблену в НУХТ під керівництвом проф. Маринченка В.О. та запроваджену на Вузлівському спиртзаводІ (рис. 15.24), в якій передбачене двостадійне використання теплоти. Обігрівання епюраційної колони здійснюється парами бражного дистиляту. Водно-спиртова пара з бражної колони потрапляє до кип'ятильника епюраційної колони, де, перш за все, конденсуються компоненти, які мають температуру конденсації вище, ніж в етанолу. Несконденсовані водно-спиртові пари з температурою 86...88° С надходять до бражного підігрівана, де остаточно конденсуються. У результаті конденсат, що виходить з бражного підігрівана, більш концентрований за спиртом, ніж пара, яка надходить з бражної колони до кип'ятильника епюраційної, завдяки чому створюється перепад температур, що забезпечує кипіння у кубі епюраційної колони.
Використання установок наиівпрямої дії знижує витрати пари та води на браго ректифікацію приблизно на 20... 25%.
На рис. 15.25 наведено схему установки з трьома ступенями тиску, розроблену Стабниковим та Степанцем. Бражна колона працює під абсолютним тиском 220 кПа, епюраційна - 125 кПа, а ректифікаційна та сивушна - 470 кПа. У даній схемі економія тепла складає біля 40%.
Теплота конденсації водно-спиртової пари однієї колони для обігріву іншої широко використовується в деяких закордонних БРУ.
Рис. 15.24 БРУ системи НУХТ та Вузлівського спиртового заводу.
Колони: 1 - бражна; 2 - епюраційна; 3 - спиртова; 4 - підігрівач бражки;
5 - сепаратор СО2; 6 - кип'ятильники
В установці фінської фірми "Розенлев" (рис. 1.26) гріюча пара вводиться тільки до бражної та спиртової колон. Обігрів колон брагоепюраційної та епюраційної (частково) та остаточного очищення проводиться за рахунок теплоти конденсації пари, що виходить з бражної та спиртової колон. Для забезпечення двократного використання теплоти у бражній та спиртовій колонах підтримується надлишковий тиск 50 кПа. За даними фірми, витрата пари складає 43 кг/дал.
Серед нових схем БРУ за кордоном заслуговує на увагу установка фірми "Фо-гельбуш" (Австрія), в якій передбачені три ступені тиску - від максимального (у бражній колоні) до меншого (у спиртовій) та мінімальному (в епюраційній) (рис. 15.27).
Слід відзначити БРУ фірми INTER1S (Франція), яка працює за принципом прямої дії (рис. 15.28). Заданими фірми, витрата пари складає 26 кг/дал а. а. Вироблення високоякісного спирту в залежності від сировини складає 88 - 95% від а. а. бражки.
Найбільш ефективне багаторазове використання теплоти може бути здійснено при роботі окремих колон під вакуумом, що дає можливість забезпечити в них необхідну для проведення процесу різницю температур.
В останні роки були розроблені та знайшли промислове впровадження БРУ з різним тиском в окремих колонах, в основному це вакуумні БРУ.
Вакуумні брагоректифікаційні установки поділяються на дві групи. До першої належать установки, в яких бражна колона працює під розрідженням, та в окре-
мих випадках епюраційна, а їх обігрів здійснюється за рахунок теплоти конденсації водно - спиртової пари спиртової та сивушної колон (у випадку наявності останньої в установці). За такою схемою працюють БРУ фірми "Спейшим", деякі установки США, установка системи ВТІ.
Рис. 15.28 БРУ прямої дії "INTERIS"
Колони: 1 - бражна; 2 - спиртова: 3 - епюраційна; 4 - дефлегматор; 5 - конденсатор; 6 - холодильник; 7 - сивухопромивач
До другої групи належать БРУ з вакуумуванням спиртової та еиюраційної колон та обігрівом їх водно-спиртовою парою бражної колони (окремі установки США, УкрНДІспиртбіопроду, ВИДІ харчової біотехнології, НУХТ та ін.).
З технологічної точки зору робота бражної колони під розрідженням найбільш раціональна тому, що зі зниженням температури зменшується новостворення летких домішок спирту, що позитивно впливає на аналітичні та органолептичні показники спирту.
За енергетичними показниками друга група має перевагу, тому що у даному варіанті використовується вторинна пара більш високого потенціалу. Температура конденсації вторинної пари на виході з бражної колони 92...95° С проти 78° С у спиртовій колоні. Крім того, зі спиртової колони необхідно відводити значно меншу кількість несконденсованих газів, отже зменшується витрата енергії на вакуум-насос.
На рис. 15.29 наведена вакуумна БРУ фірми "Спейшим" з чотирма ступенями тиску. До установки, окрім трьох основних колон, входять метанольна та колона розгонки головних домішок. В епюраційній колоні передбачена подача лютсрної води на гідроселекцію у кількості, що забезпечує концентрацію епюрату 10 об.%. Кількість домішок, що відбираються з розгінної колони, складає 5,0... 6,5% від введеного до установки спирту.
Епюраційна та спиртова колони працюють при надлишковому тиску, бражна та метанольна - при тиску 0,08 МПа та 0,09 МПа відповідно, в розгінній колоні підтримується атмосферний тиск. Свіжою гріючою парою обігрівається тільки епюраційна та спиртова колони; бражна та метанольна - вторинною водно-спиртовою парою, а колона розгонки домішок - парою самовипаровування лютерної води. Витрата гріючої пари не перевищує 31... 32 кг/дал спирту. На рис. 15.30 представлена БРУ системи Воронезького технологічного інституту (автор Баранцев В.І.). Особливістю установки є те, що бражна колона працює при розрідженні та обігрівається вторинною парою, що регенерується у випарни-ку-дефлегматорі з конденсату гріючої пари епюраційної та спиртової колон та лютерної води. Економія пари доеягає 40% у порівнянні з установкою непрямої дії. Крім того, зниження температури у бражній колоні зменшує вміст у бражному дистиляті складних ефірів, альдегідів та кислот та позитивно впливає на дегустаційні показники ректифікованого спирту. До переваг даної установки слід віднести можливість вилучення цукроміцетІв безпосередньо з барди, а не з бражки перед її дистиляцією. Це дозволяє знизити втрати спирту при сепаруванні дріжджів та розведенні відсепарованої бражки промивними водами. Останнє, в свого чергу, дозволяє економити гріючу пару на вилучення спирту з бражки.
Недоліком установки є те, що температура вторинної пари не перевищує 67° С, тому для її використання в якості гріючої необхідно у бражній колоні підтримувати досить глибоке розрідження-80... 83 кПа, що знижує експлуатаційні показники установки в цілому.
Зараз на ряді спиртових заводів впроваджені брагоректифікаційні установки УкрНДІспиртбіопроду (рис. 15.31) з двоступеневим тепловикористанням, в яких передбачається робота епюраційної та концентраційної частин спиртової колони під розрідженням. Бражка нагрівається у дефлегматорі спиртової колони та в піді-грівачах бражки. Для утилізації теплоти барди застосовується пароежекція. Паро-струминним насосом 8 у випарнику 9 підтримується розрідження 0,050... 0,055 МПа, завдяки чому барда випаровується та охолоджується. Пара, одержана при випаровуванні барди, стискується у пароструминному насосі та використовується для обігріву бражної колони і підігріву бражки у бражних підігрівачах. Спиртова колона розділена на дві частини - концентраційну, яка працює при розрідженні 35...38 кПа, та відгІнну, яка працює під атмосферним тиском та обігрівається гострою парою. Багаторічний досвід експлуатації даних установок показав, що витрата гріючої пари на процес брагоректифікацІЇ складає 32... 34 кг/дал, замість 55... 60 кг/дал у БРУ непрямої дії.
Треба відзначити, що незважаючи на значну економію гріючої пари, установка складна в експлуатації та потребує надійної системи автоматизації.
Співробітниками ВИДІ харчової бІотехнології розроблена вакуумна БРУ на базі установки напівпрямої дії (рис. 15.32). У наведеній схемі передбачається робота під вакуумом спиртової колони та обігрів її за рахунок теплоти пари бражного дистиляту та деякої кількості пари, яка пройшла відгінну частину колони.
1 — бражна колона; 2 - епюраційна колона; З - концентраційна частина спиртової колони; 4 - відгінна частина спиртової колони; 5 - пІдігрівач бражки; 6 - дефлегматор; 7 - вакуум-насос; 8 - ежектор, 9 - випарювач; 10 - кип'ятильник; 11 - підігрівач епюрата
Нагрівання бражки здійснюється теплотою барди, що відходить, у проміжному водному циркуляційному контурі. Установка повинна мати високі теплотехнічні властивості, але промислового впровадження вона не знайшла.
У НУХТ розроблена технологічна схема переведення типових брагоректифі-каційних установок непрямої дії на роботу під розрідженням (рис. 15.33). Бражна колона працює під тиском, близьким до атмосферного, а епюраційна та спиртова, що має тільки концентраційну частину - під розрідженням біля 50 кПа. У даному випадку типова БРУ доповнюється теплообмінником для підігріву бражки теплотою барди, що відходить, вакуум-насосом та спиртовловлювачем. Спиртова колона має тільки концентраційну частину. Флегма з нижньої частини спиртової колони перекачується ежектором на верхню тарілку бражної колони. Ця схема забезпечує зниження питомої витрати пари на 45... 50% при мінімальних витратах на переоснащенні типових БРУ.
Незважаючи на значну економію гріючої пари, згадані установки не знайшли широкого впровадження. Крім того, відсутній об'єктивний метод термодинамічної оцінки БРУ, який дозволяє обгрунтовано підійти до їх вибору.
За кордоном усе більше розповсюджуються теплонасосні установки, що дозволяють досить ефективно використовувати низь ко потенціальну теплоту матеріальних потоків, які відходять з технологічної системи.
Рис. 15.33 Вакуумна установка непрямої дії (НУХТ).
Колони: І - бражна; 2 - епюраційна; 3 - спиртова; 4 - підігрівам бражки;
5 -дефлегматори; 6 - конденсатори, 7 - спиртовловлювач; 8 - вакуум-насос;
9 - ежектор