ЕНЕРГЕТИЧНА ХАРАКТЕРИСТИКА БРАГОРЕКТИФІКАЦІЙНИХ УСТАНОВОК

Для вибору тієї або іншої схеми БРУ необхідно, насамперед, об'єктивно оці­нити її теплотехнічні показники.

Оцінка енергетичної досконалості брагоректифікаційних установок до недав­нього часу проводилась шляхом складання енергетичного балансу, який прийнято називати тепловим. При цьому всі види енергії розглядалися без урахування різни­ці в їх якості, тобто практичної придатності. Однак відомо, що практична придат­ність теплоти різна та має тим менше значення, чим ближче температура джерела тепла до температури навколишнього середовища. Так, навколишнє середовище могло б дати практично безмежну кількість теплоти, але якість, зумовлена практи­чною придатністю цієї теплоти, близька до нуля.

Енергетичний баланс не дає змоги встановити місце прояву процесів, що зни­жують ступінь досконалості енергоспоживаючої установки та не може бути осно­вою її об'єктивної оцінки. Слід відзначити, що енергетичний аналіз установок, що мають у своєму складі елементи, що працюють на основі зворотнього циклу Карно (теплові насоси), взагалі непридатний.

Оцінка практичної придатності вторинних енергоресурсів вимагає застосування другого закону термодинаміки, для використання якого вводиться загальний пока­зник якості різних видів теплоти. У якості такого показника прийнята максимальна здатність до здійснення роботи. Ця здатність характеризується поняттям "ексер­гія", що представляє собою максимальну здатність матерії до здійснення роботи у такому процесі, кінцевий стан якого визначається умовами термодинамічної рівно­ваги з навколишнім середовищем.

Таким чином, ексергія визначає придатність енергії для технічного застосу­вання за будь-яких заданих умов та характеризує енергію будь-якого виду не тільки за її кількістю, але й дає змогу кількісно оцінити якісну її сторону. Ексергія - це деяка універсальна міра енергетичних ресурсів, вона завжди має певну вартість, а ЇЇ витрачання повинно бути якомога економічнішим.

Реальні енергетичні процеси протікають незворотньо. Незворотність є причи­ною недосконалості процесу з енергетичної точки зору. Енергетичний баланс за своєю природою не може відобразити втрати від незворотності процесів у даній системі.


Оскільки брагоректифікаційна установка є сукупністю матеріальних тіл, що знаходяться у енергетичній взаємодії^ її можна розглядати, як термодинамічну сис­тему та застосовувати для її аналізу закони термодинаміки.

Для характеристики термодинамічної досконалості системи використовують­ся ексергетичні коефіцієнти, формули для визначення яких можуть бути різними, у відповідності від належності певного об'єкта до тієї чи іншої групи термодинаміч­них систем.

Для визначення ступеня термодинамічної досконалості брагоректифікаційних установок та характеристики втрат ексергії в них проф. Шияном П.Л. запропонова­но ріняння для визначення ексергетичного коефіцієнту який характеризує внут­рішні витрати ексергії та корисного ексергетичного коефіцієнта який характе­ризує використання вторинної ексергії.

де Е' та Е" - вхідні та вихідні потоки ексергії, кДж;

D - витрати ексергії, кДж;

Е* - потік вторинно використаної ексергії, кДж;

m - число ексергетичних складників;

п - число контрольних поверхонь системи. У таблиці 15.3. наведено термоди­намічні характеристики основних схем брагоректифікаційних установок, отримані на основі їх структурного ексергетичного аналізу.

З термодинамічної точки зору менш досконалою є брагоректифікаційна уста­новка непрямої дії (БРУНД), ексергетичний і корисний ексергетичний коефіцієнти якої дорівнюють 49,2 та 41,3% відповідно, при цьому рекуперується тільки 12,16% вторинної ексергії від усієї витраченої на процес ексергії.

Установки напівпрямої (БРУНПД) і прямої дії (БРУПД) термодинамічне більш досконалі, особливо це стосується БРУПД, у якої ексергетичний коефіцієнт дося­гає 76,2%, а використання вторинної ексергії по відношенню до витраченої - 47,90%. Незважаючи на це, витрати гріючої пари залишаються значними - 38,3 кг/дал спирту. Викликано це тим, що ексергії пари бражного дистиляту недостатньо для здійснен­ня процесу ректифікації в епюраційній і спиртовій колонах, її нестача відшкодову­ється додатковою (біля 50% від усієї необхідної) витратою гріючої пари, ексергія якої транзитом проходить повз бражну колону.


Табл. 15.4 Термодинамічні характеристики БРУ

 

  Показники
Брагоректи-       Витрати
фікаційні Л е» Т1*е> 2D, Первинної Вторинної Гріючої Електро-
установки % % % ексергії, ексергії, пари, енергії,
            кг/дал кВт-год/дал
1. БРУ непрямої              
дії 49,2 41,3 49,7 87,8 12,2 51,1 -
Колони:              
- Бражна 69,3 45,3 30,7 73,1 26,9 19,9 -
- Епюраційна 29,5 43,0 71,8 - 10,5 -
- Спиртова 37,7 32,6 63,3 - 20,7 -
2. БРУ              
напівпрямої              
дії 62,0 51,6 38,0 75,3 24,7 49,3 -
Колони:              
- Бражна 74,7 65,4 25,3 73,8 26,2 27,0 -
- Епюраційна 59,1 46,6 41,0 - - -
- Спиртова 45,9 31,3 54,1 - 22,3 -
3. БРУ прямої              
дії 76,2 71,5 23,9 52,0 48,0 38,3 -
Колони:              
- Бражна 81,7 76,3 18,3 89,1 10,9 38,3 -
- Епюраційна 84,3 74,6 15,7 - - -
- Спиртова 53,8 53,7 46,3 - - -
4. БРУВАК-2 53,7 63,0 46,4 66,7 33,3 31,1 0,15
Колони:              
- Бражна 71,2 57,5 28,8 90,0 10,0 20,8 -
- Епюраційна 33,7 58,4 66,3 31,4 68,6 3,0 -
- Спиртова 31,1 81,2 68,9 59.2 40,8 7,3 -
5. БРУ з              
механічною              
рекомпресією              
пари 65,4 77,3 34,6 50,7 49,3 10,6 5,92
Колони:              
- Бражна 72,4 63,0 27,6 41,6 58,4 10,6 1,54
- Епюраційна 95,8 95,7 41,1 41,7 58,4 - 1,24
- Спиртова 60,9 89,6 39,1 45,9 54,1 - 3,14

Як визначив структурний ексергетичний аналіз, ексергетичний коефіцієнт БРУВАК-2 нижчий, ніж у браго ректифікаційних установках прямої та напівпрямої дії. Викликано це тим, що в установку впроваджено додаткову кількість теплооб­мінної апаратури, що призводить до збільшення витрат ексергії.

Збільшення різниці між внутрішнім та зовнішнім тисками в епюраційній та ректифікаційній колонах призводить до зростання витрат ексергії на процес розді­лення суміші, тобто до збільшення втрат від незворотності тепломасообміну.

Крім того, 13,4% ексергії, що вводиться до установки, втрачається у паровому інжекторі. У результаті внутрішні втрати БРУВАК-2 збільшуються по відношенню до БРУПД на 48,5%. Однак, зміна докорінним чином структури зв'язків у системі БРУВАК-2 дозволила знизити загальні витрати пари на процес до 31,1 кг/дал спир­ту. Використання вторинної ексергії в БРУВАК-2 складає 33,3% по відношенню до витраченої, що вказує на можливість подальшого удосконалення установки за ра­хунок зниження зовнішніх витрат ексергії.

Ексергетичний аналіз БРУ дозволяє зробити наступні висновки:

- з точки зору другого закону термодинаміки БРУПД є найбільш досконалою
серед установок, що працюють під тиском, близьким до атмосферного, однак осо­
бливість її структурних зв'язків не дозволяє знизити витрати гріючої пари більше,
ніж на 27,5%.

- з економічної точки зору ця установка також найкраща, тому що відрізняєть­
ся найменшими зовнішніми витратами ексергії, які в значній мірі визначають за­
бруднення навколишнього середовища:

- зниження термодинамічної досконалості БРУ відбувається не тільки за раху­
нок втрати ексергії, але й за рахунок зниження її якості (концентрації). Збільшення
цієї якості можливо при застосуванні теплового насосу та механічної рекомпресії
пари;

- наявність великої різниці температур і тисків призводить до збільшення вну­
трішніх витрат ексергії в колонах та зниження термодинамічної досконалості БРУ;

- використання вторинної ексергії у вакуумних БРУ складає біля 30% по від­
ношенню до витраченої, що вказує на можливість їх подальшої енергетичної моде­
рнізації за рахунок зниження зовнішніх витрат ексергії;

- суттєво впливати на скорочення внутрішніх витрат ексергії такої складної
термодинамічної системи, як БРУ, дуже складно, їх подальше удосконалення мож­
ливе за рахунок зниження зовнішніх витрат зі зміною структурних зв'язків у систе­
мі і використання теплонасосних установок;

- створення вакууму в колонах та нарощування теплообмінної апаратури при­
зводить до зростання внутрішніх витрат ексергії в системі, тому перспективним є
механічна рекомпресія пари самовипарювання барди, дефлегматорної і лютерної
води, а також водно-спиртової пари;

- потоки ексергії, які виходять з установки і не дорівнюють нулю, повинні
розглядатися, як вторинні енергоресурси.


Контрольні питання і завдання

1. Які основні напрями створення мало- та безвідходних технологій?

2. Концепція інтенсивного енсрго- та ресурсозбереження.

3. Вторинні енергоресурси і їх використання.

4. Які особливості використання концентрованих ферментних препаратів?

5. Які основні ресурсе- і енергозберігаючі технології перегонки та ректифіка­
ції спирту?

6. Переробка спиртовмісних вторинних продуктів ректифікації в системі БРУ
мелясних заводів.

7. Вилучення спирту з головної фракції етилового спирту.

8. БРУ зі ступеневим використанням теплової енергії.

9. Енергетична характеристика БРУ


РОЗДІЛ 16