Авторефераты диссертаций >> Разработка энергоэкономичного высокотемпературного режима сгущения термоустойчивых соков свеклосахарного производства
На правах рукописи
АНИКЕЕВ АНДРЕЙ ЮРЬЕВИЧ
РАЗРАБОТКА ЭНЕРГОЭКОНОМИЧНОГО ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА СГУЩЕНИЯ ТЕРМОУСТОЙЧИВЫХ СОКОВ СВЕКЛОСАХАРНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Специальность 05.18.05 – «Технология сахара и сахаристых продуктов»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва – 2008
Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кубанский государственный технологический университет» на кафедре «Технологии сахаристых продуктов, чая, кофе, табака».
Научный руководитель -
доктор технических наук, Решетова
профессор Раиса Степановна
Официальные оппоненты:
доктор технических наук Андреев
Николай Руфеевич
кандидат технических наук Гаврилов
Алексей Михайлович
Ведущая организация: ГОУ ВПО "Московский государственный университет технологий и управления"
Защита состоится 23.12. 2008 г. в 14 00 часов на заседании Совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.148.01 при ГОУ ВПО «Московский государственный университет пищевых производств», по адресу- 125080, Москва, Волоколамское шоссе, д. 11, ауд. 53ВК.
Приглашаем Вас принять участие в заседании Совета или прислать
отзыв в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения, по
вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря совета
проф. М.С. Жигалова.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО МГУПП.
Автореферат разослан _______________ 2008 г.
Ученый секретарь Совета Д 212.148.01
Кандидат технических наук, профессор М.С.Жигалов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. По своей энергоемкости, сложности и стоимости теплоэнергетического комплекса, по неразрывности связей между технологическими и теплоэнергетическими процессами сахарное производство занимает первое место среди отраслей пищевой промышленности.
Средний удельный расход условного топлива в отрасли составляет 5,3 - 5,6 % к массе перерабатываемой свеклы – более 1,5 млн. т за сезон; в себестоимости сахара стоимость топлива достигает 25 - 30 %. Между тем, свеклосахарные заводы Евросоюза расходуют топлива 3,2 - 3,6 % при полномасштабном использовании тепла вторичных энергетических ресурсов (ВЭР). Вот почему задача по сокращению расхода топлива в отрасли, рассматриваемая как комплексная теплотехнологическая, приобретает особое значение и связана, в первую очередь, с пересмотром нормативных технологических и теплотехнических показателей, ориентированных на дешевое топливо 60-80 г.г.
Достижение европейского уровня энергозатрат возможно при внедрении экономичных тепловых схем, с высокой кратностью испарения и полномасштабным использованием тепла ВЭР и только при высокотемпературном режиме их эксплуатации – при повышенном потенциале греющих и вторичных паров, при максимально возможной температуре кипения сока-сиропа по ступеням выпаривания, укомплектованных аппаратами с низким полезным температурным перепадом (пленочными и пластинчатыми).
Естественно, что для сгущения в этих жестких энергоэкономичных условиях потребуется сок с повышенной термической устойчивостью, т.е. способностью выдерживать воздействие высоких температур без существенного разложения компонентов сока, глубоких изменений в химическом составе, ухудшающего влияния распада на ход производства.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является комплексное исследование физико-химических основ термической устойчивости сахарозы в буферных сахарсодержащих продуктах, и разработка - с целью экономии топлива, увеличения выхода и улучшения качества сахара - рекомендаций по снижению отрицательного влияния термического воздействия на сок в процессе энергоэкономичного высокотемпературного сгущения.
Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи:
- обосновать целесообразность и возможность внедрения энергоэкономичного высокотемпературного режима сгущения термоустойчивого сока при высокой кратности испарения в аппаратах, в том числе, с малым полезным температурным перепадом;
- выявить влияние остаточных после дефекации редуцирующих веществ (РВ) на величину термической устойчивости сока при сгущении;
- разработать оперативный способ количественного определения интенсивности температурного воздействия на сок при сгущении;
- исследовать режимы энергоэкономичного высокотемпературного сгущения термоустойчивого сока;
- разработать оперативный метод количественного определения величины термоустойчивости сахарсодержащих продуктов;
- в заводских условиях провести сравнительные испытания пластинчатых и трубчатых подогревателей;
- проанализировать работу энергоэкономичной высокотемпературной выпарной установки, оснащенной выпарными аппаратами пластинчатого типа, обеспечивающих теплообмен при малых температурных перепадах;
- в производственных условиях провести испытание антинакипина с целью исключения промежуточной выварки выпарной установки;
- исследовать целесообразность и возможность повышения нормы концентрации сиропа при энергоэкономичном высокотемпературном сгущении термоустойчивого сока.
Научная новизна работы состоит в развитии современных теоретических и практических представлений о термической устойчивости сатурационных соков, углубляющих и развивающих теорию термоустойчивости сахарозы в буферных сахарсодержащих продуктах. В результате исследований обоснованы энергоэкономичные высокотемпературные режимы сгущения термоустойчивого сока, обеспечивающие сокращение расхода топлива, увеличение выхода сахара и улучшение его качества.
Предложены методы количественного сопоставления термоустойчивости и интенсивности температурного воздействия на сок при сгущении.
Впервые в практике отечественных свеклосахарных заводов проанализирована работа энергоэкономичной высокотемпературной выпарной установки с высокой кратностью испарения, оснащенной выпарными аппаратами пластинчатого типа, с малым температурным перепадом.
Показано, что при энергосберегающем высокотемпературном сгущении сока максимально достижимым рациональным пределом концентрации сиропа с выпарной установки следует считать 73 % СВ.
Практическая значимость и реализация результатов работы. Обоснованы режимы энергоэкономичного высокотемпературного сгущения термоустойчивых соков холодно - горячей дефекации в т.ч. в выпарных аппаратах пластинчатого типа с малым температурным перепадом. Эффективное парораспределение при этом с повышением загрузки «хвостовых» выпарных аппаратов позволяет увеличить коэффициент испарения до К исп 2,5 кг воды/кг греющего пара (кг/кг), вместо фактически достигаемого К исп 2,2 кг/кг, добиться экономии условного топлива на 0,9%.
Впервые в практике отечественных свеклосахарных заводов проанализирована работа энергоэкономичной высокотемпературной выпарной установки с высокой кратностью испарения, оснащенной выпарными аппаратами пластинчатого типа, обеспечивающих европейский уровень энергозатрат при минимальной удельной поверхности нагрева и максимальной производительности. Для заводской практики предложены методы количественного сопоставления термоустойчивости и интенсивности температурного воздействия на сок при сгущении.
Апробация работы. Результаты работы и её основные положения опубликованы в центральной печати и обсуждались на научно - технических конференциях: на Семинаре - презентации на тему: «Перспективы пластинчатых выпарных аппаратов «МашимПЭКС» в сахарной промышленности», 12.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация включает: введение, 6 глав, выводы и рекомендации промышленности, список использованной научной литературы (134 наименований, в том числе 34 иностранных источника) и 3 приложения. Работа изложена на 163 страницах, содержит 21 рисунок и 24 таблицы.
Приложения содержат акты производственных испытаний, расчет технико-экономического обоснования.
СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ
Во введении обоснована цель, актуальность работы, сформулирована сущность решаемых проблем, определены направления исследований, рассмотрена научная новизна и практическая значимость полученных результатов.
Анализ материалов первой главы позволяет считать, что в условиях свеклосахарного производства эффективность работы многоступенчатой выпарной установки – расход пара, степень использования тепла ВЭР – определяется кратностью испарения, зависящей от схемы распределения вторичных паров по технологическим потребителям и в первую очередь от интенсивности загрузки по испаряемой воде «хвостовых» выпарных аппаратов.
При этом, чем выше потенциал многоступенчатой выпарной установки – температура греющего агента и кипения сока-сиропа, чем меньше потребляемый аппаратами полезный температурный перепад, тем больше кратность испарения, меньше расход пара, более эффективное использование тепла ВЭР.
Однако при этом возникает опасность повышенных термохимических потерь сахарозы, негативных количественных и качественных изменений продукта, особенно из сока пониженной термической устойчивости.
Типовая низкотемпературная тепловая схема свеклосахарного завода с четырехступенчатой выпарной установкой (удельная трубчатая поверхность нагрева 285 м 2 /100 т свеклы) не может служить основой для перспективной высокотемпературной, энергоэкономичной установки с повышенной кратностью испарения и полномасштабным использованием тепла ВЭР. Это связано с пониженным потенциалом вторичных паров, особенно «хвостовых» выпарных аппаратов. В итоге, коэффициент испарения системы не более К исп 2,2 кг/кг, при расходе условного топлива 5,1-5,2 % к массе свеклы.
Отечественный вариант высокотемпературной пятиступенчатой выпарной установки (удельная трубчатая поверхность нагрева 350-380 м 2 /100т свеклы) с теплотехнической точки зрения более предпочтителен – повышенная кратность испарения К исп 2,35 кг/кг при расходе топлива 4,5 %. Однако при этом не достигается европейский уровень энергозатрат, а значительная удельная поверхность нагрева определяет длительное время пребывания сока-сиропа в жестких температурных условиях.
Не может быть данный вариант использован при увеличении производственной мощности сахарных заводов до европейских стандартов – 12-13 тыс. т перерабатываемой свеклы в сутки – при этом потребуется выпарная установка с 16-ю трубчатыми выпарными аппаратами с естественной циркуляцией типа ВАГ 3000, отдельный дорогостоящий технологический корпус, современная и точнейшая система автоматического управления.
Считается, что переход к энергоэкономичной высокотемпературной шестиступенчатой выпарной установке, с высокой кратностью испарения, максимально возможным использованием тепла ВЭР и европейским расходом условного топлива только за счет установки пленочных выпарных аппаратов типа ТВП – не бесспорны – такие аппараты успешно работают при малых перепадах температур только при сгущении густых продуктов – в качестве «хвостовых» поверхностей нагрева – ІV-V ступеней при небольшой нагрузке, не позволяющей использовать вторичный пар для обогрева вакуум-аппаратов І продукта. Положительного отечественного опыта эксплуатации этих аппаратов в качестве головных корпусов пока ещё нет – не отработаны режимы рециркуляции жидких продуктов.
Во второй главе рассмотрены вопросы термической устойчивости очищенных сатурационных соков при разном количественном и качественном составе несахаров в реальных температурных условиях выпаривания до сиропа. Учитывалась и резко возросшее количество, поступающее в переработку не хранящейся даже кратковременно сахарной свеклы из импортного семенного материала – получить при этом термоустойчивый сок и сгустить его в жестких условиях энергоэкономичного высокотемпературного режима проблематично.
Известно, что если температуру кипения одного и того же сока в І ступени выпарной установки увеличить со 126 до 130°С (при одной и той же длительности нахождения в ней сока), то негативные изменения возрастут экспоненциально повышению температуры. Однако, при увеличении температуры кипения сока, например, в І ступени выпарной установки поверхность нагрева её, а следовательно, и время нахождения в ней сока при более высокой температуре, уменьшается за счет бльшего полезного температурного перепада, а также за счет усиления нагрузки по испаряемой воде на последующие ступени (за счет І-ой). Пропорционально сокращаются и термохимические потери сахарозы. Расчетами показано, что потери сахарозы от термического разложения в сатурационном соке при 126°С в течение 10 мин. будут, примерно, равны потерям при кипении 130°С в течение 7,5 мин., или при длительности термообработки сока в 1,3 раза меньшей. Вот почему высокоэффективные высокотемпературные выпарные установки зарубежных сахарных заводов имеют удельную поверхность нагрева в 1,5 - 1,8 раза меньше, чем на отечественных с пониженным температурным потенциалом. При этом считается, и нами подтверждается, что краткое время пребывания сока в условиях сгущения при более высокой температуре менее вредно, чем продолжительное при более низкой. Конечно, при этом необходимо учитывать качество перерабатываемой свеклы, термическую устойчивость соков.
Для оперативной заводской практики предлагается фактор температурного воздействия (ФТВ), количественно характеризующий интенсивность температурного воздействия на очищенный сок в процессе сгущения в условиях многоступенчатых выпарных установок. Фактор определяется, как сумма произведений поверхностей нагрева ступеней выпаривания на температуру кипения продукта – сока-сиропа, отнесенную к сумме поверхностей нагрева, °С:
, (30);
где Fn – поверхность нагрева n-ступени выпарной станции, м2;
tn кип – температура кипения сока-сиропа в n ступени, °С.
В табл. 1 представлены сравнительные значения ФТВ на сок в процессе сгущения в условиях трубчатой четырехступенчатой типовой выпарной установки с пониженным температурным режимом и в условиях пятиступенчатой с повышенным режимом, укомплектованной трубчатыми аппаратами с естественной циркуляцией. Расчет выполнен на общую поверхность нагрева и в ориентировке только на первые три активные ступени выпаривания с максимальной температурой кипения сока-сиропа.
Из данных таблицы видно, какова интенсивность температурных воздействий на очищенный сатурационный сок в процессе его сгущения на выпарных установках разных типов (трубчатых с естественной циркуляцией).
Располагая значением ФТВ, возможно уже на стадии проектирования количественно оценить интенсивность температурного воздействия на сок в процессе сгущения, выбрать оптимальный тип аппарата или внести изменения в существующую конструкцию.
Таблица 1 – Фактор температурного воздействия на сок в условиях различного режима сгущения
| Показатели | Тип выпарной установки | Прирост среднего ФТВ на сок, °С | |
| четырехступенчатая типовая, с трубчатой поверхностью, низкотемпературная | пятиступенчатая, с трубчатой поверхностью, высокотемпературная | ||
| ФТВ, °С: | |||
| суммарный для выпарной установки | 111,3 | 114,1 | 2,8 |
| для первых трех ступеней | 116,6 | 120,6 | 4,0 |
В третьей главе исследовано и подтверждено заводскими испытаниями влияние на термоустойчивость сока в процессе сгущения остаточных, после дефекационной обработки, РВ – на долю их распада при повышенной температуре и низкой щелочности приходится до 90% общего прироста цветности (Табл. 2).
Таблица 2 – Влияние остаточных РВ в соке на прирост цветности при типовом сгущении
| Очищенный сок | Цветность по ступеням сгущения типовой выпарной установки, ед. Шт. | Прирост цветности, ед. Шт. | ||||||
| остаточные РВ, % | цветность, ед. Шт. | І | ІІ | ІІІ | ІV | концен-тратор | абсо-лютный | % |
| 0,015-0,020 | 25,8 | 32,6 | 38,2 | 42,3 | 45,4 | 46,4 | 20,6 | 80 |
| 0,05-0,10 | 32,5 | 49,4 | 59,1 | 67,6 | 72,7 | 74,8 | 42,3 | 130 |
| 0,10-0,20 | 36,8 | 62,5 | 73,9 | 83,6 | 91,6 | 93,8 | 57 | 155 |
