Введение к работе
1.1 Актуальность проблемы. На большинстве брагоректификационных установок (БРУ) Российской Федерации вырабатывается ректификованный спирт более высокого качества, чем предусмотрено ГОСТ Р 51652-2000. Это достигается за счет жесткой гидроселекции при эпюрации и повышенных отборов фракций сивушного спирта и сивушного масла, а также за счет увеличения флегмовых чисел, а, следовательно, и энергозатрат.
На зарубежных спиртзаводах с целью снижения энергозатрат используют работу колонн под вакуумом и их обогрев парами верха ректификационной колонны. При таких вариантах решения проблемы энергосбережения не удается обеспечить качество спирта, характерное для отечественных БРУ. Это связано с тем, что применение обогрева бражной и эпюрационной колонн, работающих под вакуумом, парами спиртовой колонны жестко связывает технологические режимы работы этих колонн и требует очень четкой автоматизации процесса. Эксергетический анализ схем производства ректификованного спирта позволяет разработать мероприятия по энергосберегающему процессу ректификации спирта, в основе которого лежит применение теплового насоса.
В связи с изложенным, научное обеспечение эксергосберегающего процесса ректификации пищевого спирта с применением теплонасосной технологии является актуальным.
Диссертационная работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований и региональных инвесторов в рамках гранта РФФИ «Обоснование и теоретическое обеспечение энергосберегающего, экологически безопасного производства из зернового сырья пищевого спирта глубокой очистки путем совмещения стадий разваривания и брагоректификации с выпариванием барды, использования инновационного квазистационарного процесса ректификации, совмещенного с тепловым насосом, и переработки сивушных масел с выделением многокомпонентного гетероазеотропа» (проект № 11-08-96507-р_юг_ц), государственного задания Минобрнауки РФ (проект № 7.439.2011) «Теоретические основы интенсификации тепло- массобменных, квазистационарных и мембранных процессов с целью разработки инновационных технологий переработки сельскохозяйственного сырья и производства пищевых продуктов» и по госбюджетной научно-исследовательской теме ФГБОУ ВПО «Майкопский государственный технологический университет» «Совершенствование технологических приемов производства продуктов переработки сельскохозяйственного сырья» (№ гос. регистрации 01201062580).
1.2 Цель и задачи исследований. Целью исследований явилось научное обеспечение эксергосберегающего процесса ректификации пищевого спирта с применением теплонасосной технологии.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
выполнить эксергетический анализ технологической схемы брагоректификации;
разработать математическую модель компримирования неидеальных паровых спиртовых смесей и метод расчета энтальпии, энтропии и других термодинамических свойств паров спиртовой колонны;
проанализировать целесообразность снижения неидеальности процесса ректификации спирта в схеме с тепловым насосом;
спроектировать и изготовить стендовую ректификационную установку с тепловым насосом с целью экспериментальной проверки эффективности использования паров спирта для обогрева куба колонны;
разработать математическую модель насадочной колонны периодического действия, обосновать уравнения для расчета высоты теоретической ступени насадки;
разработать математическую модель стендовой установки периодического действия с насадочной колонной с использованием теплонасосной технологии;
теоретически и экспериментально проверить эффективность стендовой установки с тепловым насосом;
провести стоимостную и эксергетическую оценку использования тепловых насосов при получении пищевого спирта;
рассмотреть экологические аспекты разработанного эксергосберегающего процесса ректификации пищевого спирта с применением теплонасосной технологии.
1.3 Научная новизна. Разработана математическая модель компримирования неидеальных паровых спиртовых смесей и метод расчета энтальпии, энтропии и других термодинамических свойств паров спиртовой колонны, разработана математическая модель насадочной колонны периодического действия с тепловым насосом, технологическая схема установки брагоректификации с теплонасосной технологией. Обоснованы уравнения для расчета высоты теоретической ступени насадки. Новизна технических решений подтверждена 3 патентами РФ на полезные модели № 124887, № 128830, № 129014.
1.4 Практическая значимость. Экспериментально на разработанной и изготовленной стендовой установке периодического действия подтверждена эффективность использования теплового насоса. Проведен эксергетический анализ схемы брагоректификации. Определена эффективность использования теплового насоса и проанализирован вопрос применения идеальной ректификации на БРУ. Выполнено технико-экономическое обоснование и разработана технологическая инструкция эксергосберегающего процесса ректификации пищевого спирта с применением теплонасосной технологии.
ООО «Южная пищевая машиностроительная компания» приняты к изготовлению и реализации установки с тепловыми насосами. Получен экономический эффект – 400 тыс. руб. Расчетный эффект от внедрения теплового насоса на брагоректификационной установке получения пищевого спирта составляет 1,32 млн. рублей в год.
Разработано учебное пособие для вузов «Сборник задач по расчету и конструированию машин и аппаратов пищевых производств».
1.5 Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на международной научно-технической интернет-конференции («ЭПАХПП-2011») (г. Воронеж, 2011 г.); на Всероссийской научно-практической конференции аспирантов, докторантов и молодых ученых (г. Майкоп, 2011 г.); на I международной научно-практической конференции «Инновационные технологии в пищевой и перерабатывающей промышленности» (г. Краснодар, 2012 г.); на научно-практической конференции аспирантов, докторантов и молодых ученых (г. Майкоп, 2013 г.).
1.7 Публикация результатов исследований. По материалам диссертации опубликовано 14 научных работ, в том числе 1 учебное пособие, 6 статей в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, получено 3 патента РФ на полезные модели.
1.8 Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, обзора научно-технической и патентной литературы, 4 глав, заключения, списка использованной литературы и приложения. Основной текст диссертации изложен на 145 страницах, содержит 42 рисунка и 13 таблиц. Список использованной литературы включает 118 наименований, в том числе 12 – зарубежных авторов.
