Сельское хозяйство/4. Технологии хранения и переработки
сельскохозяйственной продукции
Д.т.н. Голыбин В.А., к.т.н. Федорук В.А., Бурлаков
И.И.
Воронежский государственный университет
инженерных технологий, Россия
Тепловая эффективность процесса карбонизации соков
в сахарном производстве
Современная физико-химическая очистка диффузионного сока предусматривает
проведение известковой обработки фильтрованного сока I сатурации перед его окончательной
карбонизацией до оптимальной щелочности [1]. Расход СаО на дефекацию II в
зависимости от качества сырья изменяется в диапазоне от 10 до 30 % от общего
ввода оксида кальция на очистку, или
0,2-0,6 % к массе свеклы [2]. Коэффициент использования (Кисп)
диоксида углерода зависит от многих факторов и составляет на II сатурации 50-60 %. Интервал возможной
температуры карбонизации сока на этой операции от 85 до 95 оС, а с
учетом значительного расхода сатурационного газа с начальной его температурой
30 оС представляет интерес определение изменения температуры сока в
процессе II сатурации [3].
При прохождении сатурационного газа происходит его нагревание до температуры сока и испарение воды до образования насыщенного водяного пара. Необходимую для этого теплоту отдает горячий обрабатываемый сок. Кроме того, в результате химического взаимодействия диоксида углерода и оксида кальция выделяется теплота образования карбоната кальция – 2085 кДж/кг СаО.
По экспериментальным данным нами рассчитаны затраты теплоты на нагревание сатурационного газа и парообразование в процессе карбонизации известкованного сока. В таблице 1 приведены экспериментальные и расчетные данные снижения температуры сока после его карбонизации до оптимальной щелочности в процессе II сатурации.
Таблица 1
Влияние
основных факторов на снижение температуры в процессе карбонизации (оС
на
|
Температура, оС |
Объемная доля СО2 в сатурационном газе, % |
||||||||
|
34 |
32 |
30 |
28 |
26 |
24 |
22 |
20 |
18 |
|
|
Коэффициент использования СО2 50 % |
|||||||||
|
65 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
0,7 |
1,5 |
|
75 |
0,7 |
1,2 |
1,7 |
2,3 |
3,0 |
3,9 |
4,9 |
6,0 |
7,5 |
|
82 |
5,2 |
6,0 |
6,8 |
7,9 |
9,1 |
10,5 |
12,1 |
14,2 |
16,6 |
|
85 |
7,8 |
8,8 |
9,9 |
11,2 |
12,8 |
14,6 |
16,7 |
19,2 |
22,4 |
|
Коэффициент использования СО2 60 % |
|||||||||
|
65 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
0,3 |
|
75 |
- |
- |
0,3 |
0,8 |
1,4 |
2,1 |
3,0 |
3,9 |
5,2 |
|
82 |
2,8 |
3,5 |
4,3 |
5,1 |
6,1 |
7,3 |
8,7 |
10,3 |
12,4 |
|
85 |
5,1 |
6,0 |
6,9 |
8,0 |
9,3 |
10,8 |
12,6 |
14,6 |
17,3 |
Примечание: прочерк означает, что потери теплоты компенсируются за счет теплоты образования карбоната кальция.
Математическое выражение для определения снижения температуры сока (D t, оС) в зависимости от исследуемых факторов имеет вид
D t = 22910 / (Vду × Кисп) + (0,825 ×Т) – 75,8, (1)
где Vду – объемная доля СО2 в сатурационном газе, %;
Т – температура обрабатываемого сока, оС.
Величина стандартного среднеквадратического отклонения 0,219.
В таблице 2 приведены результаты расчета снижения температуры сока в
процессе II сатурации (оС на
Таблица 2
Расчетное
снижение температуры сока в процессе II сатурации
(оС на
|
Температура, оС |
Объемная доля СО2 в сатурационном газе, % |
||||||||||||||||
|
34 |
32 |
30 |
28 |
26 |
24 |
22 |
20 |
18 |
|||||||||
|
Коэффициент использования СО2 50 % |
|||||||||||||||||
|
75 |
0,07 |
0,12 |
0,17 |
0,23 |
0,30 |
0,39 |
0,49 |
0,60 |
0,75 |
||||||||
|
85 |
0,78 |
0,88 |
0,99 |
1,11 |
1,28 |
1,46 |
1,67 |
1,92 |
2,24 |
||||||||
|
90 |
1,73 |
1,92 |
2,11 |
2,33 |
2,60 |
2,92 |
3,26 |
3,68 |
4,24 |
||||||||
|
Коэффициент использования СО2 60 % |
|||||||||||||||||
|
75 |
- |
- |
0,03 |
0,08 |
0,14 |
0,21 |
0,30 |
0,39 |
0,52 |
||||||||
|
85 |
0,51 |
0,60 |
0,69 |
0,80 |
0,93 |
1,08 |
1,26 |
1,46 |
1,73 |
||||||||
|
90 |
1,27 |
1,42 |
1,58 |
1,77 |
2,00 |
2,26 |
2,56 |
2,91 |
3,38 |
||||||||
Из таблиц 1 и 2 видно, что с повышением температуры на каждые 10 оС потери теплоты возрастают в 3-5 и более раз. Абсолютное снижение температуры максимальное при карбонизации сока газом с низкой долей СО2. При увеличении Кисп на 10 % потери теплоты уменьшаются в 1,5-2,0 раза.
На основании полученных удельных величин для различных вариантов распределения оксида кальция было определено снижение температуры сока для следующих условий: Кисп на II сатурации 50 %, 85 оС (таблица 3). Для сравнения были приняты два варианта, различающиеся по составу газа: 1 – объемная доля СО2 32; 2 – 22 % (неудовлетворительная работа известняково-обжигательных печей). В процессе I и II сатурации снижение температуры сока высокой чистоты незначительное при обработке газом с объемной долей СО2 32 % - всего 3,34 оС, причем на I сатурации потери вследствие испарения влаги компенсируются за счет теплоты образования карбоната кальция.
Таблица 3
|
Чистота диффузионного сока, % |
Унос воды, % |
Снижение температуры, оС |
||||||||||
|
на I сатурации |
на II сатурации |
всего |
на I сатурации |
на II сатурации |
всего |
|||||||
|
Объемная доля СО2 32 % |
||||||||||||
|
88,0 |
1,11 |
0,88 |
1,99 |
- |
3,34 |
3,34 |
||||||
|
86,5 |
1,29 |
0,88 |
2,17 |
- |
3,34 |
3,34 |
||||||
|
85,0 |
1,27 |
1,34 |
2,61 |
- |
5,10 |
5,10 |
||||||
|
83,5 |
1,50 |
1,34 |
2,84 |
- |
5,10 |
5,10 |
||||||
|
82,0 |
1,60 |
1,57 |
3,17 |
- |
5,98 |
5,98 |
||||||
|
80,0 |
1,73 |
1,91 |
3,64 |
- |
7,30 |
7,30 |
||||||
|
Объемная доля СО2 22 % |
||||||||||||
|
88,0 |
1,77 |
1,37 |
3,14 |
4,05 |
6,35 |
10,40 |
||||||
|
86,5 |
2,06 |
1,37 |
3,43 |
4,71 |
6,35 |
11,06 |
||||||
|
85,0 |
2,03 |
2,08 |
4,11 |
4,65 |
9,69 |
14,34 |
||||||
|
83,5 |
2,39 |
2,08 |
4,47 |
5,46 |
9,69 |
15,15 |
||||||
|
82,0 |
2,56 |
2,44 |
5,00 |
5,85 |
11,36 |
17,21 |
||||||
|
80,0 |
2,75 |
2,98 |
5,73 |
6,30 |
13,86 |
20,16 |
||||||
При низком качестве диффузионного сока (Ч 80 %) даже карбонизация газом с объемной долей СО2 32 % вызывает снижение температуры сока на 7,3 оС; в случае использования газа с содержанием СО2 22 % - на 20 оС. Таким образом, сочетание двух неблагоприятных факторов – низкое качество сырья и сатурационного газа приводит к существенному охлаждению сока, почти в 6 раз больше, чем в оптимальных условиях.
Значительное снижение температуры сока увеличивает расход пара на нагревание сока I и II сатурации перед фильтрованием. Дополнительное потребление греющего пара составляет 4,60 % к массе свеклы при неблагоприятных условиях карбонизации и 0,76 % при очистке диффузионного сока высокого качества. При сочетании неблагоприятных условий дополнительный расход греющего пара составит около 3,9 % к массе свеклы, из них примерно 2/3 за счет увеличенного ввода гидроксида кальция в очищаемый сок перед II сатурацией.
Таким образом, нерациональное распределение гидроксида кальция, в частности повышенный его расход на дефекацию сока перед II сатурацией, способствует значительному охлаждению очищаемого сока и вызывает увеличение расхода греющего пара (соответственно и топлива) для поддержания оптимального температурного режима очистки диффузионного и фильтрования сатурационных соков.
Литература
1. Голыбин В.А., Федорук В.А., Ткачев А.А. Эффективность завершающей стадии очистки диффузионного сока // Сахар, 2013. - № 4. – С. 62-65.
2. Голыбин В.А.,
Федорук В.А., Насонова О.С., Горохов А.Н. Повышение эффективности завершающего
этапа известково-углекислотной очистки диффузионного сока // Вестник ВГУИТ,
2013. – № 3. – С. 191-196.
3. Голыбин В.А., Федорук В.А., Подпоринова Г.К., Горохов А.Н. Пути энергосбережения в сахарном производстве // Экономика. Инновации. Управление качеством, 2014. - № 4 (9). – С. 66-67.