Способ водно-тепловой обработки зернового сырья в кипящем слое

Способ водно-тепловой обработки зернового сырья в кипящем слое

спиртовые заводы»

Руководитель производственной службы

К. т.н.

При переработке зернового сырья во многих отраслях промышленности эксплуатируются аппараты обеспечивающие перевод составных частей сырья, в первую очередь углеводов типа крахмала, в растворимое состояние. В спиртовой промышленности находят широкое применение колонные варочные аппараты для разваривания крахмалистого сырья. Особенностью таких аппаратов является возможность ведения непрерывного процесса, большая удельная производительность аппарата и низкая металлоемкость.

Однако работа этих аппаратов не оптимизирована. Проведенные экспериментальные исследования показывают, что принятая в промышленности схема материальных потоков не оптимальна, она не учитывает гидродинамическую ситуацию в аппаратах, что приводит к перерасходу ТЭР, потерям сбраживаемых веществ и снижению качества продукции.

Для обеспечения оптимального теплового процесса разваривания требуется поддержание в колоннах агрегата определенных гидродинамических условий. К этим условиям следует отнести: наличие определенного количества пара в аппаратах и обеспечение высокой степени диспергирования жидкой фазы.

Для обеспечения этих условий, при проектировании и эксплуатации аппаратов, необходимо обоснование технологической схемы материальных потоков и выполнение гидродинамического расчета при модернизированных условиях. Разработка технологических режимов обеспечивающих снижение температуры разваривания обеспечит снижение потерь сбраживаемых веществ, экономию ТЭР и повышение качества готовой продукции.

К достоинствам установки (типовая Мичуринская схема непрерывного разваривания) относится возможность использования ддя разваривания пара с пониженным давлением - 0,5-0,6 МПа. Установка компактна, однако требует повышенного расхода пара в силу своей конструкции и организации потоков в аппаратах (1). Повышенная температура обработки приводит к большим потерям сбраживаемых веществ, и ограничивает применение ферментных препаратов на стадии подготовки сырья. Зерновое сырье перерабатывается в неподготовленном виде, предварительное его набухание и клейстеризация не проводятся.

Рассмотрим конструкцию и организацию потоков в колонном аппарате рис. 1.

Рис. 1. Схема типовой установки непрерывного разваривания сырья

Замес нагревается в контактной головке до Т=145-1520С при 0,4-0,5 МПа и поступает через гидрозатвор, либо при усовершенствованной установке 3000 дал/сут. через трубчатый разварник в верхнюю часть аппарата (выдерживатель первой ступени). Все колонны аппарата находятся под одинаковым давлением 0,4-0,5 МПа. Переток жидкости осуществляется за счет разницы уровней между колоннами по принципу сообщающихся сосудов. Такая компановка не обеспечивает даже нормальных перетоков массы и требует увеличения перепадов гидростатического давления по колоннам (2). При движении массы от верхнего уровня выдерживателя I ступени до выхода (нижняя точка) увеличивается гидростатическое давление в аппарате, разница давлений составит 0,05- 0,06 МПа, градиент давления направлен в сторону движения развариваемой массы. При движении массы в сторону увеличения давления ее способность теплосодержания увеличивается. В этом случае способность теплосодержания массы внизу аппарата выше ее истинного теплосодержания и масса получается недогретой, кипение (образование и выделение вторичного пара) прекращается, скорости жидкой и паровой фаз уравниваются, в аппарате отсутствует фактор скольжения фаз и масса движется ламинарно.

Согласно теории диффузионного пограничного слоя распределяемое вещество (растворенный крахмал) переносится от поверхности раздела фаз непосредственно молекулярной диффузией и потоками жидкости. В условиях турбулентного течения потоков концентрация растворенного крахмала в данном сечении и условиях стационарного режима сохраняется постоянной. По мере приближения к пограничному диффузионному слою турбулентный перенос снижается и начинает увеличиваться перенос за счет молекулярной диффузии. При этом появляется градиент концентрации распределяемого вещества, растущий по мере приближения к границе раздела фаз. Таким образом, область пограничного диффузионного слоя – это область появления и роста градиента концентрации, область увеличения влияния скорости молекулярной диффузии на общую скорость массопередачи.

При ламинарном движении массоперенос от крахмальных зерен в жидкость происходит только под воздействием молекулярной диффузии и определяется по уровнению Фика (3), по которому скорость диффузии зависит от температуры, пропорциональна градиенту концентраций и обратнопропорциональна толщине пограничного диффузного слоя. При ламинарном движении развариваемой массы толщина пограничного диффузного слоя резко возрастает ввиду отсутствия потока жидкой фазы относительно поверхности раздела фаз (отсутствие фактора скольжения).

В случае, когда основное диффузионное сопротивление сосредоточено в жидкой фазе, для описания процесса получено уравнение для растворения твердых тел:

М/τ =ßy Fср (yнас - yср ),

Где: М - количество растворенного вещества;

ßy – коэффициент массоотдачи в жидкой фазе ßy =D/δ;

D – коэффициент молекулярной диффузии;

δ – толщина пограничного диффузионного слоя;

Fср – площадь поверхности массопередачи ;

yнас –концентрация растворенного крахмала ;

у поверхности частицы эндосперма;

yср-конентрация растворенного крахмала в жидкой фазе.

Из уравнения видно, что коэффициент массоотдачи в жидкой фазе увеличивается с уменьшением толщины пограничного диффузионного слоя δ. Из теории пограничного слоя известно, что толщины диффузионного слоя уменьшаются с увеличением критерия Рейнольдса, т. е с увеличением относительной скорости движения жидкой фазы относительно твердых частиц эндосперма. Следовательно, процесс разваривания можно интенсифицировать за счет создания эффективной гидродинамической обстановки.

Таким образом, при такой организации потоков, тепломассообмен в аппарате ограничен, в выдерживателе I ступени происходит сепарация пара, поступающего в колонну, который, не отработав, выводится из колонны либо с неконденсирующимися газами, либо путем проскока через выдувной клапан из третьей колонны II ступени. Ввод дополнительного пара в низ колонны I ступени частично сглаживает гидродинамическую ситуацию в колонне. Однако пар работает только на проход в первой колонне и, отработав, выходит из аппарата, что приводит к его перерасходу.

Эксплуатация таких аппаратов приводит к перерасходу греющего пара, проведению процесса при повышенных температурах, со значительными потерями сырья. На заводах с такими схемами разваривания выход готовой продукции на 0,5-1,0 дал/т ниже, чем при проведении разваривания сырья на аппаратах с турбулентным движением жидкости в аппаратах.

Таким образом, для обеспечения эффективной работы установок непрерывного разваривания колонного типа необходима их модернизация с организацией потоков обеспечивающих турбулентный режим движения развариваемой массы в аппаратах.

Для обеспечения такого режима рассмотрим факторы влияющие на критерий Рейнольдса. Для структурированных жидкостей, которыми являются замес и развариваемая масса (3) при гидравлических расчетах обобщенный критерий Рейнольдса выражается в виде

Reo = udρ/ήэ,

Где: u – Скорость перемещения жидкости, м/с;

D – диаметр колонн, м;

ρ – плотность жидкости, кг/м3;

ήэ – эффективная вязкость, Па с.

При фиксированной производительности установки, заданном гидромодуле, при температурах и принятыми в примышленности диаметрами колонн радикально влиять на критерий Рейнольдса можно только изменением скорости движения жидкости, или изменением отношения истинных скоростей фаз (фактором скольжения Ф) (4).Скорость движения жидкости ограничена производительностью и диаметром колонн, применение различных перемешивающих устройств при непрерывных процессах в аппаратах под давлением сложно в эксплуатации и, как альтернатива, нами не рассматривается. Для увеличения фактора скольжения фаз двухфазной смеси необходимо при постоянной скорости развариваемой массы заданной производительностью установки, увеличить скорость паровой фазы. Увеличение скорости паровой фазы достигается увеличением объема паровой фазы.

Для увеличения объема паровой фазы предложено реорганизовать потоки и превратить установку из адиабатной в установку с заданным градиентом давления, направленным в сторону движения развариваемой массы. При такой организации потоков в каждой колонне образуется дополнительный объем вторичного пара, который радикально изменяет гидродинамическую ситуацию в колоннах. Объем вторичного пара легко регулируется и задается разницей давления на входе и выходе колонн. Двигаясь по колоннам вторичный пар имеет скорость больше, чем развариваемая масса, чем обеспечивается наилучшая гидравлическая ситуация в колоннах.

При снижении давления по колоннам с 0,4 до 0,3 МПа температура развариваемой массы снижается с 145 до 125 оС, вследствие чего освобождается значительное количество тепла для парообразования. Тепловой баланс этого процесса можно представить следующим уравнением

Gмct1 – (Gм – t2 )с t2 –Qп = Gп r,

Где: Gм – первоначальное количество развариваемой массы, кг/ч;

C – удельная теплоемкость массы, определяемая как

средневзвешенная величина удельных теплоемкостей сухих

веществ пшеницы и воды:

С = С с. в. х 0,213 + Своды х 0,787 =1,5 х 0,213 + 4,2 х 0,787 =

319 + 3,305 = 3,63 кДж/кг. град.;

С с. в. - удельная теплоемкость сухих веществ зерна,

равна 1,5 кДж/(кгК),;

С воды – удельная теплоемкость воды, равна 4,2 кДж/кг. К;

t1 , t2 – температура массы на входе и на выходе из аппарата оС;

Gп – количество пара образующегося за счет выделяемого тепла, кг.;

r - теплота испарения воды, кДж/кг;

Qп –потери тепла в окружающую среду.

Потери тепла определяются по приблизительной формуле

Qп = (9,74 + 0,07Δ t)S Δ t,

Где: S – поверхность аппарата;

Δ t – разность температуры поверхности аппарата и окружающего воздуха.

При этом в установке производительностью 2500 дал/сут. образуется вторичный пар в количестве около 650 кг/ч. Объем выделенного пара в колоннах составит:

650х0,6 = 390 м3 /ч,

Где: 0,6 - объем 1 кг вторичного пара при температуре 125 о С, м3.

Объемное расходное паросодержание развариваемой массы расчитывается соотношением:

β = Vп/Vсм,

где :- β - объемное расходное паросодержание;

Vп и Vсм - объем пара и объем смеси.

При эксплуатации серийной установки с производительностью 2500дал/сут. составит 96%. Приведенная скорость пара относительно развариваемой массы имеет соотношение :

ώп = Vп - Vм/S 3600 ,

Где: ώп - приведенная скорость пара;

Vп - объем выделенного пара в колоннах, м3;

Vм - объем развариваемой массы, м3;

S - площадь поперечного сечения колонны.

Приведенная скорость пара составит 0,17м/с, а приведенная скорость замеса составит 0,004 м/с. Фактор скольжения определяется соотношением:

Ф = ώп/ ώп,

Где: ώп – скорость развариваемой массы в аппарате.

Фактор скольжения увеличился с 1, при адиабатном процессе без скольжения фаз, до 42 - более чем в 40 раз. При турбулентном движении в кипящем слое скорость массопередачи более не лимитируется диффузионными процессами, протекающими в пограничном слое крахмальное зерно – растворитель. Растворившись, частичка растворенного крахмала тут же уносится турбулентным потоком жидкости, толщина пограничного слоя снижается, и скорость массообмена возрастает и лимитируется только лишь скоростью реакции растворения, которая является функцией температуры. Растворение происходит глубже при более низких температурах разваривания, что фиксируется содержанием нерастворенного крахмала в бражках.

Исследование влияния фактора скольжения на содержание нерастворенного крахмала при различной температуре проводились на 4-х колонной установке Смелянского машзавода производительностью 3000 дал/сут. изображенной на Рис.2.

Рис.2. Усовершенствованная установка непрерывного разваривания зернового сырья в кипящем слое

Установка состоит из смесителя, насоса, контактной головки и 4-х выдерживателей: 1-я колонна - выдерживатель I ступени, и 3 калонны - выдерживатели II ступени. Установка эксплуатировалась при номинальной производительности, сырье- рожь 100 %, концентрация сусла 170Б. Как видно из таблицы содержание нерастворенного крахмала при проведении процесса разваривания с изменением давления в установке резко снижается и зависит от разности давления. Однако при эксплуатации установки при повышенных температурах наблюдались явления перевара разваренной массы. При снижении температуры разваривания содержание нерастворенного крахмала оставалось на достигнутом уровне, а цветность замеса снижалась

Оптимальный режим работы установки определен как 125 – 127 оС при Ф -35-40, ΔР -0,15 МПа. Снижение температуры разваривания со 145 до 125 0С позволило не только снизить расход пара на разваривание, но и более полно использовать вторичные тепловые ресурсы путем повышения начальной температуры замеса с 45 0С (регламент) до 55-60 0С. При снижении температуры разваривания на 10 0С, скорость разложения растворимых углеводов образующихся при повышенных температурах и применении ферментных препаратов при приготовлении замеса снижается на порядок.

Разработанные модернизированные установки непрерывного разваривания в кипящем слое с принудительной турбулизацией потока снижают количество образующегося вторичного пара, проскок пара из аппарата полностью исключен. Работа выдувного клапана организуется с использованием управляющего сигнала по давлению, что гораздо проще, чем организация работы клапана по уровню, которая всегда проблематична. Качество разваривания легко регулируется, нерастворенный крахмал снижается до 0,01 -0,03 % об. Установки с турбулентным движением развариваемой массы в кипящим слое прошли промышленные испытания и успешно эксплуатируются на многих заводах России и ближнего зарубежья.

При их эксплуатации подбирается температурный режим, рассчитывается градиент давления и длительность разваривания, исключающие разложение растворимых углеводов. Турбулентная обработка замесов в колонных аппаратах позволяет получить дополнительный выход спирта при минимальных затратах греющего пара. Зависимость изменения нерастворенного крахмала от температуры обработки и ΔР приведена в табл.1.

Таблица 1.

Зависимость изменения нерастворенного крахмала от температуры обработки и ΔР.

№ п/п	Температура разваривания, 0С	Содержание нерастворенного крахмала %, об.
ΔР, МПа
0 (контроль)	0,025	0,05	0,1	0,15
1	145-150	0,05	0,03	0,01	0,01*	0,01*
2	135-145	0,09	0,07	0,03	0,01*	0,01*
3	130-135	0,15	0,08	0,04	0,01	0,01*
4	125-130	0,2	0,09	0,04	0,01	0,01
5	120-125	-	0,09	0,05	0,02	0,01
6	110-120	-	-	-	0,03	0,02
7	100-110	-	-	-	0,04	0,03

* наблюдаются явления перевара

Таким образом, заводы работающие на модифицированных установках разваривания имеют возможность повысить качество выпускаемой продукции и снизить расход ТЭР на 15-20%.

Литература

1.  Технология спирта /, , и др.; Под ред. Проф. .-М.: Колос,1999. -464с.:ил.

2.  Расчет агрегата непрерывной тепловой обработки крахмалистого сырья. , «Ферментная и спиртовая промышленность», 1980, № 5.

3.  Процессы и аппараты пищевых производств. - , -М.:Агропромиздат,1991. – 432с.

4. Тепло и массообмен. Теплотехнический эксперимент: Справочник /, , и др.;-М.:Энергоиздат,1982.-512с.

Компания «USF Объединенные спиртовые заводы» объединяет спиртовые заводы, а также крупную логистическую компанию. Производственные мощности предприятий, вошедших в группу и модернизировавших свою технологию с применением стандартов USF, составляют более 30 млн. дал спирта в год.

Качество продукции предприятий, входящих в USF, отслеживается на каждом из этапов производственной цепочки – от сырья до производства готовой продукции. Этиловый спирт, произведенный на спиртовых предприятиях USF, отличается стабильно высоким качеством и пользуется высоким спросом на рынке РФ и СНГ.

Отличительными чертами Группы компаний USF являются высокие стандарты сбытовой политики предприятий, входящих в отраслевой союз, и ориентация на долгосрочные взаимовыгодные отношения с клиентами.

​Группе компаний USF  по результатам своей деятельности было присвоено  почетное звание «Лидер российского алкогольного рынка по итогам 2012 года в производстве спирта этилового из пищевого сырья» с вручением диплома, а также награждение Золотой медалью «За превосходное качество» спирта «Люкс», по результатам XV Дегустационного конкурса на Международной выставке «ПРОДЭКСПО».

Адрес:

121170, Россия, г. Москва,

Кутузовский пр., стр.21, офис 911

Телефоны:

[phone]

[phone]

[phone]

E-mail: *****@***ru