Пособие в области охраны окружающей среды и природопользования (стр. 86 )

Рисунок 7.12 - Принцип выпаривания с падающей пленкой

[39, Молочная ассоциация Германии, 2001 г.]

Схема системы выпаривания приведена на рисунке 7.13.

Рисунок 7.13 - Сгущение молока с использованием падающей пленки

7.2.9.1 Многоступенчатое выпаривание

Описание

Испарители могут работать однократно, или выпаривание может проходить в несколько этапов с использованием нескольких испарителей, работающих последовательно. Каждый испаритель рассматривается как определенное воздействие. В случае систем испарителей с многократным воздействием, продукт, образующийся от одного воздействия испарителя, поступает под следующее воздействие, а имеющий высокую температуру пар, который удаляется от одного воздействия испарителя, используется для нагрева продукта с более низкой температурой при следующем воздействии испарителя.

Поверхности внутри испарителя нагреваются паром, который вводится в верхнюю часть испарителя. При этом для выпаривания водяных паров из жидкости на первом этапе используется свежий пар или исходящие газы из других операций, что является примером извлечения/повторного использования энергии.

Выпаренная вода все еще содержит достаточно энергии, чтобы использовать ее в качестве источника тепла для следующего этапа и т. д. Вакуум применяется в цепи многократного воздействия для обеспечения выпаривания воды. Обрабатываемая жидкость проходит через ряд испарителей так, что она подвергается нескольким этапам выпаривания. Таким образом, одна часть пара, вводимая в первый испаритель, может удалить от трех до шести частей воды из жидкости. Экономия энергии увеличивается по мере увеличения количества этапов выпаривания. Последовательность может включать до семи этапов, но наиболее распространена схема от трех до пяти этапов. На последнем этапе при остужении с использованием воды для охлаждения может конденсироваться пар. Некоторые пары можно отвести от испарителей для использования в качестве источников тепла для других технологических процессов.

Чтобы добиться дополнительной эффективности пара, водяные пары на выходе каждого из этапов выпаривания можно сжать (см. раздел 7.2.9.2) для увеличения их энергии перед использованием в качестве нагревающей среды для следующего испарителя.

Экологические эффекты от внедрения метода

Уменьшение потребления энергии, например, путем введения выпаренных водяных паров на следующий этап испарителя, в котором температура ниже, чем на предыдущем этапе.

Эксплуатационные данные

Поскольку тепло используется для последующего этапа выпаривания, многоступенчатые испарители экономят энергию. Для сравнения, однократное выпаривание не дает возможности извлекать тепло.

Потребность в паре для однократных испарителей составляет от 1,2 до 1,4 т/т выпаренной воды. В таблице 7.20 приведено сравнение данных о потреблении энергии для испарителей с различным количеством этапов с использованием термической паровой повторной компрессии (TVR) (см. раздел 7.2.9.2.2). Дополнительной экономии энергии можно добиться при использовании механической паровой повторной компрессии (MVR) (см. раздел 7.2.9.2.1), что также видно из таблицы.

Таблица 7.20 - Сравнение эффективности испарителей многократного воздействия в молочной промышленности

Тип испарителя	Общее потребление энергии (кВт-ч/кг выпаренной воды)
TVR 3 этапа	0,140
TVR 4 этап	0,110
TVR 5 этапов	0,084
TVR 6 этапов	0,073
TVR 7 этапов	0,060
MVR, однократно	0,015

По имеющимся сообщениям, в сахарном секторе сахарный сироп, образующийся в результате очистки от примесей, содержит 15 % сухого вещества, и для экстракции сахара необходимо увеличить такое содержание сухого вещества. Технологический процесс выпаривания позволяет увеличить содержание сухого вещества с 15 до более чем 68 %. Он основывается на принципе теплообмена между сахарным сиропом и паром, образующимся в бойлере. В случае многоступенчатого испарителя теплообмен происходит между сахарным сиропом и паром с низким давлением. При этом перерабатывается пар, полученный из сиропа после первого обмена теплом. На практике пар низкого давления из генератора конденсируется после прохождения теплообмена и возвращается в бойлер. При таком же обмене выпаривается часть воды из сахарного сиропа, а образующийся при этом пар оказывает второе тепловое воздействие, при котором выпаривается следующая часть воды. Подобным образом воздействия следуют один за другим. Операцию можно повторять в общей сложности до шести раз. Ослабевающий уровень давления и температуры при переходе от одного воздействия к другому дает возможность повторять операцию несколько раз при почти неизменном количестве энергии.

Например, крупный молочный завод производит сухие продукты, свежие продукты полутвердые сыры и масло. Общее количество перерабатываемого молока в 2000 г. составило примерно 321000 литров, а общее количество произведенной сухого молока и сухой сыворотки составило около 19000 тонн. На данном молочном заводе используются как однократный испаритель, так и испаритель с падающей пленкой, включающий 5 этапов. Однократный испаритель характеризуется приемной способностью в 30000 л/ч и использует MVR для предварительного концентрирования и термической паровой повторной компрессией для концентрирования. Испаритель в 5 этапов характеризуется приемной способностью в 22000 л/ч и использует термическую паровую повторную компрессию для предварительного концентрирования и концентрирования. Как сообщается, при использовании испарителя в 5 этапов экономится энергия.

Применимость

Применимо в сахарной промышленности; при переработке крахмала; при концентрации томатного, яблочного и цитрусового соков; и при сгущении молока и сыворотка.

Справочная литература

[39, Молочная ассоциация Германии), 2001 г., 61, Европейский комитет производителей сахара (CEFS), 2001 г., 65, Германия, 2002 г.]

7.2.9.2 Сжатие/повторная компрессия пара

Посредством сжатия иссходящих паров можно значительно сократить потребность в энергии для технологического процесса концентрирования в секторе ППНМ. Например, при варке сусла на пивоваренных заводах, когда раствор концентрируется посредством конденсации, выделяется водяной пар. Тепло, поставляемое для выпаривания воды и концентрирования раствора, можно извлечь посредством конденсации выделяющегося пара. Среди распространенных типов используемых компрессоров выделяются роторные компрессоры, винтовые компрессоры, центробежные турбокомпрессоры и воздуходувные аппараты.

Чтобы обеспечить удержание тепла конденсации в паре, который будет использоваться для подачи дополнительного тепла в технологическом процессе концентрирования, конденсация пара должно проходить при температуре выше точки кипения. Чтобы повысить температуру конденсации, пар сжимают на 0,1 – 0,5 бар (0,1 – 0,5 гПа). Затем для возвращения тепла конденсации из сжатого пара на установку для концентрирования используется теплообменник.

Помимо энергии, необходимой для работы компрессора, дополнительная подача энергии не требуется. Соотношение извлеченной энергии и подаваемой энергии, т. е. показатель производительности может даже составлять 40. В дополнение к экономии энергии и снижению энергозатрат еще одна важная причина для конденсации паров – это уменьшение выделения запаха.

Обоснованность внедрения технологических методов сжатия пара в значительной мере зависит от инвестиционных расходов и окупаемости по причине более низких эксплуатационных затрат. На это решение также могут повлиять отличающиеся и изменяющиеся энергозатраты в разных странах. В некоторых секторах эксплуатация носит сезонный характер, например, 50 дней для помидоров и, поэтому, продолжительность работы также является важным фактором.

7.2.9.2.1 Механическая паровая повторная компрессия

Описание

Выпаренный пар сжимают посредством механического компрессора и затем повторно используют в качестве источника тепла. Скрытое тепло превышает входную мощность компрессора, и коэффициент полезного действия (КПД) является высоким. В случае MVR сжимают весь пар, поэтому достигается высокая степень извлечения тепла. Система приводится в действие электричеством, но для достижения высоких температур ей необходимо устройство для доведения, нагреваемое паром. Используются два типа компрессоров, т. е. вентилятор и высокоскоростная турбина. На практике вентилятор является наиболее широко используемым типом компрессора, поскольку он характеризуется лучшей энергетической эффективностью. Принцип работы механическая паровая повторная компрессия показан на рисунке 7.14.

Рисунок 7.14 - Принцип испарителя механической паровой повторной компрессии

Экологические эффекты от внедрения метода

Уменьшение выделения запаха. Уменьшение потребления энергии по сравнению с TVR (см. раздел 7.2.9.2.2). Уменьшение необходимости в очистке благодаря меньшему скоплению сгоревшего продукта.

Воздействие на различные среды

Электричество необходимо для питания компрессора пара. Механическая паровая повторная компрессия создает шум, поэтому необходима звукоизоляция.

Эксплуатационные данные

По имеющимся данным, потребление энергии испарителем с механической паровой повторной компрессией составляет приблизительно 10 кВт-ч/т выпаренной воды, при незначительном потреблении пара. Поскольку повторно сжимается весь пар, а не какая-то его часть, что происходит в случае испарителей с термической паровой повторной компрессией, достигается более высокая степень извлечения тепла. Кроме того, нужна более низкая температура выпаривания, что приводит к меньшему выгоранию продукта. В таблице 7.20 показано, что можно получить большей экономии энергии при использовании механической паровой повторной компрессии по сравнению с термической паровой повторной компрессией.