Тепловые насосы для охлаждения бродильного чана в спиртовой промышленности

и генерирования дополнительной тепловой энергии.

Водяные системы охлаждения для бродильных отделений спиртовых производств.

Тепловые насосы для охлаждения бродильного чана становятся все более популярными, поскольку они гораздо эффективнее градирен. При использовании открытых градирен для охлаждения бродильных чанов зачастую происходит зарастание поверхностей теплообмена градирен водорослями, что приводит к повышенному расходу электроэнергии и дополнительнвм затратам на чистку градирен и химические реактивы. При помощи теплового насоса удается не только отобрать тепло от бродильного чана, но и произвести дополнительную тепловую энергию (низкопотенциальную, с температурой теплоносителя 50-60 °С, причем стоимость этой тепловой энергии будет в 3 - 4 раза дешевле, чем в котельной. Тепловой насос работает с коэффициентом 1:3 поэтому плученная дополнительно тепловая энергия в 3 раза больше энергии выделившейся при брожении /эффект теплового трансформатора/.

При сбраживании осахаренного сусла дрожжами с образованим этилового спирта в бродильных чанах, выделяется примерно 287 ккал тепла на 1 килограмм спирта. При условии, что бродильные чаны полностью теплоизолированные и процесс брожения проводится в диапазоне температур 36-40 °С, выход спирта составит лишь 6% объемных, что совершенно неприемлемо для современного спиртового производства, ориентированного на максимально высокий выход спирта и снижение расхода пара при последующей дистилляции и ректификации (так например, снижение крепости бражки на 1% об., приводит к увеличению расхода пара на ректификацию на 10 %). Кроме того, если температура бродящего субстрата в бродильном чане превышает 35 °С, что необходимо для достижения оптимальных условий ферментации, то активность дрожжевых клеток заметно снижается, и как следствие, последняя стадия брожения - дображивание при температуре 35-40 °С слишком продолжительна.

Два вида тепловых потерь при отсутствии принудительного отвода тепла от бродильного чана :

А). Потери тепла с выходом углекислого газа СО2 ,

Б). Конвекция и потери тепла через стенки бродильных чанов.

Хотя углекислый газ СО2 насыщен водяным паром с его охлаждающим эффектом, потеря тепла с выходящим газом составляет не более 1,5 % тепла, вырабатываемого при брожении осахаренного сусла

Четыре способа охлаждения бродильных чанов в спиртовом производстве:

1. Естественная конвекция с выделением тепла в окружающую среду.

2. Охлаждение бродильного чана с использованием водяной рубашки.

3. Охлаждение бродильного чана при помощи внутренних змеевиков.

4. Охлаждение бродильного чана выносными теплообменниками.

1й способ охлаждения. Естественная конвекция с выделением тепла в окружающую среду.

Потеря тепла при конвекции и излучении (Qc+Qr) может значительно изменяться в зависимости от отношения площади поверхности бордильного чана и его объема, рис.1, состояния окружающей среды, воздушных потоков и формы и излучения. В неподвижном воздухе величина коэффициента теплопередачи (kc+kr) будет около 5 ккал/час на 1 м2, тогда как в хорошо вентилируемом помещении этот коэффициент будет выше.

В приведенной ниже таблице указаны ожидаемые потери тепла при 28 градусах Цельсия (для тропических регионов), для чанов различного объема.

где S/V - отношение площади поверхности ферментера к его объему.

Если при указанном размере бродильного чана тепла вырабатывается больше, чем может быть удалено при естественной конвекции и отдаче тепла при оптимальной температуре ферментации 32-35 °С, то температура бражки увеличивается с соответствующим снижением активности дрожжевых клеток и выделением тепла, что ведет к неполной ферментации с низким выходом спирта и высоким процентом неконвертированного (несброженного) сахара в зрелой бражке.

                   Рис.1. Соотношение S/V для ферментеров с открытым верхом.

2й способ охлаждения. Охлаждение с использованием водяной рубашки.

Определенное улучшение ситуации может быть достигнуто за счет теплосъема с использованием рубашек с водой, позволяющих обеспечить коэффициент теплопередачи до 50 ккал/час, м2, градус Цельсия. Содержание спирта 8% объемных, и время ферментации 30 часов.

Рис.2. Соотношение потери тепла в процентах от тепла, получаемого при ферментации, и размером ферментера, для определение эффективности охлаждения при использовании водяной рубашки.

3й способ охлаждения. Охлаждение бродильного чана при помощи внутренних змеевиков.

Традиционным методом охлаждения бродильного чана в спиртовой промышленности, часто используемым для теплосъема, является использование внутренних охлаждающих змеевиков, или других устройств с увеличенной поверхностью, находящихся внутри ферментера. Тем не менее, при использовании данных систем общий коэффициент теплопередачи ( U ) зависит от степени турбулентности содержимого чана. Практически, на скорость теплопередачи влияет коэффициент внешней теплопередачи ko, на стенке змеевика или увеличенной поверхности. Высокая скорость потока воды в змеевике немного усилит процесс процесс теплопередачи. Следовательно, помимо температурной разницы между сбраживаемым субстратом и охлаждающей средой, на теплосъем влияет турбулентность сбраживаемого субстрата в бродильном чане (ферментере). Пока в бродильном чане идет интенсивная ферментация, будет происходить приемлемый теплообмен, и общий коэффициент теплопередачи (U) может составлять около 200 ккал/час, м2, градус Цельсия.

4й способ охлаждения. Охлаждение бродилтного чана выносными пластинчатыми теплообменниками.

 При использовании выносной системы охлаждения бродильного чана (рис.3), при котором бражка из бродильного чана циркулирует через выносной пластинчатый теплообменник, достигается самый высокий коэффициент охлаждения. Общий коэффициент теплопередачи (U), составляет более 3000 ккал/час, м2, градус Цельсия, что в 15 раз превышает коэффициент теплопередачи при использовании внутреннего змеевика охлаждения и увеличенных поверхностей. Теплосъем относительно постоянен и не зависит от степени турбулентности перемешивания бражки в ферментере.

Для обслуживания 2х бродильных чанов требуется один компактный пластинчатый теплообменник, установленный между ферментерами без фундамента.

При использовании системы охлаждения бродильного чана выносными пластинчатыми теплообменниками при периодической схеме брожения осахаренного сусла общее время цикла составляет ориентировочно 22 часа, 14 часов – время ферментации и 8 часов – опорожнение, заполнение и мойка.

Как правило, охлаждение бражки в бродильном чане начинается при температуре 32-33 градуса Цельсия, т.е. через четыре часа, при начальной температуре осахаренного сусла 28 °C. В этом случае скорость выделения тепла превышает максимальную величину, а пластинчатый теплообменник, предназначенный для отвода тепла при средней скорости выделения тепла, может поддерживать температуру бражки ниже 36 °C.

Сравнительная таблица различных способов охлаждения бродильных чанов в спиртовом производстве.

Большое количество тепла расходуется в Отделении дистилляции и ректификации спирта, где главным потребителем тепла является Бражная колонна, в ней тепловая энергия пара расходуется на подогрев бражки. Поэтому я обычно использую тепло полученное в Тепловом насосе работающем от бродильных чанов для подогрева бражки перед Бражной колонной. Экономия пара в Отелении ректификации спирта составит до 10 %. Расчет, проект, поставку и наладку оборудования также возможно заказать.

На примере несложно убедиться, что экономический эффект от применения теплового насоса в бродильном отделении спиртового завода весьма значителен. На странице "Расчет бродильного чана" отмечено что при сбраживании 1 кг мальтозы выделяется 146,6 килокалорий тепла.

Общее количество теплоты, выделяемое в бродильном отделении спиртового завода производительностью 3000 дал спирта в сутки составит 6 684 960 ккал. Расход крахмала на 1000 литров спирта составляет 1500 кг. Значит, расход крахмала на производство 30 000 литров в сутки составит 45 000 кг. Допустим, что весь крахмал конвертируется в мальтозу, это значит, что при сбраживании крахмала выделится 45000 кг/сут * 146,6 ккал = 6 597 000 ккал тепла в сутки

Обоснование стоимости и краткий бизнес-план использования теплового насоса в бродильном отделении спиртового завода производительностью 3000 дал спирта. Принцип работы Теплового насоса состоит в том, что Тепловой насос отбирает теплоту от Источника (в данном случае - это теплота сбраживаемого сусла) и за счет механической компрессии увеличивает ее в 3 раза и передает к Потребителю. На 1 кВт выработанной тепловой энергии компрессор теплового насоса тратит примерно 300 Вт электричества. Значит, для спиртзавода с производительностью 3000 дал спирта/сут, 6 684 960 ккал/сут * 3 раза = 20 054 880 ккал/сутки или 20 Гкал/сут. Стоимость 1 Гкал тепла, получаемого заводом со стороны составляет 2 000 рублей. Таким образом, бродильное отделение спиртового завода производительностью 3000 дал спирта в сутки способно генерировать тепло, точнее экономить его, на 40 000 рублей в сутки или 1 200 000 рублей в месяц (без учета потерь и затрат на Тепловой насос и его эксплуатацию). Срок окупаемости теплового насоса в бродильном отделении спиртового завода - от 1 года до 3х лет.

Теплота, выделяемая в бродильном отделении спиртового завода, относится к вторичным источникам теплоты. Ранее, теплота, выделяемая в бродильном отделении спиртового завода просто терялась на градирне, но только с применением Теплового насоса появилась возможность эффективно использовать отходящую теплоту сбраживания в качестве источника вторичной энергии на других участках производства.

Абсорбционные холодильные установки успешно конкурируют с широко применяемыми в настоящее время компрессионными холодильными установками, потребляющими электрическую энергию. Теплоиспользующие холодильные установки (Тепловые насосы) предназначены для выработки холода в диапазоне положительных температур — бромистолитиевые, а для выработки холода в диапазоне отрицательных температур — водно-аммиачные. Для проведения ряда технологических процессов требуется искусственный холод от 0 до ±5°С. Водно-аммиачная абсорбционная холодильная станция, работающая за счет теплоты конденсации вторичного пара, позволяет получать холод двух параметров. Она состоит из двух абсорбционных водно-аммиачных холодильных установок. В зависимости от заданного режима на одной установке можно получать холод темпера­турой + 5°С при температуре испарения аммиака 0°С и —5°С при температуре испарения аммиака —10°С.