15.17 Енергетична характеристика брагоректифікаційних установок

Для вибору тієї або іншої схеми БРУ необхідно, насамперед, об'єктивно оці­нити її теплотехнічні показники.

Оцінка енергетичної досконалості брагоректифікаційних установок до недав­нього часу проводилась шляхом складання енергетичного балансу, який прийнято називати тепловим. При цьому всі види енергії розглядалися без урахування різни­ці в їх якості, тобто практичної придатності. Однак відомо, що практична придат­ність теплоти різна та має тим менше значення, чим ближче температура джерела тепла до температури навколишнього середовища. Так, навколишнє середовище могло б дати практично безмежну кількість теплоти, але якість, зумовлена практи­чною придатністю цієї теплоти, близька до нуля.

Енергетичний баланс не дає змоги встановити місце прояву процесів, що зни­жують ступінь досконалості енергоспоживаючої установки та не може бути осно­вою її об'єктивної оцінки. Слід відзначити, що енергетичний аналіз установок, що мають у своєму складі елементи, що працюють на основі зворотнього циклу Карно (теплові насоси), взагалі непридатний.

Оцінка практичної придатності вторинних енергоресурсів вимагає застосування другого закону термодинаміки, для використання якого вводиться загальний пока­зник якості різних видів теплоти. У якості такого показника прийнята максимальна здатність до здійснення роботи. Ця здатність характеризується поняттям "ексер­гія", що представляє собою максимальну здатність матерії до здійснення роботи у такому процесі, кінцевий стан якого визначається умовами термодинамічної рівно­ваги з навколишнім середовищем.

Таким чином, ексергія визначає придатність енергії для технічного застосу­вання за будь-яких заданих умов та характеризує енергію будь-якого виду не тільки за її кількістю, але й дає змогу кількісно оцінити якісну її сторону. Ексергія - це деяка універсальна міра енергетичних ресурсів, вона завжди має певну вартість, а ЇЇ витрачання повинно бути якомога економічнішим.

Реальні енергетичні процеси протікають незворотньо. Незворотність є причи­ною недосконалості процесу з енергетичної точки зору. Енергетичний баланс за своєю природою не може відобразити втрати від незворотності процесів у даній системі.

447

Оскільки брагоректифікаційна установка є сукупністю матеріальних тіл, що знаходяться у енергетичній взаємодії^ її можна розглядати, як термодинамічну сис­тему та застосовувати для її аналізу закони термодинаміки.

Для характеристики термодинамічної досконалості системи використовують­ся ексергетичні коефіцієнти, формули для визначення яких можуть бути різними, у відповідності від належності певного об'єкта до тієї чи іншої групи термодинаміч­них систем.

Для визначення ступеня термодинамічної досконалості брагоректифікаційних установок та характеристики втрат ексергії в них проф. Шияном П.Л. запропонова­но ріняння для визначення ексергетичного коефіцієнту який характеризує внут­рішні витрати ексергії та корисного ексергетичного коефіцієнта який характе­ризує використання вторинної ексергії.

де Е' та Е" - вхідні та вихідні потоки ексергії, кДж;

D - витрати ексергії, кДж;

Е* - потік вторинно використаної ексергії, кДж;

m - число ексергетичних складників;

п - число контрольних поверхонь системи. У таблиці 15.3. наведено термоди­намічні характеристики основних схем брагоректифікаційних установок, отримані на основі їх структурного ексергетичного аналізу.

З термодинамічної точки зору менш досконалою є брагоректифікаційна уста­новка непрямої дії (БРУНД), ексергетичний і корисний ексергетичний коефіцієнти якої дорівнюють 49,2 та 41,3% відповідно, при цьому рекуперується тільки 12,16% вторинної ексергії від усієї витраченої на процес ексергії.

Установки напівпрямої (БРУНПД) і прямої дії (БРУПД) термодинамічне більш досконалі, особливо це стосується БРУПД, у якої ексергетичний коефіцієнт дося­гає 76,2%, а використання вторинної ексергії по відношенню до витраченої - 47,90%. Незважаючи на це, витрати гріючої пари залишаються значними - 38,3 кг/дал спирту. Викликано це тим, що ексергії пари бражного дистиляту недостатньо для здійснен­ня процесу ректифікації в епюраційній і спиртовій колонах, її нестача відшкодову­ється додатковою (біля 50% від усієї необхідної) витратою гріючої пари, ексергія якої транзитом проходить повз бражну колону.

448

Табл. 15.4 Термодинамічні характеристики БРУ

	Показники
Брагоректи-				Витрати
фікаційні	Л е»	Т1*е>	2D,	Первинної	Вторинної	Гріючої	Електро-
установки	%	%	%	ексергії,	ексергії,	пари,	енергії,
						кг/дал	кВт-год/дал
1. БРУ непрямої
дії	49,2	41,3	49,7	87,8	12,2	51,1	-
Колони:
- Бражна	69,3	45,3	30,7	73,1	26,9	19,9	-
- Епюраційна	29,5	43,0	71,8	100	-	10,5	-
- Спиртова	37,7	32,6	63,3	100	-	20,7	-
2. БРУ
напівпрямої
дії	62,0	51,6	38,0	75,3	24,7	49,3	-
Колони:
- Бражна	74,7	65,4	25,3	73,8	26,2	27,0	-
- Епюраційна	59,1	46,6	41,0	-	100	-	-
- Спиртова	45,9	31,3	54,1	100	-	22,3	-
3. БРУ прямої
дії	76,2	71,5	23,9	52,0	48,0	38,3	-
Колони:
- Бражна	81,7	76,3	18,3	89,1	10,9	38,3	-
- Епюраційна	84,3	74,6	15,7	-	100	-	-
- Спиртова	53,8	53,7	46,3	-	100	-	-
4. БРУВАК-2	53,7	63,0	46,4	66,7	33,3	31,1	0,15
Колони:
- Бражна	71,2	57,5	28,8	90,0	10,0	20,8	-
- Епюраційна	33,7	58,4	66,3	31,4	68,6	3,0	-
- Спиртова	31,1	81,2	68,9	59.2	40,8	7,3	-
5. БРУ з
механічною
рекомпресією
пари	65,4	77,3	34,6	50,7	49,3	10,6	5,92
Колони:
- Бражна	72,4	63,0	27,6	41,6	58,4	10,6	1,54
- Епюраційна	95,8	95,7	41,1	41,7	58,4	-	1,24
- Спиртова	60,9	89,6	39,1	45,9	54,1	-	3,14

449

Як визначив структурний ексергетичний аналіз, ексергетичний коефіцієнт БРУВАК-2 нижчий, ніж у браго ректифікаційних установках прямої та напівпрямої дії. Викликано це тим, що в установку впроваджено додаткову кількість теплооб­мінної апаратури, що призводить до збільшення витрат ексергії.

Збільшення різниці між внутрішнім та зовнішнім тисками в епюраційній та ректифікаційній колонах призводить до зростання витрат ексергії на процес розді­лення суміші, тобто до збільшення втрат від незворотності тепломасообміну.

Крім того, 13,4% ексергії, що вводиться до установки, втрачається у паровому інжекторі. У результаті внутрішні втрати БРУВАК-2 збільшуються по відношенню до БРУПД на 48,5%. Однак, зміна докорінним чином структури зв'язків у системі БРУВАК-2 дозволила знизити загальні витрати пари на процес до 31,1 кг/дал спир­ту. Використання вторинної ексергії в БРУВАК-2 складає 33,3% по відношенню до витраченої, що вказує на можливість подальшого удосконалення установки за ра­хунок зниження зовнішніх витрат ексергії.

Ексергетичний аналіз БРУ дозволяє зробити наступні висновки:

• з точки зору другого закону термодинаміки БРУПД є найбільш досконалою серед установок, що працюють під тиском, близьким до атмосферного, однак осо­ бливість її структурних зв'язків не дозволяє знизити витрати гріючої пари більше, ніж на 27,5%.

• з економічної точки зору ця установка також найкраща, тому що відрізняєть­ ся найменшими зовнішніми витратами ексергії, які в значній мірі визначають за­ бруднення навколишнього середовища:

• зниження термодинамічної досконалості БРУ відбувається не тільки за раху­ нок втрати ексергії, але й за рахунок зниження її якості (концентрації). Збільшення цієї якості можливо при застосуванні теплового насосу та механічної рекомпресії пари;

• наявність великої різниці температур і тисків призводить до збільшення вну­ трішніх витрат ексергії в колонах та зниження термодинамічної досконалості БРУ;

• використання вторинної ексергії у вакуумних БРУ складає біля 30% по від­ ношенню до витраченої, що вказує на можливість їх подальшої енергетичної моде­ рнізації за рахунок зниження зовнішніх витрат ексергії;

• суттєво впливати на скорочення внутрішніх витрат ексергії такої складної термодинамічної системи, як БРУ, дуже складно, їх подальше удосконалення мож­ ливе за рахунок зниження зовнішніх витрат зі зміною структурних зв'язків у систе­ мі і використання теплонасосних установок;

• створення вакууму в колонах та нарощування теплообмінної апаратури при­ зводить до зростання внутрішніх витрат ексергії в системі, тому перспективним є механічна рекомпресія пари самовипарювання барди, дефлегматорної і лютерної води, а також водно-спиртової пари;

• потоки ексергії, які виходять з установки і не дорівнюють нулю, повинні розглядатися, як вторинні енергоресурси.

450