Эксергетический анализ технологии холодного отжима растительного масла с получением гранулированного жмыха

Степень эффективности маслопрессующего шнекового оборудования оценивается анализом рассматриваемых материальных потоков с помощью эксергии на основе второго закона термодинамики. С целью получения наиболее полной информации процесса отжима был выполнен эксергетический анализ и составлен эксергетический баланс.

Эксергетический анализ выполнен по методике [1, 2], в соответствии с которой теплотехнологическая система (рис. 1) условно отделена от окружающей среды замкнутой балансовой поверхностью, а внутри системы с учетом протекающих теплообменных процессов выделен ряд контрольных поверхностей (табл. 1).

Таблица 1

Разделение теплотехнологической системы на контрольные поверхности

№ контрольной поверхности	Наименование контрольной поверхности
I	Хранение исходного сырья
II	Предварительная гидротермическая обработка
III	Подогрев теплоносителя
IV	Охлаждение теплоносителя
V	Маслопресс
VI	Подготовка жмыха
VII	Хранение масел
VIII	Смешивание масел
IX	Фасовка смеси масел

Блок - схема обмена рассматриваемой теплотехнологической системы материальными, тепловыми и энергетическими потоками с окружающей средой, а также между контрольными поверхностями представлена на рис. 2.

Для получения информации о степени термодинамического совершенства исследуемой системы эксергетическому анализу была подвергнута традиционная технология отжима масла холодным способом. Разделение системы-прототипа на контрольные поверхности представлено на рис. 3.

Эксергия в каждой контрольной поверхности изучаемой технологической системы, состоящей из классических необратимых про- цессов, уменьшается с течением времени, что связано с диссипацией энергии [1]:

nlm

z Ei = z Ei + z Dj,       (1)

i = 1          k = 1          j = 1

где Z E - суммарная эксергия вводимых в i = 1

контрольную поверхность материальных и энергетических потоков; ZE - суммарная i=1

эксергия выводимых   из контрольной поверхности полезных материальных и энергетических потоков; mD. = Т0 -AS -j.=*

суммарные эксергетические потери (уравнение

Гюи-Стодолы);    i = (1; n)    - количество вводимых материальных и энергетических

потоков; k = ( 1; l )

полезных потоков;

j = (1; m)

количество

количество выходящих эксергетических потерь.

Рис. 1. Схема разделения теплотехнологической системы холодного отжима растительного масла с получением гранулированного жмыха: 1-3 - бункера для сырья; 4 - дозаторы 5 - устройство для предварительной обработки сырья; 6 - шнековый транспортер 8 - маслопресс (7 - загрузочная воронка; 9 - терморубашка; 13 - первая секция; 14 - секция маслопрессования; 17 - сборник масла); 10 - насос; 11 - калорифер; 12 - холодильное устройство; 15 - промежуточная секция; 16 - гранулирующая матрица; 18 - переключатель; 19 - танки для хранения масла; 20 - дозаторы масла; 21 - насос для фуза; 22 - фильтр; 23 - перемешивающее устройство;24 - насос масла; 25 - разливочно-упаковочный аппарат; 26 - аппарат для нанесения жировитамин-ных добавок; 27 - фасовочный аппарат

Соотношение (1) для рассматриваемой технологической линии производительностью 150 л/ч по маслу и 500 т/ч по жмыху [3] рассматривалось в следующем виде:

Е E1 + Ен + Е Еэп =

= Е^ + ЕГ + ЕDi+ЕDe ’

где слагаемые этих уравнений - эксергия (кДж): суммарная вводимого в систему масличного сырья (рапс, горчица, подсолнечник) - Е E* ; витаминов - Е2 ; готового купажа растительных масел - Е^п; готового гранулированного жмыха с витаминами - Е2п; суммарная эксергия, вводимая в систему с электроэнер-гией для работы приводов машин - ЕЕэп ; сумма потерь эксергии в результате необратимости процессов, происходящих внутри контрольной поверхности - ЕDi ; сумма потерь эксергии во внешнюю среду - Е De .

Уравнение (2) отражает изменение эксергии теплотехнологической системы за счет ввода масличного сырья и витами-нов, необратимых изменений структурно-механических свойств продуктов, сопря-женных с затратами электроэнергии на приводы машин и аппаратов; косвенно - через подвод электроэнергии к ТЭНам калорифера для получения пара; по- крытия потерь, возникающих вследствие необратимости процессов тепловой обработки сырья и продуктов; изменения их теплофизи- ческих свойств; компенсации потерь, обуслов ленных действием окружающей среды.

Т-293 К

Готовое масло

| Гранулированный . I жмых Т-308 К

Витамины

Маслопресс N-7,5 кВт

Шнек для ГТО N=4,0 кВт

NcyM=b5 кВт

ТЭН калорифера N=5,0 кВт

Смеситель

Насос N-1JkBt

Дозаторы N_cvm=UkBt

Рис. 2. Блок-схема обмена потоками между контр ольными поверхностями теплотехнологической системы .

Фильтр "Ху^ОкВт Насос для фуза Хм=ТГквТ

N=5,0 кВт

Потоки:      – сырья и продукта;       – воды;      – паров;         – электроэнергия;          – грани-

цы контрольных поверхностей

Рис. 3. Технологическая схема традиционной технологии отжима масла холодным способом: 1 – транспортеры; 2 – магнитный уловитель; 3 – измельчитель; 4 – устройство термообработки; 5 – фильтр; 6 – насосы; 7 – ёмкости для масла. Контрольные поверхности указ аны на рисунке.

Эксергия вводимых в систему внешних материальных потоков, а именно, исходного масличного сырья - E " и жировитаминых добавок - Е 2 , находящихся в термодинамическом равновесии с окружающей средой, равна нулю, поэтому исключается из баланса.

В процессе нагрева сырья и продуктов в технологическом оборудовании его химическая эксергия постоянна, так как состав получаемой смеси в процессе переработки не претерпевает изменений. Поэтому учитывается только его удельная термическая эксергия, определяемая на основании уравнения Гюи-Стодолы:

е_м = е - е о = h - h о - T_o( S - S ₀), (3)

где, е , е ₀, h , h ₀, S , S ₀ - удельная термическая эксергия, кДж/кг, удельная энтальпия, кДж/кг и энтропия, кДж/(кг^К) продукта при текущих параметрах технологического процесса и в состоянии равновесия с окружающей средой, соответственно.

Удельную изобарную теплоемкость масличных компонентов определяли по эмпирической формуле [4]:

С р = 4,19 - ( 0,25 + 0,01 - W_c ) , (4.1)

где W _с - относительная влажность масс-сличного зерна (рапс, горчица, подсолнечник) на сухую массу, %.

Удельную изобарную теплоемкость растительных масел, полученных из указанных культур, определяли по следующей эмпирической формуле:

Г Л 1/з

c = A - c303 'I—I , (4.2) V Р )

где c, c ₃₀₃ ; р, р ₃₀₃ - удельная изобарная теплоемкость и плотность растительного масла при искомой температуре и 303 K; A - эмпирическая константа, определяемая температурой масла (при T =273...363 K A =0,439+0,00185 T ).

Удельную эксергию готовой продукции - гранулированного жмыха из смеси различных масличных культур и купажа растительных масел определяли, рассматривая её как систему, состоящую из нескольких компонентов (в первом случае - смеси жмыха различных культур и витаминов, во втором - смеси растительных масел, полученных из различных культур):

nn еп = h-X mi-hi - Т0-IS-X mi-Si I, (5) , i=1 V i=1 )

где h , h i , S , S i - удельная энтальпия, кДж/кг и энтропия, кДж/(кг^К) готовых гранулированного жмыха или купажа масел при текущих параметрах технологического процесса и в состоянии равновесия с окружающей средой; to i - массовая доля компонентов в полученной продукции, %; n - количество компонентов.

Приращение полезной эксергии сырья и промежуточных продуктов технологии достигается за счет их нагрева паром в устройстве для предварительной гидротермической обработки и в маслопрессе за счет трения и повышенного давления.

Дополнительно приращение полезной эксергии растительных масел происходит в экструдере при порционном отделении их от эндосперма масличных культур. Менее интенсивный нагрев осуществляется при механическом воздействии (перемешивание, перемещение насосом, фильтрование).

Необходимо отметить, что приведенная технологическая схема (рис. 1) и блок-схема (рис. 2) носят условный характер, так как переработка различного сырья, используемого в технологии, производится порционно на одних и тех же аппаратах: аппарате для предварительной ГТО и маслопрессе, и только потом осуществляется смешивание (в аппаратах 26 и 23 для жмыха и масла, соответственно). Поэтому в эксергетической диаграмме будем условно разделять эксергию мощности указанного оборудования на n частей, соответствующих количеству компонентов, а соответствующие контрольные поверхности так же разбивать на n частей.

Теплофизические свойства веществ, образующих материальные потоки, взяты из справочной литературы [4-6].

В работе рассмотрено влияние на систему внутренних Dⁱ и внешних D^e эксергетических потерь.

В суммарное количество внутренних эксергетических потерь входят потери от конечной разности температур в результате теплообмена между сырьем и паром; электромеханические, возникающие при необратимом изменении структурно-механических свойств продукта; гидравлические потери, обусловленные внезапным увеличением удельного объема пара, воды и растительного масла при поступлении из трубопровода в оборудование.

Потери, обусловленные конечной разностью температур между потоками, определяли по формуле:

D™ = q ™ , т е ,            (6)

где Q^то - количество теплоты, переданное от одного потока к другому, кДж; Т е - среднее значение фактора Карно для двух взаимодействующих потоков.

Фактор Карно или эксергетическая температурная функция [1] равна термическому КПД цикла Карно между температурами контрольной поверхности и условно принятой окружающей среды:

Т е = ( Т кп — Т о ) / Т кп ,          (7)

где Т_кп - температура теплоносителя внутри контрольной поверхности, К.

Эксергетические потери вследствие падения давления вещества в потоке при подаче в контрольную поверхность определяли по формуле:

„        Т

D г = G_m • g -А Н - -кп ,         (8)

вх где Gm и Твх - расход, кг/ч и температура, K теплоносителя на входе в контрольную поверхность; АН г - гидравлические потери, м.

По формуле Дарси-Вейсбаха [6] найдены гидравлические потери при входе теплоносителя в контрольную поверхность:

V2

А Н _г = £ - -вх- ,                (9)

2 g где -вх - средняя скорость прохождения теплоносителя по сечению подводящего трубопровода, м/с; £ - коэффициент сопротивления, определяемый отношением внутреннего объема оборудования, рассматриваемого в качестве контрольной поверхности, к поперечному сечению трубопровода.

Внутренние потери эксергии при механической обработке продукта рабочими органами машин и аппаратов D эм (шнека в аппарате предварительной ГТО, маслопресса, аппарата для нанесения жировитаминных добавок, насосов) возникают вследствие необратимости изменения механической энергии, связанной с необратимостью изменения структуры его частиц. Электро-механичекие потери эксергии тождественны мощности приводов оборудования.

Внешние потери D ^e связаны с условиями сопряжения системы с окружающей средой.

Эти потери обусловлены отличием температуры теплоносителей от температуры окружающей среды, несовершенством тепловой изоляции оборудования. Потери эксергии в окружающую среду, обусловленные несовершенством теплоизоляции были найдены по формуле:

D e = Q u3 • Т е , (10) где Q_U3 - суммарные потери тепла в окружающую среду через контрольную поверхность, кДж; т е - фактор Карно.

Эксергетические потери готового гранулированного жмыха и смеси растительных масел на выходе из балансовой контрольной поверхности при достижении ими термодинамического равновесия с окружающей средой были вычислены по следующей формуле:

D rn = G rn •

^

h_m — h о — Т о - с - ln I , (11)

V                     10 )

где G_rn - производительность линии по гранулированному жмыху или по растительному маслу, кг/ч; h_rn , Т гп - энтальпия, кДж/кг и температура, К готового жмыха или растите-тельного масла; С - средняя удельная теплоемкость готового жмыха или растительного масла, кДж/(кг^К).

Оценку термодинамического совершенства теплотехнологической системы технологии холодного отжима растительного масла с полу-

чением гранулированного по эксергетическому КПД:

жмыха проводили

^П экс

где [ E i

i полезных

^Z E _ Eм + E ж

Е Ep   Z Ep pp

Z E j — Е D,

m

ЁЛ  ,

p

- суммарная эксергетическая мощность

потоков (готовой продукции: E м - ку-

пажа растительных масел и Eж - гранулированного жмыха), кДж/ч; [ Ep - суммарная за-p траченная эксергетическая мощность (подведенная в систему извне), кДж/ч; [ Dm - суммарные эксергетические потери, кДж/ч.

При этом эксергетический КПД определяли, исходя из значения эксергии готовой продукции - готового жмыха и растительного масла.

Эксергия каждого материального и энергетического потока, а также внутренние и внешние эксергетические потери, рассчитанные по формулам (6 - 11), составили эксергетиче-ский баланс теплотехнологической системы холодного отжима растительного масла с по-

лучением гранулированного жмыха (табл. 1). При построении эксергетических диаграмм Грассмана-Шаргута (рис. 4) в качестве абсолютного эксергетического параметра была вы -брана эксергетическая мощность E, кДж/ч, учитывающая энергию материальных и тепловых потоков с учетом массовой производительности, которая особенно важна в технологических системах с разветвленной структурой однородных по эксергии потоков. Обозначение потоков на рис. 4 представлено в табл. 3.

Рис. 4. Эксергетическая диаграмма линии производства смесей растительных масел холодным отжимом и получение гранулированного жмыха

Таблица2

Эксергетический баланс предлагаемой технологии

5 ^ к Б Л о 5 и 2 * В ^ Н О К со о о ^ К	Подвод эксергии			Отвод и потери эксергии
	Наименование	Е , 103 кДж/ч	% от суммарной эксергии	Наименование	О S К о К со О О	кДж/ч	% от суммарной эксергии
I	Приводы дозаторов Исходное сырьё	5,40 0	3,7 0	Внутренние потери	Di I	5,45	3,7
II	Привод шнека аппарата для предварительной ГТО	14,40	10,0	Внутренние потери Внешние потери	D i II D e II	9,49 1,83	6,6 1,3
III	ТЭН калорифера Привод насоса	18,00 3,96	12,5 2,7	Внутренние потери Внешние потери	D i III De III	13,28 2,60	9,2 1,8
IV	Привод холодильного устройства	18,00	12,5	Внутренние потери Внешние потери	D i IV D e IV	20,05 4,01	13,9 2,8
V	Привод маслопресса	27,00	18,7	Внутренние потери Внешние потери	Di V D е V	19,80 3,25	13,7 2,3
VI	Привод аппарата нанесения ЖВД Привод аппарата упаковки Витамины	8,11 12,60 0	5,6 8,7 0	Внутренние потери Внешние потери Гранулированный жмых	D i VI Dе VI E VIгп	18,91 1,80 5,10	13,1 1,2 3,5
VII	Привод фильтра Привод насоса для фуза Приводы дозаторов	10,80 5,40 5,40	7,5 3,7 3,7	Внутренние потери Внешние потери	Di VII Dе VII	17,14 4,95	11,9 3,4
VIII	Привод смесителя	7,21	5,0	Внутренние потери	Di VIII	7,51	5,2
IX	Привод насоса для масла Привод разливочного аппарата	3,96 3,96	2,7 2,7	Внутренние потери Внешние потери Готовое масло	D i IX Dе IX E IXгп	5,93 2,00 1,10	4,1 1,4 0,9
ИТОГО:		144,20	100	ИТОГО:		144,20	100
Эксергетический КПД:			П .. = ( E VI + E IX ) / S e i = 4,4 %

Таблица 3

Обозначения потоков на диаграмме Грассмана-Шаргута

№ потока	Наименование потока	№ потока	Наименование потока
1	Исходное сырьё (рапс)	16	Масло из маслопресса
2	Исходное сырьё (расторопша)	17	Привод упаковочного аппарата
3	Исходное сырьё (подсолнечник)	18	Привод аппарата для нанесения ЖВД
4	Приводы дозаторов	19	Фуз
5	Дозированное сырьё	20	Витамины
6	Привод шнека	21	Гранулированный жмых
7	Пар из калорифера	22	Привод насоса для фуза
8	Нагретая вода	23	Привод фильтра
9	ТЭН калорифера	24	Приводы дозаторов
10	Привод насоса	25	Дозированные масла
11	Вода из маслопресса	26	Привод смесителя масел
12	Привод холодильного устройства	27	Купаж масел
13	Охлажденная вода	28	Привод насоса для масла
14	Привод маслопресса	29	Привод разливочного аппарата
15	Жмых из маслопресса	30	Готовое масло (купаж)

Полученный эксергетический КПД равен 4,4 %, что существенно выше, чем у сходной технологии, представленной на рис. 3. Это говорит о повышении степени термодинамического совершенства системы при использовании новых технических решений.