Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Проект цеха по получению сухой послеспиртовой барды на спиртовом заводе

Введение

Барда - основной отход производства этилового спирта. В настоящее время на большинстве спиртовых заводов мира барду тем или иным образом перерабатывают, в основном с получением кормовых добавок. Использовать в качестве кормовых добавок послеспиртовую барду невыгодно: большое содержание жидкости и довольно низкое – ценных веществ делает транспортировку этого отхода нерентабельной.

В то же время, барду нельзя просто сбрасывать без очистки в водоемы, поскольку это приводит к их эвтрофикации. Однако переработка барды, для слива в водоем увеличивает себестоимость продукции.

На сегодняшний день в спиртовой промышленности сложилась достаточно сложная экологическая ситуация с утилизацией основного отхода производства – послеспиртовой барды.

Выход барды составляет 1100…1200% от объема произведенного спирта. Таким образом, на заводе производительностью 6 000 дал спирта в сутки выход сырой барды составляет 660…720 м3. В ней содержится 7,5…8,5% сухих веществ, из которых 26…30% протеина, который через 2…3 суток после получения барды и выброса ее на поля фильтрации, начинает разлагаться с выделением опасных и ядовитых веществ.

Но, учитывая физико-химический состав сырой барды, ее можно отнести к ценным белковым продуктам питания для с/х животных.
В наше время самым эффективным способом утилизации послеспиртовой барды является ее высушивание с дальнейшим гранулированием. Это позволяет значительно улучшить экологическую ситуацию вокруг завода, а кроме того повысить эффективность спиртового производства – выручка от реализации сухой гранулированной барды позволяет покрыть 30…40% производственных затрат и снизить себестоимость спирта на 20…30%.

Сухая барда более пригодна к длительному хранению, кроме того, ее можно использовать для изготовления комбикормов. Таким продуктом является сухая гранулированная барда, известная во всем мире как DDGS (Distillers Dried Grainwith Solubles). Этот продукт является ценным белковым кормом и достаточно высоко котируется на мировом рынке.

1. Выбор и обоснование технологической схемы

Предлагаемые технологии переработки барды можно условно разделить на четыре основные технологические схемы:

1) Схемы с выпарными станциями с получением WDG, DDG, CDS, DDS, WDGS, DDGS;

2) Схемы с аэробной микробиологической переработкой жидкой фазы с получением кормовых дрожжей;

3) Схемы с метантанками с получением биогаза.

4) Комбинированные схемы. В их основу положены известные и уже успешно зарекомендовавшие себя технологические приемы - разделение жидкой и твердой фазы на центрифугах, выращивание кормовых дрожжей на субстрате, сушка продукции.

В данном курсовом проекте реализована схема с выпарными станциями с получением DDGS. В результате реализации данной схемы, предприятие получит 1 продукт: сухую послеспиртовую барду. Сухая барда более пригодна к длительному хранению, кроме того, ее можно использовать для изготовления комбикормов.

Рис.1

разделение растворимой и нерастворимой части барды на декантерной центрифуге на фугат и кек. К основным преимуществам данных центрифуг относятся:

• Легко монтируется. Требует малого пространства.

• Закрытый процесс – нет запахов, нет ядовитых испарений.

• Низкая влажность кека.

• Автоматическая регулировка в соответствии с изменениями расхода и концентрации шлама. Контроль за качеством кека и фугата.

• Простота сервисного обслуживания. Нет необходимости в частых профилактических работах.

• Промывка водой только при остановке

• Малый занимаемый объем при той же производительности (в 10 раз компактнее камерного фильтра)

2) Упаривание фугата до содержания сухих веществ 30-35% в 3-хкорпусной ВВУ. Достоинством такой установки является то, что образующийся в первом корпусе вторичный пар используется в качестве греющего пара во втором корпусе, а вторичный пар второго корпуса используется в качестве греющего пара в третьем корпусе (это экономично).

3) Полученный после выпаривания концентрат смешивается с кеком в шнековом смесителе. Достоинства такого смесителя: а) высокая надежность и производительность; б) простая конструкция и установка; в) безопасность и простота обслуживания.

4) Сушку полученной смеси осуществляют в сушилке барабанного типа. Достоинства таких сушилок следующие:

- высокое качество сушки за счет интенсивного перемешивания материала;

- возможность сушить высоковлажный, засоренный материал;

- простота монтажа (для запуска в работе не требуется капитальных сооружений);

- надежность работы (исключает образование застойных зон);

- большая экономичность, по сравнению с шахтными сушилками;

- большая производительность.

Полученная сухая барда (белково-углеводная кормовая добавка в рационы сельскохозяйственных животных и птицы) охлаждается и в сыпучем состоянии отправляется потребителям (при необходимости упаковывается).

2. Описание технологической схемы

Технологическая схема получения сухой послеспиртовой барды на спиртовом заводе представлена на рис.2.

Технологический процесс получения послеспиртовой барды включает следующие стадии.

Сырая барда из сборника 1 подается на декантерную центрифугу 2, где разделяется с получением кека влажностью 60-65 % и фугата.

Фугат частично используется в основном производстве, а большая часть его упаривается в 3-хкорпусной выпарной установке 3 до концентрации сухих веществ 30-35 %. На упаривание расходуется 2,8 т/ч греющего пара. Конденсат выпарной установки имеет высокий уровень загрязненности (1500-3000 мг О₂/л по ХПК) и требует отдельной очистки, что не заложено в технологии.

Концентрат после упаривания смешивается с кеком в шнековом смесителе 6. Полученая смесь направляется в барабанную сушилку 7, где высушивается до содержания сухих веществ 87-90%. На сушку расходуется 3,0 т/ч пара (горячего воздуха с температурой 90-100°С.

Далее сухая послеспиртовая барда (влажность менее 10%) с помощью шлюзового затвора конического циклона 8 и непосредственно из барабанной сушилки поступает в сборник сухой барды 9. В циклоне оседают унесенные из сушилки газами частицы барды, которые по течке направляются в сборник, а очищенные газы уходят в атмосферу.

4. Выбор и расчет основного технологического оборудования

4.1 Декантерная центрифуга (поз. 2)

Возможно использование декантерных центрифуг серии СНNX производства «Альфа-Лаваль» или D42C-D китайского производства.
Декантерные центрифуги «Альфа Лаваль» обеспечивают высокую производительность процесса сепарации, надежны в работе, могут работать в непрерывном режиме, имеют низкое отношение капитальных затрат к производительности и эксплутационным расходам. Они могут работать со средами, содержащими сухие вещества в весовом отношении от 0,5 до 50% и при значительных колебаниях в подаче сырья.
Центрифуги производства КНР, в принципе, не отличаются по характеристикам от «европейских», но несколько дешевле.

Выбираем D42C-D китайского производства

Габаритные размеры 3480 910 1360 мм

Эквивалентная поверхность осаждения 3,68 м²

Максимальная скорость вращения барабана 3250 об/мин

Диаметр барабана 430 мм

Максимальное ускорение 2540g

Производительность по барде до 18 м³/ч.

Так как требуемая производительность по барде 18260 кг/ч или 18 м³/ч, то потребуется только 1 установка.

4.2 Вакуум-выпарная установка (поз. 5)

На упаривание поступает 12689 кг/ч фугата. Необходимо испарить 10955 кг/ч влаги.

Выбираем трубчатую пленочную с ниспадающей пленкой вакуум – выпарную установку с производительностью по испаряемой влаге 20 т/ч. Испаритель: диаметр =1500 мм, высота = 9800 мм, F = 660 м²; сепаратор: диаметр =1600 мм, высота = 3600 мм, V = 7 м³; конденсатор (поз. 8): диаметр = 1000 мм, высота = 3600 мм, F = 160 м³ [2].

4.3 Подробный расчет барабанной сушилки

4.3.1. Расчет основных параметров дымовых газов

Определение теплотворной способности топлива

Состав донецкого угля марки Т [3]: W^p=5%; A^c=17%; C^г=89,5%; S^г=3,4%; H^г=4,2%;

O^г=1,4%. Индексы р, с, г означают соответственно: рабочее топливо, сухая и горючая смесь.

Сделаем пересчет на рабочее топливо:

С^р=89,5*0,79=70,7%

Н^р=4,2*0,79=3,32%

О^р=1,4*0,79=1,11%

Теплота сгорания рабочего топлива определяется по формуле Менделеева (для твердых и жидких топлив).

Q^р_в=81*С^р+300*Н^р+26*(S^p-O^p)=81*70,7+300*3,32+26*(26,7-1,11)=28,3*10⁶Дж/кг топлива = 6764 ккал/кг.

Определение минимальной теоретической массы воздуха для сгорания 1 кг топлива

Определение коэффициента избытка воздуха

В действительности требуется для полного сгорания 1 кг топлива больше воздуха, чем по теории. Из теплового баланса с учетом температуры дымовых газов на выходе из топки получена формула коэффициента избытка воздуха (для твердых и жидких топлив) [4].

где η_m=0,8 – кпд топки;

с_m=1,51*10³ Дж/кг*К = 0,36 ккал/кг*град – удельная теплоемкость топлива;

t_m=25⁰С – температура топлива перед сжиганием;

с_дг=1,02*10³ Дж/кг*К = 0,243 ккал/кг*град – удельная теплоемкость дымовых газов (принимаем приближенно равной теплоемкости воздуха при средней температуре дымовых газов) [4];

t_дг=500⁰С – температура дымовых газов на выходе из топки;

i_n=595+0,47*500=34,76*10³ Дж/кг = 8,3 ккал/кг – теплосодержание водяных паров при температуре дымовых газов на выходе из топки;

х₀=2*10^-3 кг/кг сухого воздуха – влагосодержание атмосферного воздуха для зимних условий г. Минска (по диаграмме Рамзина);

I₀=30,6*10³ Дж/кг сухого воздуха = 7,3 ккал/кг сухого воздуха – энтальпия зимнего атмосферного воздуха, нагретого до температуры помещения, принятой 25⁰С (по диаграмме Рамзина).

Зимняя температура t = -6,8⁰С, относительная влажность φ = 88% для Минска [5].

Действительная масса воздуха для сжигания 1 кг топлива:

кг/кг сухого топлива

Определение влагосодержания и энтальпии дымовых газов

Масса водяных паров в дымовых газах (для твердых и жидких топлив) определяется по формуле:

Масса сухих газов (для твердых и жидких топлив):

Влагосодержание дымовых газов:

кг/кг сухого газа.

Энтальпия дымовых газов при t=500⁰С и х₁=9,3*10^-3 кг/кг сухого воздуха равна I₁=570*10³ Дж/кг сухого газа = 136,2 ккал/кг сухого газа (по диаграмме Рамзина).

Параметры дымовых газов на выходе из топки являются начальными параметрами для расчета сушильного барабана:

х₁=9,3*10^-3 кг/кг сухого газа,

I₁=570*10³ Дж/кг сухого газа,

t₁=500⁰C.

4.3.2. Материальный баланс сушки

Масса испаряемой влаги в барабане:

где G1=8000 кг/ч-производительность по исходному влажному материалу;

=70%-начальная влажность материала;

=10%-конечная влажность материала

Масса высушенного материала G2:

G2=G1-W

G2=4133 – 2755,3=1377,7 кг/ч

4.3.3.Выбор основных габаритных размеров барабана

Объём сушильного барабана V_б:

V_б=W/A

где A=50 кг/м^3.ч-напряжённость барабана по влаге [6]

V_б=2755,3/50=55,11 м³

Диаметр барабана находим из соотношения:

где l=5*D-длина барабана

Принимаем нормализованные размеры барабана:

D=4 м ; l=20 м

4.3.4.Определение потерь тепла в окружающую среду

Норма тепловых потерь с одного погонного метра цилиндрической поверхности может быть определена по эмпирической формуле:

К*Q_п/l=145*D+0.6*t+1.7*D*t

где Q_п - тепловые потери с цилиндрической поверхности, Вт;

l - длина объекта ,м;

D-наружный диаметр с учётом изоляции, м;

t-температура теплоносителя,⁰C;

K-поправочный коэффициент, определяемый по справочнику

Средняя температура теплоносителя(дымовых газов):

t=(t1+t2)/2=(500+40)/2=270

Принимаем, что сушильная установка находится в помещении с температурой воздуха 25⁰C (поправочный коэффициент к нормам потерь равен 1). Наружный диаметр барабана с учётом изоляции принимаем предварительно равным 4,1м.

По формуле находим норму тепловых потерь:

Q_п/l=145*4,1+0,6*270+1,7*4,1*270=2638,4 Вт/м длины

Потери тепла по всей длине барабана:

Q_п=20*1173=35460 Вт=1277,3*10⁵ Дж/ч

4.3.5.Массовый расход дымовых газов (абсолютно сухих) через сушильный барабан

L=W/(x2-x1)

где W=1567.8 кг/ч-испарённая влага в барабане;

x1=0.0093 кг/кг сухого газа-влагосодержание дымовых газов на входе в барабан;

x2- влагосодержание дымовых газов на выходе из барабана,определяемое (см.ниже) графо-аналитическим методом.

Определение величины x2.

Составим внутренний тепловой баланс сушилки:

∆=c_в*t_м1-q_м-q_п=4187*25-33,98*10³ -46,36*10³ =24,34*10³ Дж/кг влаги

где c_в=4187 Дж/кг*К-теплоёмкость воды (влаги в материале)

t_м1=25⁰C-температура материала на входе в сушилку

Удельные затраты тепла на нагрев материала:

q_м=G₂*(t_м2-t_м1)*c_м/W

где G₂=1378 кг/ч-масса высушенного материала;

c_м=1510 Дж/кг*град[7]

q_м=1378*(70-25)*1510/2755,3=33,98*10³ Дж/кг влаги

Удельные потери тепла в окружающую среду:

q_п=Q_п/W

q_п=1277,3*10⁵ /2755,3=46,36*10³ Дж/кг влаги

Далее, используя уравнение (J₂-J₁₎/(x₂-x₁)=∆ ,при известных J₁,x₁,∆ зададимся произвольно двумя значениями x₂ ,и вычислим соответственно J₂:

для x₂^/=0.1

J₂^/=24,34*10³*(0,1 – 0,0093)+570*10³=572,2*10³ Дж/кг

для x₂^//=0.2

J₂^//=24,34*10³*(0,2 – 0,0093)+570*10³=574,6*10³ Дж/кг

Нанесём на диаграмму Рамзина точки с координатами x₁ и J_1,x₂^/ и J₂^/,x₂^// и J₂^//.Проведём через три точки прямую (одна точка является проверочной) до пересечения с изотермой t=40⁰C, соответствующей температуре газов на выходе из барабана, и по точке пересечения прямых определяем искомую величину x₂=0,24 кг/кг сухого газа (рис. 3.1.)

Рис.3.1.

L=2755,3/(0,24 – 0,0093)=11943,22 кг/ч

4.3.6. Объёмный расход влажных газов на входе и выходе из барабана

V_вх=L*(1+x₁)/ρ₁=11943,22*(1+0,0093)/0,46=26204,9 м³/ч

V_вых=L(1+x₂)/ρ₂=11943,22*(1+0,24)/1,1=13463,3 м³/ч

где ρ₁₌1,293*T/(T+t₁)=1,293*273/(273+500)=0,46 кг/м³-плотность дымовых газов на входе в сушилку;

ρ₂=1,293*T/(T+t₂)=1,293*273/(273+40)=1,1 кг/м³-плотность дымовых газов на выходе из сушилки

4.3.7.Расход газов для летних условий

Средняя температура и относительная влажность атмосферного воздуха для летних условий г.Минска[5]:

t=17,5⁰C ; φ=78%

По диаграмме Рамзина определяем x₀=10,2*10^-3 кг/кг сухого воздуха.

Воздух, нагретый до температуры помещения t=25⁰C, имеет энтальпию J₀=52,4*10³ Дж/кг сухого воздуха.

Массовый расход дымовых газов:

L=W/(x₂-x₁)=2755,3/(0,073-0,0102)=43874,2 кг/ч

где W=2755,3 кг/ч – испарённая влага в барабане;

x₁=10,2*10^-3 кг/кг сухого воздуха – влагосодержание дымовых газов на входе в барабан;

x₂=0,073 кг/кг сухого воздуха- влагосодержание дымовых газов на выходе из барабана.

Определение величины x_2.

∆=24,34*10³ Дж/кг влаги

(J₂-J₁)/(x₂-x₁)=∆

для x₂^/=0,1

J₂^/=24,34*10³*(0,1 – 0,0102)+52,4*10³=54,6*10³ Дж/кг

для x₂^/=0,2

J₂^//=24,34*10³*(0,2 – 0,0102)+52,4*10³=57,0*10³ Дж/кг

Нанесём на диаграмму Рамзина точки с координатами x₁ и J_2, x₂^/ и J₂^/, x₂^// и J₂^//. Проведём через три точки прямую (одна точка является проверочной) до пересечения с изотермой t=40⁰C, соответствующей температуре газов на выходе из барабана, и по точке пересечения прямых определяем искомую величину x₂=0,073 кг/кг сухого газа (рис.3.2.)

Рис.3.2.

Объёмный расход влажных газов на входе и выходе из барабана:

V_вх=L(1+x₁)/ρ₁=43874,2*(1+0,0102)/0,363=122098,4 м³/ч

V_вых=L(1+x₂)/ρ₂=43874,2*(1+0,073)/1,1=42797,3 м³/ч

4.3.8. Скорость газов на выходе из барабана

ω=4*V_вых/π*D²

ω=4*13463,3/3,14*4²*3600=0,30 м/с,

что вполне допустимо из условия уноса мелких частиц из барабана при максимально возможном расходе газа на выходе (в данном случае при зимних условиях).

4.3.9.Расчёт теплоизоляции барабана

Для изоляции принимаем шлаковату.

Определим толщину слоя шлаковаты δ₂ из уравнения:

1/K=1/α₁+1/α₂+( δ₁/λ₁+ δ₂/λ₂₊ δ₃/λ₃)

Стенка барабана схематично изображена на рис.3.1.

Стенка барабана

Рис.3.1.

Принимаем:

δ₁₌10 мм – толщина стенки барабана;

δ₂=1 мм – толщина стенки кожуха из листового железа, покрытого масляной краской.

По справочнику [3] находим:

λ₁=38,2 ккал/м.ч.град=38,2*1,163=44,4 Вт/м*К – теплопроводность стали при t=270⁰C;

λ₂=0,0882 Вт/м*К – теплопроводность шлаковаты при t=(270+25)/2=146.5⁰C

λ₃=44,5 ккал/м.ч.град=44,5*1,163=51,8 Вт/м*К – теплопроводность стали при t=25⁰C

Определение коэффициента теплопередачи

K=Q_п/(F*∆t_ср)

К=35460/(257,5*133,3)=0,99 Вт/(м²*К)

где Q_п=35460 Вт – тепловой поток (потери в окружающую среду);

F=π*D*l=3,14*4,1*20=267,5 м² – боковая поверхность барабана;

D=4,1 м – диаметр барабана с учетом предварительно принятой толщины изоляции.

- средняя разность температур между дымовыми газами и окружающей средой.

Определение коэффициента теплоотдачи α₁ от дымовых газов к стенке барабана

Расчет проводим по формуле [6] для средней температуры газов в барабане t=390⁰C

α₁=1,25*(α₁^/+α₁^//)

где ω и ρ вычислены для средней температуры газов.

кг/м³

μ=0,029*10^-3 Н*сек/м² – вязкость дымовых газов при t=270⁰С.

При Re>10⁴ выбираем формулу:

Nu=0,0324*Re^0,8

Вт/(м²*К)

где λ=40*10^-3 ккал/м.ч.град = 40*10^-3*1,163 = 46,5 Вт/(м*К) – коэффициент теплопроводности дымовых газов при t=270⁰C [5].

Определяем α₁^// из формулы:

Nu=0,47*Gr^0,25

где ∆t=20⁰C – разность между температурами дымовых газов и стенки (принимаем)

Вт/(м²*К)

α₁=1,25*(11,3+1,8)=16,375 Вт/(м²*К)

Определение коэффициента теплоотдачи α₂ от барабана к окружающей среде

α₂=α₂^/+α₂^//

где α₂^/ - коэффициент теплоотдачи за счет естественной конвекции;

α₂^// - коэффициент теплоотдачи за счет лучеиспускания.

Определим α₂^/ по упрощенной формуле [7]:

Вт/(м²*К)

где ∆t=20⁰С – разность температур между наружной стенкой барабана и окружающей средой (принимаем).

Вт/(м²*К)

где ε=0,95 – степень черноты для поверхности, покрытой масляной краской;

С₀=5,7 Вт/(м²*К) – коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела.

α₂=1,6+6,33=7,93 Вт/(м²*К)

Определение толщины слоя шлаковаты

Наружный диаметр барабана с учетом изоляции:

D_н=4+2*0,073=4,145 м.

4.4 Подбор и расчет емкостного оборудования

Необходимый объем емкости рассчитывается следующим образом:

где τ – время пребывания жидкости в емкости, ч

G – расход жидкости, м³/ч.

k – коэффициент заполнения емкости, k = 0,8¸0,9 для емкостей без перемешивающего устройства и k = 0,7 для емкостей с перемешивающим устройством

Исходя из необходимого объема емкости, подбирается стандартная емкость по ГОСТ 9931-85.

Сборник влажной барды

G=490 м³/сут=20,42 м³/ч.

Объем стандартной емкости (V_ст) равен 63 м³, диаметр 3600 мм, высота цилиндрической части 5700 мм, высота всего сборника 6739 мм.

Сборник сухой барды

G = 1378 кг/ч=1,33 м³/ч)

Объем стандартной емкости равен 1,0 м³, диаметр 1200 мм, высота цилиндрической части 700 мм, высота всего сборника 1300 мм.

Сборник фугата

G=15861 кг/ч=15,25 м³.

Объем стандартной емкости равен 10,0 м³, диаметр 2200 мм, высота цилиндрической части 2200 мм, высота всего сборника 3500 мм.

Смеситель

G = 4133 кг/ч=3,97 м³/ч

Объем стандартной емкости равен 3,20 м³, диаметр 1600 мм, высота цилиндрической части 1600 мм.

4.5. Подбор насоса

Для перемещения фугата (расход 15861 кг/ч=15,25 м³/ч = 0,0042 м³/с) из сборника фугата в ВВУ принимаем центробежный насос марки Х20/31 со следующими характеристиками: Q=5,5*10^-3 м³/с, Н=18 м ст. жидкости, n= 48,3 с^-1, η_н=0,55, электродвигатель АО2-41-2 N=5,5 кВт, η_дв=0,87.

Таблица 4.1 – Сводная таблица оборудования

Оборудование	Позиция	Количество	Размеры
Декантерная цетрифуга	2	1	длина 3480 мм ширина 910 мм высота 1360 мм
Сборник влажной барды	1	1	D=3600 мм L=5700 мм H=6739 мм
Сборник сухой барды	11	1	D=1200 мм L=700 мм H=1300 мм
Сборник фугата	3	1	D=2200 мм L=2200 мм H=3500 мм
Смеситель	7	1	D=1600 мм L=1600 мм
ВВУ: Испаритель Сепаратор Конденсатор	5 6 8	3 3 1	D=1500 мм H=9800 мм D=1600 мм H=3600 мм D=1000 мм H=3600 мм
Барабанная сушилка	9	1	D=4145 мм L=20000 мм
Насос Х20/31	4	1	длина 825 мм ширина 296 мм высота 310 мм

3 Материальные и тепловые расчеты технологического процесса

Исходные данные:

Количество барды 490 м³/сут
Содержание сухих веществ в барде 7,5%
Количество осадка дробины при отстаивании от объема барды 86%
Содержание сухих веществ в фугате 4,1%
Влажность кека 65%
Плотность барды 1040 кг/м³
Содержание сухих веществ в кеке 30%.

Считая плотность барды 1040 кг/м³, получаем массовый расход барды:

Так как при отстаивании количество осадка дробины составляет 86% от объема барды, то на центрифугирование поступает барды:

Расход фугата определим из уравнения материального баланса:

где G_б,G_ф - расход барды и фугата, соотвественно, кг/ч;

C_б, C_к,C_ф - концентрация сухих веществ в барде, кеке, фугате , соотвественно.

Влажного кека на стадию сушки поступает:

Проект цеха по получению сухой послеспиртовой барды на спиртовом заводе