magisterska rabota - anastasovski aleksandar

1

УНИВЕРЗИТЕТ “Св. КИРИЛ И МЕТОДИЈ” – СКОПЈЕ

ТЕХНОЛОШКО – МЕТАЛУРШКИ ФАКУЛТЕТ – СКОПЈЕ

МАГИСТЕРСКА РАБОТА

Кандидат: Анастасовски Александар

РАЗВОЈ НА МОДЕЛ ЗА ОДДРЖЛИВО ПРОИЗВОДСТВО ВО

ФАБРИКАТА ЗА ПРОИЗВОДСТВО НА КВАСЕЦ И АЛКОХОЛ СО

МЕТОД НА ПРОЦЕСНА ИНТЕГРАЦИЈА

Скопје, 2009

”…Оние кои се вљубуваат во практиката без науката, се како морнар кој се качува на

брод без кормило и компас и никогаш не може да биде сигурен каде оди ...”

Леонардо да Винчи

Им благодарам на моите ментори

проф. др. Вера Мешко, проф. др. Предраг Рашковиђ, како и на проф. др. Лилјана

Марковска за нивната несебична помош за изработката на овој магистерски труд.

Им благодарам за подарениот компас во морето на науката.

Комисија

1. проф. др. Вера Мешко

2. проф. др. Предраг Рашковиђ

3. проф. др. Лилјана Марковска

Апстракт

Со намалувањето на изворите на енергијата, нејзината цена постојано се зголемува,

зголемувајки ги со тоа и производствените трошоци во индустриските постројки. Со оваа

магистерска работа е направен обид да се обработи случај на оптимизација на користењето на

енергијата со помош на науката која е основна алатка за тоа – пинч технологијата. Студијата е

изработена врз основа на постоечка постројка за производство на квасец и алкохол.

Пинч методата дава можни решенија за дизајн на мрежи од топлински разменувачи. Таа мрежа

од топлинските разменувачи ги користи вишокот и потребите од топлинска енергија во

струите кои се селектирани како интересни за минимизирање на доводот на нова дополнителна

енергија во системот. Селекцијата на струите е направена врз основа на анализа на системот.

Со помош на софтвер за пинч технологија (HX-NET) добиени се можни решенија – сценарија –

за дизајн на мрежи од топлински разменувачи. Секое можно решение со максимална топлинска

заштеда се анализира неговата економска оправданост. За таа цел се користи методот на

анализа на профитабилноста за проектирање на индустриски системи или делови од тој систем.

Врз основа на економските параметри за секое можно решение – сценарио добиено со

методата на пинч технологијата, се избира оптималното, она кое покажува најдобри

перформанси. Имено, се врши рангирање на сите сценарија според нивната економичност и

профитабилност.

Клучни зборови: процесна интеграција, топлинска интеграција, пинч технологија, дизајн на

мрежи од топлински разменувачи, анализа на профитабилност

Abstract

Decreasing energy sources is reason for permanent increasing of energy prices. That is reason for

production cost increasing. Here, in this Master thesis is tried to optimize real production system with

Pinch technology as a tool. This case is based on real facility for ethanol and yeast production.

Pinch technology method is giving many possible solutions of HEN (heat exchanger network)

designs. That HENs use higher and lower heat energy needs into the selected streams of the

production system to exchange heat between them. Using already present heat energy into the system,

reduce inlet of new energy for processes. Stream selection is based on system analysis. HX-NET

pinch technology software is used for generation of possible scenarios (problem solutions). Every

possible scenario has MER (Minimum Energy Requirement). Each of those scenarios is analysed for

economical proof. Profitability analysis of industrial projects is used for that task.

Using economical parameters, determined with profitability analysis, all scenarios are ranged for their

profitability. Finally, there is one solution that is optimal for viewed system, based on all analysis

made. That is solution ranged on highest position.

Key words: process integration (PI), heat integration, Pinch technology, HEN design, profitability

analysis

1

Содржина

Листа на табели и слики ....................................................................................................................... 2

Ознаки и кратенки ................................................................................................................................ 5

1. Модели на оддржлив развој во хемиската индустрија .................................................................. 8

1.1 Потребата и недостатокот од енергија иницијатор за развојот на науката кон поголема

заштеда .............................................................................................................................................. 8

1.2 Модели на оддржлив развој ....................................................................................................... 9

2. Методи на процесна интеграција .................................................................................................. 15

2.1. Принципи на интегртацијата на процесните системи .......................................................... 16

2.3 Основни термодинамски принципи кои се користат во процесната интеграција .............. 20

2.4 Преглед на методите бо процесната интеграција .................................................................. 22

2.4.1. Преглед на методите блиски на пинч технологијата ........................................................ 22

2.4.2. Специјални случаи и шаржна пинч технологија ............................................................... 23

3. Пинч метода .................................................................................................................................... 25

3.1. Принципи на пинч проектирањето кои се користат за топлинска процесна интеграција

(Пинч анализа) ................................................................................................................................ 27

3.3. Определување на цели при пинч анализата (targeting) ........................................................ 28

3.6. Проектирање, еволуција и евалуација на мрежите од топлински разменувачи ................ 45

3.7. Ретрофит проектирање ............................................................................................................ 49

4. Опис на технолошкиот процес на производство во АД ф-ка за квасец и алкохол – Битола ... 55

4.1. Референтна постројка за производство на квасец и алкохол .............................................. 56

4.2. Анализа на производствените подсистеми во постројката ................................................. 59

4.2.1 Подсистем за подготовка на суровините ............................................................................. 59

5. Симулација на енергетскиот систем ............................................................................................. 68

6. Примена на методата на Пинч технологија за проектирање на системи од разменувачи ....... 76

7. Решенија и дискусија .................................................................................................................... 111

8. Заклучок ......................................................................................................................................... 114

Користена литература....................................................................................................................... 115

Apendix A. Биохемиски процеси во производството на квасец и алкохол.................................. 118

Аpendix B. Материјални и енергетски биланси во поединечната опрема на подсистемите ..... 127

Аpendix C: Имиња на струите кои го сочинуваат системот ......................................................... 138

2

Листа на табели и слики

Табела 1.1. Пример за политика кон грешките кои се јавуваат во работата на пазарите [9] .................................... 13

Табела.2.1 Информации потребни за поврзување на елементите од системот ........................................................... 19

Табела.3.1 Податоци за пресметка на трошоците за различни типови на топлински разменувачи [19] ................... 41

Табела 3.2 Коефициенти потребни за одредување на трошоците во зависност од материјалот на изработка

според Douglas ....................................................................................................................................................................... 41

Табела.3.3 Типични вредности за ∆Тmin кои се користат во ретрофит проектирањето за различни рафинерии,

базирани на студиите од Linnhoff March [19] .................................................................................................................... 51

Табела 5.1. Анализа на грешка (error analysis) од симулацијата направена за подсистемите “A” и “E” ................... 74

Табела 5.2 Анализа на грешка (error analysis) од симулацијата направена за подсистемот “H” ................................ 75

Табела.6.1 Селектирани струи по однос на учеството во континуирани процеси и по нивната промена на

енталпија ................................................................................................................................................................................ 77

Табела.6.2 Основни параметри за пресметка на карактеристиките на пренос на секоја сервисна струја ............... 78

Табела 6.3 Основни карактеристики на струите вклучени во сценарио 1 ...................................................................... 78

Табела.6.4 Економски параметри добиени за сценарио 1 .................................................................................................. 85

Табела.6.5. економски параметри за корегираното сценарио 1 ....................................................................................... 85

Табела.6.6 Основни карактеристики на струите вклучени во сценарио 2 ...................................................................... 86

Табела.6.7 Економски параметри добиени за сценарио 2 ................................................................................................. 93

Табела.6.8 Економски параметри за корегираното сценарио 2 ........................................................................................ 93

Табела.6.9 Основни карактеристики на струите вклучени во сценарио 3 ..................................................................... 94

Табела.6.10 Економски параметри добиени за сценарио 3 ............................................................................................. 102

Табела.6.11 Економски параметри за корегираното сценарио 3 .................................................................................... 102

Табела.6.12 Основни карактеристики на струите вклучени во сценарио 4 ................................................................. 103

Табела.6.13 Економски параметри добиени за сценарио 4 ............................................................................................. 110

Табела.6.14 Економски параметри за корегираното сценарио 4 .................................................................................... 110

Табела.7.1 Споредба на економските параметри за сите сцџенарија, првични и корегирани ..................................... 111

B.1 Материјални и енергетски биланси во поединечната опрема на подсистемите .................................................. 127

Слика.1.1 Промена на цената на суровата нафта во последните 20 години [2] ............................................................ 8

Слика 1.2 Реална и номинална вредност на цената на нафтата од 1861 до денес [3] ................................................... 9

Слика 1.3 Определено и предвидено сценарио на користењето фосилни горива и енергенси добиени со

биотехнологијата. Најголемата транзиција се очекува помеѓу 2015 и 2050 според даденото сценарио [4] ............... 9

Слика 1.4 Класификација на термините кои се однесуваат кон оддржливоста [6] ..................................................... 10

Слика 1.5 Елементи на животниот циклус ........................................................................................................................ 12

Слика. 1.6 Базен од главните чисти технологии ................................................................................................................ 13

Слика 2.1 Алатки со кои процесната интеграција се користи при решавањето на проблемите од интеграција на

системите .............................................................................................................................................................................. 17

Слика.2.2 Onion diagram (модел на кромид) за проектирање на постројки во хемиската технологија ....................... 19

Слика.3.2 Решеткаст дијаграм на кој се претставуваат процесните и сервисните струи заедно со топлинските

разменувачи при проектирање на можни мрежи од топлински разменувачи ................................................................ 30

Слика.3.3 Графички пат на креирање композитни криви ................................................................................................. 31

Слика.3.4 Ладна и топла композитна крива со определени пинч температури за топлите и ладните струи како и

пинч температурата на системот ..................................................................................................................................... 32

Слика.3.5 Карактеристики на ладната и топлата композитна крива ........................................................................... 32

Слика.3.6 Сегментирање на композитните криви по температурни интервали и можни топлински разманувачи на

истите .................................................................................................................................................................................... 33

Слика.3.7 Каскаден дијаграм на топлина ............................................................................................................................ 34

Слика.3.8 Проектирање на голема композитна крива како разлика на побарувањето и понудата на топлина помеѓу

топлата и ладната композитна крива ............................................................................................................................... 35

3

Слика.3.9 Голема композитна крива за случаи каде има повеќе различни топли сервисни медиуми, како и појава на

џебови како показател за вишок на топлина во дел од интервалите .............................................................................. 36

Слика.3.10 Определување на оптималната вредност на ∆Тmin врз основа на вкупните трошоци како збир на

оперативните и капиталните трошоци ............................................................................................................................. 45

Слика.3.11 Алгоритам за раздвојување на струите во две или повеќе струи (раслојување на струите) .................... 46

Слика.3.12 Идентификација и раскинување на затворените кружни патишта ............................................................ 47

Слика.3.13 Користење на патиштата кои ги поврзуваат сервисните струи за релаксација на системот ............... 48

Слика.3.14 Кривите на ефикасноста во проектирањето како функција на површината на размена (за идеален,

ретрофит и постоечки проект) со енергијата .................................................................................................................. 51

Слика.3.15 Крива создадена како функција на инвестицијата во однос со годишните заштеди ................................. 52

Слика.3.16 Шема за ретрофит проектирање предложена од LINNHOFF [61] ............................................................. 53

Слика 4.1 Географска позиција на фабриката за квасец и алкохол во Битола ............................................................... 55

Слика 4.2: Технолошкиот процес на производство во фабрика за квасец и алкохол [62] .............................................. 57

Слика 4.3 Подсистем “А” – единица за припрема на суровините .................................................................................... 59

Слика.4.4 Дел од подсистемот “А” – дел за припрема на хранливите соли потребни за ферментациите ................. 60

Слика.4.5 Подсистем “B” – единица за аеробна ферментација ...................................................................................... 60

Слика.4.6 Подсистем “C” – единица за сепарација на квасно млеко ............................................................................... 61

Слика.4.7 Подсистем “D” – филтрациона единица за свеж квасец ................................................................................ 62

Слика.4.8 Подсистем “Е” – единица за сушење на квасец ................................................................................................ 63

Слика.4.9 Подсистеми “F” и ”G” – единица за анаеробна ферментација со придружна опрема ............................... 64

Слика.4.10 Подсистем “H” – дестилациона колона .......................................................................................................... 64

Слика.4.11 Систем за загревање на работните простории ............................................................................................. 65

Слика.4.12 Подсистем “U” – единица за генерирање на сервисни медиуми .................................................................... 66

Слика 4.13. Подсистем “I” – единица за паковање, складирање и транспорт ............................................................... 67

Слика 5.1 Пример за експоненцијален раст на биомаса при аеробните ферментации (минимум на

експоненцијалната функција и лимитирачкиот фактор) ................................................................................................. 71

Слика 5.2 Основен материјален биланс на целокупниот систем ...................................................................................... 72

Слика 5.3 Симулација на подсистемот за сушење на квасец со SuperPro Designer ........................................................ 73

Слика 5.4 Симулација на подсистемот за сепарација на алкохолот со дестилирање (изработено со ASPENTECH

HYSYS) .................................................................................................................................................................................... 73

Слика.6.1 Графички приказ на композитните криви добиени од топлите и ладните струи ........................................ 79

Слика.6.2 Графички приказ на балансираните топла и ладна композитна крива (сценарио 1) .................................... 79

слика.6.3 голема композитна крива која ги прикажува промените на температурите и енталпиите во

разгледуваниот систем (сценарио 1) ................................................................................................................................... 80

слика.6.4 Топла погонска сила (движечка сила на процесот на размена на топлина – сценарио 1) ............................. 80

Слика.6.5 Ладна погонска сила (движечка сила на размена на топлина со ладните струи сценарио 1) ...................... 81

Слика.6.6 Графички приказ на потребната количина на енергија која треба да се размени во системот, и тоа

енергија која што треба да се одведе или доведе, како и нивната вкупна вредност (сценарио 1) ............................... 81

Слика.6.7 Зависност на минимално потребната површина на размена во системот, минималниот број на

топлински разменувачи, како и минималниот број на разменувачки единици од кои е составен топлинскиот

разменувач, од ∆Тmin (сценарио 1)......................................................................................................................................... 82

Слика.6.8 Зависноста на производствените, капиталните и вкупните трошоци од ∆Тmin (сценарио 1) ..................... 82

Слика.6.9 Недисконтен и дисконтен cash flow (движење на паричните средства) за дадениот дизајн (сценарио 1) 83

Слика.6.10. Кумулативен дисконтен и недисконтен cash flow за даденото решение (сценарио 1) ............................... 83

Слика.6.11 Недисконтен и дисконтен cash flow за корегираното сценарио 1 ................................................................. 84

Слика.6.12 Недисконтен и дисконтен кумулативен cash flow за корегираното сценарио 1 ......................................... 84

Слика 6.13. Дизајн на мрежа од топлински разменувачи врз основа на податоците за сценариото 1 со помош на

HX-NET софтверот .............................................................................................................................................................. 85

Слика. 6.14 Графички приказ на композитните криви добиени од топлите и ладните струи (сценарио 2) ............... 87

Слика 6.15 Графички приказ на балансираните топла и ладна композитна крива (сценарио 2) ................................. 87

Слика 6.16 голема композитна крива која ги прикажува промените на температурите и енталпиите во


Слика 6.17 Топла погонска сила (движечка сила на процесот на размена на топлина – сценарио 2) .......................... 88

Слика 6.18 Ладна погонска сила (движечка сила на размена на топлина со ладните струи сценарио 2) ................... 89

Слика 6.19 Графички приказ на потребната количина на енергија која треба да се размени во системот, и тоа


4

Слика 6.20 Зависност на минимално потребната површина на размена во системот, минималниот број на


разменувач, од ∆Тмин (сценарио 2) ...................................................................................................................................... 90

Слика 6.21 Зависноста на производствените, капиталните и вкупните трошоци од ∆Тмин (сценарио 2) ............... 90

Слика 6.22 Недисконтен и дисконтен cash flow (движење на паричните средства) за дадениот дизајн (сценарио 2)

................................................................................................................................................................................................. 91

Слика 6.23 Кумулативен дисконтен и недисконтен cash flow за даденото решение (сценарио 2) ............................... 91

Слика 6.24 Недисконтен и дисконтен flow за корегираното сценарио 2 ........................................................................ 92

Слика 6.25 Недисконтен и дисконтен кумулативен cash flow за корегираното сценарио 2 ......................................... 92

Слика 6.26. Дизајн на мрежа од топлински разменувачи врз основа на податоците за сценариото 2 со помош на

HX-NET софтверот .............................................................................................................................................................. 93

Слика 6.27 Графички приказ на композитните криви добиени од топлите и ладните струи (сценарио 3) ............... 95

Слика 6.28 Графички приказ на балансираните топла и ладна композитна крива (сценарио 3) ................................. 95



Слика 6.30 Топла погонска сила (движечка сила на процесот на размена на топлина – сценарио 3) .......................... 96

Слика 6.31 Ладна погонска сила (движечка сила на размена на топлина со ладните струи сценарио 3) ................... 97



Слика 6.33 Зависност на минимално потребната површина на размена во системот од ∆Тmin (сценарио 3) ............ 98

Слика 6.34 Зависност на минималниот број на топлински разменувачи, како и минималниот број на разменувачки

единици од кои е составен топлинскиот разменувач, од ∆Тmin (сценарио 3) ................................................................... 98

Слика 6.35 Зависноста на производствените, капиталните и вкупните трошоци од ∆Тmin (сценарио 3) .................. 99

Слика 6.36 Недисконтен и дисконтен cash flow за дадениот дизајн (сценарио 3) ....................................................... 100

Слика 6.37 Кумулативен дисконтен и недисконтен cash flow за даденото решение (сценарио 3) ............................. 100

Слика 6.38 Недисконтен и дисконтен cash flow за корегираното сценарио 3 .............................................................. 101

Слика 6.39 Недисконтен и дисконтен кумулативен cash flow за корегираното сценарио 3 ....................................... 101

Слика 6.40 Дизајн на мрежа од топлински разменувачи врз основа на податоците за сценариото 3 со помош на HX-

NET софтверот ................................................................................................................................................................... 102

Слика 6.41 Графички приказ на композитните криви добиени од топлите и ладните струи (сценарио 4) ............. 104

Слика 6.42 Графички приказ на балансираните топла и ладна композитна крива (сценарио 4) ............................... 104


разгледуваниот систем (сценарио 4) ................................................................................................................................. 105

Слика 6.44 Топла погонска сила (движечка сила на процесот на размена на топлина – сценарио 4) ........................ 105

Слика 6.45 Ладна погонска сила (движечка сила на размена на топлина со ладните струи сценарио 3) ................. 106


енергија која што треба да се одведе или доведе, како и нивната вкупна вредност (сценарио 4) ............................. 106

Слика 6.47 Зависност на минимално потребната површина на размена во системот, минималниот број на


разменувач, од ∆Тmin (сценарио 4)....................................................................................................................................... 107

Слика 6.48 Зависноста на производствените, капиталните и вкупните трошоци од ∆Тmin (сценарио 4) ................ 107

Слика 6.49 Недисконтен и дисконтен cash flow (движење на паричните средства) за дадениот дизајн (сценарио 4)

............................................................................................................................................................................................... 108

Слика 6.50 Кумулативен дисконтен и недисконтен cash flow за даденото решение (сценарио 4) ............................. 108

Слика 6.51 Недисконтен и дисконтен cash flow за корегираното сценарио 4 ............................................................. 109

Слика 6.52 Недисконтен и дисконтен кумулативен cash flow за корегираното сценарио 4 ....................................... 109

Слика 6.53 Дизајн на мрежа од топлински разменувачи врз основа на податоците за сценариото 4 со помош на HX-

NET софтверот ................................................................................................................................................................... 110

Слика.7.1 Графичка споредба помеѓу економските параметри за сценаријата (ROROI, CCP и PVR) ...................... 112

Слика.7.2 Споредба помеѓу нето сегашните вредности за секое од сценаријата ....................................................... 112

Слика.7.3 Споредба на кумулативните дисконтни протоци на парични средства за секое сценарио ....................... 113

Слика А.1 Степени на добивање на биомаса која служи како матица за започнување на ферментациите за

продажен квасец .................................................................................................................................................................. 121

Слика А.2 Биохемиска реакција на формирање етил алкохол [65] ................................................................................. 123

Слика А.3 Биохемиски процес на Гликолиза [65] .............................................................................................................. 124

Слика А3 Процесна шема на системот за производство на квасец и алкохо ................................................................ 139

5

Ознаки и кратенки

∆Tmin Минимална температурна разлика (оС) EA Етил алкохол, етанол (струја)

A Површина на размена на топлина (m2) EG Отпадни гасови од ферментација (струја)

Аf Ануализирачки фактор, бездимензионален (-) EMAT (Exchanger Minimum Approach

Temperature)разменувачи со минимално

приближување на температурите

A, B, .. подсистеми EMS (enviromental management strategies) стратегија

за раководење со околината

AEF Аеробен ферментор EXSYS (EXpert SYstem) експертски систем

AF Алкохолна комина (струја) F Фактор на корекција, бездимензионална вредност

(-)

AFM Алкохолна ферментирана комина (струја) FBD-1 Континуирана сушара за квасец

AI (artifical inteligence) вештачка интелигенција FER (Fixed Energy recovery) фиксен поврат на енергија

Akf Резервоар за алкохолна комина FL филтрат (струја)

Anf Ферментор за анаеробни ферментации FPDM (Flexible Pinch design Method) флексибилен пинч

метод на дизајн

AS Воздух за ферментација (струја) FS Хранливи соли (струја)

AS Резервоар за амониум сулфат G Масен проток (кg/h), (kg/s)

AV Резервоар за амонијачна вода GCC (Grand Composite Curve) голема композитна крива

AYC Алкохолно квасно млеко (струја) h Коефициент на пренос на топлина (кЈ/м2)

CC (Capital Cost) капитални трошоци (€/година) HA Влажен воздух (струја)

CCC (Cold Composite Curve) ладна композитна крива HCC (Hot Composite Curve) топла композитна крива

CCP (Cumulative Cash Position) Kумулативна позиција

на парична вредност, бездимензионален (-) HE-1 Плочест топлински разменувач за стерилизација

на меласа

CIP (Clean In Place) систем за миење на водови и

садови на лице место HE-10 Топлински разменувач за воздух, зона 1

Cl Систем за хлорирање HE-11 Топлински разменувач за воздух, зона 2

COWI Данска консултантска компанија HE-12 Топлински разменувач за воздух, зона 3

Cp Топлински капацитет (кЈ/кgК) HE-2 Плочест топлински разменувач за кондензација

на испарливи органски компоненти

CREI (Chemical Reactor Energy Integration) енергетска

интеграција на хемиски реактори HE-3 Цевчест топлински разменувач (дестилациона

колона 1)

CSD Талози од центрифугирање (струја) HE-4 Цевчест топлински разменувач (дестилациона

колона 1, reflux)

CSTR (Continous Stired Tank Reactor) Континуиран

реактор HE-5 Цевчест топлински разменувач (дестилациона

колона 2, reflux)

CU (cold utility) ладен сервисен медиум, топлински

разменувач со ладен сервисен медиум (ладилник) HE-6 Цевчест топлински разменувач (дестилациона

колона 3)

Cum Кумулативна вредност за променлива HE-7 Цевчест топлински разменувач (ethanol -

продукт)

CW (cold water) ладна вода HE-8 Цевчест топлински разменувач за топловодно

греење

DA Сув воздух за сушара (струја) HE-9 Плочест топлински разменувач (промивна вода за

филтрација)

DAF Резервоар за диамониум фосфат Hec Топлински разменувач за ладење на издвоеното

квасно млеко при сепарација

DATM (Dual Approach Temperature Method) метод на

двојно приближување на температурите HEF Топлински разменувач за регулација на

температурата на ферментација

DC-2 Дестилациона колона – 2 HEN (heat exchanger network) мрежа од топлински

разменувачи

DC-3 Дестилациона колона – 3 (ректификација) HES (Heat Exchanging Simulator) симулатор на

топлинска размена

DEAER Колона за деаерација на водата HP (High Pressure steam) високо притисна пареа

DEJ Јонски разменувач (катјонски) HRAT (Heat recovery Approach Temperature) поврат на

топлина со приближување на температурите

Dkm Дупликатор за квасно млеко HTC (Heat Transfer Coefficient) коефициент на пренос

на топлина (kW/m2 K), (kJ/h m2 K)

Dmf Резервоар за дозирна меласа за анаеробните

ферментации HU (hot utility) топол сервисен медиум, топлински

разменувач со топол сервисен медиум (греач)

DRM Резервоар за дозирна меласа HW (hot water) топла вода (струја)

6

DY Сув квасец (струја) IEA (International Energy Agency) Меѓународна

агенција за енергија

ImS Нечистотии од центрифугирање на квасна

комина (струја) MEN (Mass Exchanger Network) мрежа од масени


IPD (Integrated Process Design) интегриран дизајн на

процесот MER - (Minimum Energy Requirements) минимална

потреба од енергија

ЈИЕ Југо Источна Европа, земји од југоисточна

Европа MG Резервоар за MgSO4

Ku

K32

Котел

Квасец со содржина од 32% на суви материи MILP (Multi Intiger Linear Programming)линеарно

програмирање со повеќе променливи

HA Влажен воздух (струја) MIX-2 Мешач за припрема на хранливи соли

HCC (Hot Composite Curve) топла композитна крива MKD Дупликатор за матично квасно млеко

HE-1 Плочест топлински разменувач за стерилизација

на меласа MR Џибра (струја)

HE-10 Топлински разменувач за воздух, зона 1 МS Меласен раствор (струја)

HE-11 Топлински разменувач за воздух, зона 2 MTD (mean temperature difference) средна аритметичка

температура

HE-12 Топлински разменувач за воздух, зона 3 N Број на топлински разменувачи

HE-2 Плочест топлински разменувач за кондензација на

испарливи органски компоненти N.sad Напоен сад за котел

HE-3 Цевчест топлински разменувач (дестилациона

колона 1) NLP (Non Linear Programing) нелинеарно

програмирање


колона 1, reflux) NPV (Net Present Value) нето сегашна вредност (€)


колона 2, reflux) NRTL (Non-Random-Two-Liquid) термодинамички модел


колона 3) OC (Operating cost) Производствени трошоци

(€/година)

HE-7 Цевчест топлински разменувач (ethanol -

продукт) OPEC Organization of Petroleum Exporting Countries

Организација на земји извознички на нафта

HE-8 Цевчест топлински разменувач за топловодно

греење P Притисок (Pa)

HE-9 Плочест топлински разменувач (промивна вода за

филтрација) P.Fil. Песочни филтри

Hec Топлински разменувач за ладење на издвоеното

квасно млеко при сепарација PDM (Pinch Design Method) пинч метод за дизајн

HEF Топлински разменувач за регулација на

температурата на ферментација Ph.Sep-

1

Сепаратор на фази

HEN (heat exchanger network) мрежа од топлински

разменувачи PI (Process Integration) процесна интеграција

HES (Heat Exchanging Simulator) симулатор на

топлинска размена PML Подготвена меласа (струја)

HP (High Pressure steam) високо притисна пареа PPDM (Pseudo – Pinch Design Method) псевдо пинч метод

за дизајнирање

HRAT (Heat recovery Approach Temperature) поврат на

топлина со приближување на температурите PSE - (Process system engineering) инженеринг на

процесните системи

HTC (Heat Transfer Coefficient) коефициент на пренос

на топлина (kW/m2 K), (kJ/h m2 K) PTA (Problem Table Algorithm) алгоритам табела за

проблемот

HU (hot utility) топол сервисен медиум, топлински

разменувач со топол сервисен медиум (греач) PVR (Present Value Rate) stapka na sega[na vrednost,

bezdimenzionalna (-)

HW (hot water) топла вода (струја) Q Количество топлина (kJ), (kW)

IEA (International Energy Agency) Меѓународна

агенција за енергија R Гасна константа (8.314 N m/mol K)

ImS Нечистотии од центрифугирање на квасна

комина (струја) R-1 Резервоар за топла вода

IPD (Integrated Process Design) интегриран дизајн на

процесот R-Akm Дупликатор за алкохолно квасно млеко

ЈИЕ Југо Источна Европа, земји од југоисточна

Европа R-LV Резервоар за ладна вода

Ku Котел RML Сурова меласа (струја)

LCA (life cycle assessment) животен циклус ROROI (Rate Of Return Of Investment) стапка на поврат

на инвестицијата (%)

LMTD (Logaritmic mean temperature difference) средна

логаритамска температура [oC] RPA (Remaining Problem Analysis) преостаната пинч

анализа

LP (Linear Programming) линеарно програмирање RWS Вода за ладење на ферменторите (струја)

LPx (Low pressure steam) ниско притисна пареа S Број на разменувачи (куќишта), ентропија,

поместена температура

LT Лутер (струја) CS (Carbon Steel) Јаглероден челик

7

MAT Сад за припрема на матичен квасец SCM (Supply Chain Management) менаџмент на

синџирот за набавка

SE (System Engeneering) инженерство на

системите

TA Технички алкохол (струја)

Sep.c-1 Сепаратор за квасно млеко бр.-1 TAC (Total Anual Cost) вкупни годишни трошоци

(€/година)

Sep.c-2 Сепаратор за квасно млеко бр.-2 UNIFAC (developed UNIQUAC – Functional-group Activity

Coefficients) термодинамски модел

Sep.c-3 Сепаратор за квасно млеко бр.-3 UNIQUAC (UNIversal QUAsi Chemical) термодинамски

модел

Sep.f Сепартатор за алкохолна комина V Волумен (m3)

SEP-1 Сепаратор за меласа VD Дувалки за воздух (аерација)

SIP (Sterilization In Place) систем за

стерилизација на систем водови и садови

на лице место

VF-1 Вакуум ротационен филтер

Sob.R Собирен резервоар за повратен кондензат

и дополнување со потребна количина вода

WHE Вода за ладење во топлинските разменувачи од

дестилеријата (струја)

SS (stainless steel) не`рѓосувачки челик x масен удел

STA Резервоар за технички алкохол X0 Почетна биомаса за ферментација (kg)

STE Резервоар за етанол, Xi Количина на биомаса во ферментацијата (kg)

t Температура (оС) YC Квасно млеко (струја)

Т Температура (К) YW Квасна комина (струја)

Индекси

1, 2, 3 Редослед на струи Lv Ледена вода (влез)

a,b,c Коефициенти на интервали (топлински,

температурни), коефициенти на фиксни

трошоци

Lvi Ледена вода излез

аbove Над пинч точка max максимум

below Под пинч точка min минимум

C Индекс (cold) – ладно network Мрежа од разменувачи

cas Каскада p (problem) број на независни проблеми

(подсистеми)

dno Дно на колона retr (retrofit) редизајниран

existing Постоечка вредност rp Добиено решение за редизајн на системот

f фактор u Број на единици (unit)

i Број на струја vrv Врв на колона

int интервал -zona Број на зона во континуирана сушара

ј Број на струја влез Влезна или почетна вредност на струјата

КМ Квасно млеко излез Излезна струја

l (loops) број на кругови цел Целна вредност

Грчки симболи

∆ Разлика на вредности на состојба 𝝁 Коефициент на прираст на биомаса (h-1)

𝚺 Сума, збир 𝝉 Време (h)

𝛂 Степен на ефикасност

8

1. Модели на оддржлив развој во хемиската индустрија

1.1 Потребата и недостатокот од енергија - иницијатор за развојот на науката кон поголема заштеда

“Како резултат на големиот комфорт и олеснувања на нашите животи, голем дел од годината

зависиме од овој производ користен за оган; се додека горивото не стане поскапо и се разбира

недоволно; било кој нов предлог за зачувување на шумите и за намалување на трошењето и

зголемувањето на бенефитот од огнот, со некој метод на негово создавање и менаџирање, може

да биде идеја вредна за размислување” – овие зборови ги изговорил Бенџамин Франклин во

1744 година [1] поради загриженоста за шумите кои во тоа време биле основен извор на

енергија. Денес, главен извор на топлинска енергија се нафтата и јагленот. Нивната цена е

основа за цената на сите производи било каде во светот. Цената на енергијата станува се

повисока со зголемувањето на цената на нафтата. На 1.1 прикажана е промената на висината на

цената на нафтата во последниве 20 години, а на 1.2 е прикажана промената на цената на

нафтата од почетокот на нејзиното користење до денешен ден и тоа нејзината цена во нејзината

номинална и сегашна вредност.

Слика.1.1 Промена на цената на суровата нафта во последните 20 години (просечни цени за Brent

нафта • - номинална вредност, • - реална вредност на основа од вредноста на америчкиот долар во Мај

2008) [2]

Од сликите 1.1 и 1.2 може да се заклучи дека цената која ја има нафтата денес е приближна на

вредноста која таа ја имала во почетокот на нејзината употреба како енергенс. Во последната

деценија цената на нафтата има постојан тренд на зголемување. Според тоа и цената на

енергијата постојано се зголемува. Високите цени на енергијата се добар повод да се

размислува како можат залихите од енергенсите да се зачуваат подолго време.

Во седумдестите години од минатиот век започна големата енергетска криза. Главната причина

за неа биле политичката криза на Средниот Исток, моќната организација на земјите извознички

на нафта (OPEC – Organization of Petroleum Exporting Countries), како и докажаното влијание на

енергенсите врз загадувањето на водата и воздухот. Тоа било време кога во светот се сватила

9

зависноста од енергијата и се започнало со пронаоѓање на нови начини за заштеда на

енергијата и нејзино зачувување.

Слика 1.2 Реална и номинална вредност на цената на нафтата од 1861 до денес (• - номинална

вредност, • - реална вредност базирана на вредноста на америчкиот долар во 2007 год., вредностите се

однесуваат на америчката нафта 1861 – 1944, арапска лесна нафта 1945 – 1985, и Brent нафта 1986 –

2007 според податоци на Energy Information Administration) [3]

На сликата 1.3 е дадено можното сценарио на промена на користењето на фосилните горива со

замена со енергенси од биотехнолошко производство. Дадениот период од 2015 до 2050

фосилните горива ќе ги има во многу мала количина, а потребата би требало да биде поголема,

така што потребата од развојот на обновливите извори на енергија е итна и неопходна.

Слика 1.3 Определено и предвидено сценарио на користењето фосилни горива и енергенси добиени со

биотехнологијата. Најголемата транзиција се очекува помеѓу 2015 и 2050 според даденото сценарио

[4]

1.2 Модели на оддржлив развој

Со цел зачувување на животната средина и заштедата на суровините и енергијата, се

превземаат различни акции. Една од нив е потпишувањето на протоколот во Кјото, потпишан

од 180 нации од светот со заеднички напори да го ограничат ефектот на стаклена градина од

емисијата на гасови и намалување на ефектот на глобалното загревање. Ефектите од овој

протокол се очекувањaта на намалување на индустриските гасови кои предизвикуваат ефект на

стаклена градина за 42%, користење на обновлива енергија (22%), редукција на емисијата на

метан од живата стока и други извори (22%), ефикасност на искористувањето на енергијата

(12%) и добивање на природен гас од горивата (2%). Без разлика на тоа што најголемите

производители не се сложуваат со наведените броеви или со самиот протокол, индустријата и

инженерството се многу заинтересирани за развојот на “зелената хемија” поради намалување

на трошоците во производството, зголемување на профитот, искористувањето на енергијата

10

(намалување на потребата од енергија), зголемување на приносите, како и интересот за

сигурна, здрава и работоспособна работна сила [5].

Секојдневно се зголемуваат различните термини кои со заедничко име можат да се поврзат во

оддржлив развој. Овој поим подразбира почисто производство, заштита од загадување,

контрола на загадувањето, минимизирањето на искористување на ресурсите, еко-дизајн и

слично. Како основа за изградба на комплексниот систем кој е наречен оддржлив систем се

користат тродимензионални принципи [6]. Во тродимензионалните принципи спаѓаат:

принципите на околината, еколошките и економските принципи (слика 1.4).

Принципи на околината – претставуваат обновливите ресурси, минимизирање на

искоритуваните ресурси, редуцирање на изворите, рециклирање, повторно користење,

поправка, регенерација, опоравување, повторна преработка, прочистување и деградација.

Обновливите ресурси се оние достапни ресурси кои континуирано се обновуваат и не

снабдуваат со енергија и материјали на различни начини. Тоа незначи користење на фосилните

горива, туку енергетските ресурси како соларната енергија, енергијата од ветер, дрво, биомаса

и хидроелектричната енергија. Храната и хранењето исто така претставува обновлив ресурс,

самата по себе. Минимизирањето на ресурсите кои се користат ги опфаќа енергијата,

суровините и снабдувањето со вода како природни ресурси кои не се вечни. Овој принцип се

сваќа како конзервирање на природните извори. Редуцирањето на користењето на

материјалите и енергијата може да резултира со драматични заштеди. Редуцирањето на

изворите (дематеријализација) претставува редукција на изворите на отпадни материи од

специфични извори со редизајнирање на производите или на производствениот систем. Според

EPA дематеријализацијата претставува квантитативна редукција на волуменот на материјал и

енергија обично користен со цел да се задоволат барањата на корисникот. Додека Wernick et al.

[6] овој поим го поврзува со апсолутнo или релативнo редуцирање на количината од

материјалите кои се потребни за да се задоволат потребите во економијата и работите кои се

поврзани со околината.

Слика 1.4 Класификација на термините кои се однесуваат кон оддржливоста [6]

Рециклирањето е дефинирано како метод на поврат на материјалот во што е вклучено

собирање и третман на отпад за да се искористат како суровина за фабриките за исти или

слични производи. Повторното користење на материјата подразбира користење на отпадот

како суровина во различни процеси без претходна структурна промена на материјалот како тоа

што се прави при рециклирањето. Стратегијата на ЕУ за менаџирање со отпадот се наоѓа

помеѓу повратното користење и рециклирањето. Поправката претставува подобрување на

квалитетот со што би се продолжил рокот на траење. При тоа се намалува потрошувачката.

Регенерацијата е постапка на обнова на материјалот со што го враќа во првобитната форма за

користење во иста намена или различен процес. Опоравувањето е активност поврзана со

материјалите, енергијата и нивно искористување од отпадните струи. Повторното

преработување се дефинира како оддржлива повторна изградба или оспособување на работни

11

објекти да се доведат до повторно користење. Прочистувањето претставува отстранување на

непожелни механички честички, органски компоненти и други нечистотии. Тоа може да се

направи со механички, хемиски и биолошки третман. Доколку преработката започнува на

самиот излез од постројката, се нарекува end-of-pipe. Деградацијата се подразбира како

биолошка, хемиска или физичка постапка која резултира со загуба на продуктивниот

потенцијал.

Еколошки принципи – Најважни поими кои се поврзани со овој принцип се компетицијата,

предаторството, амензализмот, паразитизмот, неутрализмот, симбиозата (склоп од

комензализам, протокооперација и мутуализам). Тоа се односите помеѓу видовите во

природата со нивното меѓусебно влијание.

Економски принципи – ги опфаќа поимите како сметководство на околината, еко-ефикасност

(фактор Х, фактор 4 и фактор 10) и етичко инвестирање. Сметководството на околината

(enviromental accounting) претставува дизајн кој дава посебно внимание кон трошоците за

околината од страна на вработените во некоја корпорација кои се мотивирани да изнајдат

начини да се редуцираат или избегнат ваквите трошоци, при што во исто време се подобрува

квалитетот на околината и профитабилноста на организацијата. Тоа сметководство може да

биде на различни нивоа и тоа на национално, регионално ниво или на ниво на корпорација. Еко

ефикасноста претставува производство на добра со примамливи цени и сервиси кои ги

задоволуваат човековите потреби со што го подобруваат квалитетот на животот, и при тоа

прогресивно се редуцираат еколошките влијанија и интензитетот на ресурсите низ нивниот

животен циклус, до ниво на најмалку во линија со земјините проценети капацитети на обнова.

Според Robert et al. [6], факторот Х е директен начин за метричко искористување во различни

активности кои можат да ја редуцираат употребата на ресурсите и енергијата во даден процес.

Тоа е корисен фактор за мониторинг на активностите за намалување на користењето на

материјата и енергијата во индустријата и социјалните процеси. Факторот Х предлага Х пати

поефикасно искористување на енергијата, водата и материјалите во иднината споредено со

денешното време. Факторот 4 се однесува на четирикратно зголемување на производството на

ресурси, додека факторот 10 – десеткратно зголемување на продуктивноста. Тоа се фактори

ориентирани кон социјалниот аспект и околината. При тоа се лоцираат помеѓу овие две

димензии. Етичките инвестиции или инвестиции кои се опшествено одговорни се финансиски

инструменти (хипотеки, банкарски сметки, инвестиции, сервиси и пензии) кои ги фаворизираат

одговорната практика на корпорациите кон околината како и зголемувањето на сигурноста и

квалитетот на производите. Овде можат да се споменат и социјалните принципи како

опшествена одговорност, дополнителни даноци за загадувачите и известување на акционерите.

Овие принципи се однесуваат на сигурноста, почитувањето, слободата, еднаквиот човеков

развој, допринос кон околината и човештвото. Практично е применет принципот на

дополнителни давачки кон оние кои ја загадуваат околината.

Постојат повеќе тактики за да се постигнат целите. Тоа се тактики за околината и економски

тактики. Тактиките кон околината се:

Контрола на загадувањето – се дизајнирани системи кои уште пред загадувачот да излезе во

околината и да влијае врз неа, го намалува или елиминира.

Чисто производство – се однесува на зголемување на продуктивноста на материјалите,

подобра енергетска ефикасност, подобрување на менаџирањето со протокот на материјал,

воведување на превентивни тактики за заштита на околината и усогласување со законите.

Практично тоа е систематски организиран пристап кон производствените активности кои

имаат позитивен ефект кон околината.

Еко дизајн – подразбира развој на процеси во целиот животен циклус на производот и води

сметка за околината, при што производот во целокупниот свој животен циклус има минимално

влијание врз животната средина.

12

Зелена хемија –позната е и како прифатлива хемија, која го прикажува концептот на чадор т.е.

растe со времето откако се појавува. Зелената хемија е дизајн на хемиските производи и

процеси кои го елиминираат или редуцираат користењето и генерирањето на опасни

супстанции.

Животен циклус – (LCA – life cycle assessment) ги претставува сите етапи на животот на

производот, неговото влијание врз околината, преработката, процесите и донесувањето на

одлуки за него (слика 1.5). Според Paul Anastas [7], тоа е моќна алатка во индустриската

екологија за да се разбере и карактеризира рангот на постројката како влијае врз околината,

заедно со производот и процесот.

Слика 1.5 Елементи на животниот циклус

Минимизирање на отпадот – Според ЕРА, претставуваат техники кои ја редуцираат

количината на создавање отпад за време на индустриските производствени процеси.

Нула отпад – се смета дизајн на 21-от

век. Вклучува рециклирање, но оди и понатаму од

рециклирањето создавајки холистички пристап кон огромниот проток на ресурси и отпадни

материи низ човековото опшество.

Економскиот и социалниот пристап се дефинира со “легализација на околината” како збир на

закони, регулативи, директиви и слично кои влијаат врз околината и врз жителите на земјата

или унијата. Исто така тука спаѓа и “волонтерските договори за околината”, што подразбира

договори помеѓу корпорациите, владата и/или непрофитниот сектор, но без барање на

регулативите. Менаџментот на снабдувачкиот синџир е исто дел во ова и се дефинира како

процес на планирање, имплементација и контрола на операциите на набавка со цел

задоволување на барањата на купувачите.

Подсистемите како делови од комплексните системи содржат различни приближувања

поврзани помеѓу себе. Тие прикажуваат стратегии за интегрално конзервирање на околината.

Подсистемот на околината се состои од следниве стратегии: инжеренерство на околината,

интегрирана превенција од загадување и негова контрола, индустриска екологија, како и

заштитата од загадување. Економските и социолошките стратегии се состојат од стратегии за

менаџмент на околината (EMS – enviromental management strategies) во кои спаѓа и ISO 14000,

еко-менаџментот со шема за аудит и стратегија систем сервис на производот.

Прифатлив систем – претставува највисоко ниво на активности потребни со цел да се направи

прогрес на одржливиот развој. Овој термин се совпаѓа со одговорна грижа, прифатлива

потрошувачка и прифатлива продукција. Одговорната грижа претставува глобален

волонтерски систем на водење во хемиската индустрија, кој создава сигурно менаџирање на

хемиските производи и процеси. Оддржливата продукција претставува создавање на добра со

користење на процеси и системи кои не загадуваат, ја конзервираат енергијата и природните

извори во економски изводлив систем, како и работење со сигурност и здравје на вработените,

13

заедниците, конзументите кои се социјално и креативно згрижени за краток или долг период.

Одржливата потрошувачка се однесува на пронаоѓање на работни решенија за социјалните

нерамнотежи и нерамнотежите во околината со поголема одговорност од секого. Политиката

за оддржливоста е сет од идеи или план за тоа што да се направи во конкретна ситуација, а

официјално се одобрени од група на луѓе, бизнис организации, влади или политички партии.

Тоа е важно на сите нивоа од институционално до државно ниво.

Сето ова е поткрепено со оддржлив развој. Тој може да се прикажи како процес или еволуција.

Се смета дека најдобра дефиниција дала Brundtland`s Commission [6], при што оддржливиот

развој е развој кој ги пресретнува потребите на сегашноста без да се споредат со способноста

на идните генерации да се сретнат со своите сопствени потреби.

Пријателски технологии кон околината – На сликата 1.5 се прикажани технологии кои се

чисти кон околината [8,4]. Такво е користењето на катализата, развојот на нови видови

поефикасни реактори - ултрасонични и микробранови реактори, интензивното користење на

биомасата во разните видови производство, како и развој на методологии за заштеда на

енергијата и суровините.

Слика. 1.6 Базен од главните чисти технологии

Се смета дека основата на оддржливиот развој е развојот на индустријата и економијата без

оштетување на земјиниот еко-систем [9]. Покрај користењето на регулативи кои се на снага во

ЕУ, важни се економските инструменти, односно плаќање на соодветни такси. Пример за такси

кои се наплаќаат се дадени во Табела 1.1.

Табела 1.1. Пример за политика кон грешките кои се јавуваат во работата на пазарите [9]

Проблеми на

пазарот Tакси

Трговска

шема

Такси

кредити/

трошоци за

јавноста

Доброволни

договори Регулативи

Надворешни

негативни

последици

-За климата

-Земјишна

такса

-За ефект на

горивото

-емисии

-трговска шема

-земјишни

ограничувања

Намалено ДДВ

на инсталации

за греење и

ладење

реализирани

од грантови

-Пестициди

- CO2 од

издувните

гасови

Интегрирана

заштита од

загадување

Квалитет на

водата

Јавни добра

Такси за

чистење на

контаминирано

земјиште

Заштита на

жителите и

видовите

Погрешно

информирање

Различни

стапки на

користењето

на горивата

Директиви за

влијанието врз

околината

Во 2006 година Европската агенција за околина направила студија за регионите на источна

Европа, Кавказ и централна Азија и таа е базирана на истражувања во повеќе области и тоа:

14

индустрија, транспорт, градби, отпад и храна [10]. Земјите од југо источна Европа се

зачленуваат во организации кои имаат за цел да го намалат влијанието на општеството врз

околината. Кон тоа се стремат и земјите од овој регион. Во секоја од нив постои делумен развој

во различните гранки од општеството кои влијаат врз зачувувањето на околината и

максимално искористување на материите и енергијата. Во секоја од нив зависно на

геогравската поставеност се јавуваат одредени проблеми и недостатоци во имплементација на

овие цели, но сите земји настојуваат да го фатат модерниот тек во оддржливиот развој.

15

2. Методи на процесна интеграција

Први практични иновативни движења во заштедата на енергијата биле направени со цел да се

редуцираат работните трошоци во индустријата со што би се произвеле поевтини производи.

Тие развојни движења довеле до создавањето на новата инженерска наука, наречена процесна

интеграција (PI) на индустриските системи. Процесната интеграција користи различни методи

за интеграција на енергетските струи во конкретен производствен систем. Некои од нив се

докажале како добри методи за заштеда на енергијата, но некои не доволно добри во однос на

останатите.

Досегашните истражувања во областа на процесното инженерство довело до пробив на

процесната интеграција. Постојат повеќе дефиниции за тоа што претставува процесната

интеграција. Дефиниција која ја определува процесната интеграција би можела да биде

следнава: “Процесната интеграција е холистичко приближување до проектирањето и

оперативноста на процесот како една целина”. Рашковић дава друга дефиниција за PI која

претставува “проектирање, оперативност и раководење на индустриските процеси со

системски ориентирани интеграциони методи, модели и алатки” [11]. Исто така IEA

(International Energy Agency) во 1993 ја дефинира процесната интеграција како: “систематски и

општ метод за проектирање на интегрирани производни системи, рангирани од индивидуални

процеси до разгледување на целосниот систем, со специјален нагласок на поефикасно

искористување на енергијата и намалување на влијанието врз околината” [12]. Други

дефиниции за процесната интеграција кои можат да се сретнат во литературата од оваа област

се следниве: “Тоа се такви методологии кои создаваат математички, термодинамски и

економски модели, методи и техники. Примери на вакви методи вклучуваат: вештачка

интелигенција (AI - artifical inteligence), хиерархиска анализа, пинч анализа и математичко

програмирање” како и “Процесната интеграција одговара за оптимален дизајн, како: капитални

инвестиции, енергетска ефикасност, емисии, оперативност, флексибилност, контролабилност,

сигурност и високи приноси. Процесната интеграција исто така одговара на некои аспекти на

работењето и потврдување на профитирањето” [13]. Процесната интеграција се состои од два

главни делови, и тоа идентификација на целите на перформансите за целиот систем и

претставување на ефектите на целосно интегрираниот систем од вкупните ефекти на

поединечното интегрирање на единиците и струите. Процесната интеграција дава одличен тест

на процесните перформанси, определување на лимитирачките проблеми на системските

перформанси, идентификација на можностите, методолшко создавање на ефикасни стратегии

со кои би се дошло до пожелните перформанси на кои се цели и пронаоѓање на нови подобри

решенија.

Процесната интеграција е дел од инженерството на процесните системи. Инженерството на

процесните системи (PSE - Process system engineering) е инженерство кое се применува во

процесните системи и е поделен на интеграција на процесот со синтеза, анализа на циклуси

(LCA – Life Cycle Analysis) и интегрирано проектирање на процесот (IPD – Integrated Process

Design). Интеграцијата и синтезата на процесот кореспондираат со просторот на системот,

анализата на циклусите со временскиот распоред, додека интегрираниот дизајн кореспондира

со научните дисциплини и софтвер кои се користат за решавање на конкретниот проблем.

Инженерството на процесните системи е дел од инженерството на системите или

кибернетиката (SE - System Engineering).

Главни цели на процесната интеграција се намалувањето на трошоците за суровини,

намалувањето на потребната енергија, зголемување на флексибилноста на процесот,

16

намалување на потребните залихи, зголемување на процесната безбедност, како и зголемување

на вниманието врз квалитетот и подобрите перформанси на системот кон околината. Главни

предмети на процесната интеграција се процесната иновативност, профитабилноста на

работењето, обезбедување добри приноси, зголемување на односот на капиталот со

продуктивноста, контрола на квалитетот, осигурување, заштеда на ресурсите, заштита од

загадување, безбедност и решавање на тесните грла во процесот. Процесната интеграција ја

поврзува хемиската технологија со машинското инженерство во универзитетите и институтите

ширум светот.

Конвенционалните решенија на дадените предмети на работа со процесната интеграција,

секогаш користат дискусии и решенија преку сценарија, прилагодување на постоечки решенија

кон слични постројки, или хеуристички решенија кои се групирани по категории на

проектирани решенија откриени преку искористување на искуството. Најчест начин на

решавање на проблемите е хеуристичкиот. Меѓутоа, кај ваквиот пристап постојат повеќе

ограничувања. Такви ограничувања се ограничениот број на можности добиени преку

дискусиите, не се гарантира оптимално решение (секое решение не може да биде добро,

секогаш постои подобро), потребни се многу пари и време за поголем број на решенија,

добиените решенија во повеќето случаи се применливи само на конкретната постројка, како и

ограничувањето на проектирањето и новите идеи.

2.1. Принципи на интегртацијата на процесните системи

Интеграцијата на процесите започнала како дел од инженерството на процесните системи во

осумдесеттите години од минатиот век. Најпрво била користена за развој на методи за

интеграција на енергетските струи во процесот, но денес се додадени и други методи како што

е масената интеграција на масените струи разгледувани за дадениот процес. Таа се базира на

три основни концепти [14]:

Разгледување на целокупниот производствен процес како интегриран систем од процесни

единици, процесни, сервисни и отпадни струи

Користење на инженерските принципи за системите кои се базирани на законите на

термодинамиката, масените и енергетските биланси, минималното користење на сервисните

медиуми, минимална емисија на гасови и минимална потреба на свежа вода

Финализирање на проектирањето на процесот во детали и репроектирање на постоечкиот

процес (ретрофит)

Процесната интеграција има повеќе примени во индустријата како што се [15]:

Планирање, проектирање и експлоатација на термо процесните системи

Краткорочно и долгорочно планирање

Зголемување на ефикасното искористување на енергијата и материјалите, како и ефикасно

производство

Развој на континуираните, полу-континуираните и шаржните процеси

Во трансформациите во хемиската технологија – реакции, сепарирање и топлинска размена

Интегрирање на масените и топлинските струи во процесот

Интегрирање на индустриските постројки со системите за ладење и греење или со

постројките за производство на енергија во различни видови

Искористување на водата и минимизирање на количините отпадни води

Минимизирање на испарливите органски компоненти и различни аспекти на редуцирање на

емисиите во атмосферата

Оперативност

Определување и корекција на тесните грла

Процесната интеграција е поделена на пинч технологија и математичка оптимизација. Како

што е прикажано на слика 2.1, пинч технологијата се состои од топлинска и масена пинч

17

технологија. Масената пинч технологија од друга страна ги содржи во себе си водената пинч

технологија, водородната пинч технологија (оптимизација на процесите на производство и

процесите во кои се користи водородот) како и други слични дисциплини.

Слика 2.1 Алатки со кои процесната интеграција се користи при решавањето на проблемите од

интеграција на системите

Процесната интеграција ги определува минималните потреби на енергија (MER - Minimum

Energy Requirements) во системот. Под тоа се подразбира минималната количина на енергија

која му е потребна на системот и минималната енергија која системот треба да ја размени со

околината. Како резултат на тоа е проектирањето на мрежа од топлински разменувачи (HEN -

heat exchanger network) и определување на местото на секој топлински разменувач во мрежата.

Минимизирањето на бројот од топлински разменувачи, оптимизацијата на површината на

топлинска размена, определувањето на количината од сервисни медиуми потребни за мрежата

од топлински разменувачи се дел од топлинската процесна интеграција. Оптимизирањето на

мрежата од топлински разменувачи се прави со користење на работните трошоци,

инвестиционите трошоци и вкупните трошоци за различни вредности за минималните

движечки сили.

Пред да се направи ново проектирање или ретрофит проектирање, мора да се направи анализа

на системот. “Истражувањето на структурата и елементите , нивните врски и начини на

функционирање претставува системска анализа” - тоа е една од дефинициите за анализа на

системите [16]. Доколку е потребно да се изврши некоја негова трансформација со цел подобра

ефикасност на системот, зголемување на квалитетот и квантитетот на произведениот производ,

потребно е да се направи синтеза на нов систем. Анализата на системот би ги открила сите

недостатоци на анализираните параметри. Со користење на анализираните параметри, можно е

да се оптимизира системот со избор на најдоброто решение. Новото решение би содржело

ретрофит проектирање на постоечкиот систем или создавање на нов систем.

Постојат повеќе модуси на хеуристичка анализа по нивоа и тие се [17]:

Хиерархиско ниво на елементарен процес – Ова ниво содржи елементарни хемиски

реакции, индивидуален трансфер на топлина и маса, термодинамски процеси, сите тие

определени со временски и просторни биланси. Физико – хемиските ефекти како резултат

на елементарните процеси се наречени движечки сили или феномени.

Ниво на елементарен волумен – (микро процес) – Тоа се сите процеси кои се одвиваат во

определен волумен или имагинарно ограничен простор. Таков волумен би можеле да

претставуваат честичките, гасни меурчиња, или концентрациски и топлински градиент за

процесите на пренос на маса и топлина.

18

Подпроцеси – Ова ниво претставуваат процесни единици како група од елементарни

процеси. Тоа би можело да бидат делови од колони или слој на катализатор во реактор. Тоа

се делови од опремата каде се одвиваат процесите на размена на маса и топлина.

Процесна единица – Ова ниво поврзува повеќе подпроцеси во процесна единица. Тоа

претставува опремата за конкретниот процес.

Процесна група – е група на функционално поврзани процесни единици со цел да создадат

некој технолошки процес.

Ниво на процес – се функционално поврзани процесни групи со цел производство на некој

производ или полупроизвод.

Производна постројка (фабрика) – претставуваат повеќе процеси преставени како вектори

кои започнуваат со влезови на сите системи и краен излез на конкретен производ.

Највисоко ниво претставува поврзаноста на повеќе слични производствени постројки во

еден производствен систем.

Процедурите за проектирање на модел би можеле да се претстават со следниве чекори:

1. Определување на слабите и цврстите меѓусебни интеракции на елементите од подсистемите

2. Определување на основните елементи и процеси за секое хиерархиско ниво

3. Определување на најважните параметри кои имаат најголемо влијание врз конкретното

хиерархиско ниво

4. Процесно моделирање (хипотетичко мислење и негово испитување како кореспондира со

реалниот систем)

5. Селектирање на параметрите кои квантитативно го детерминираат системот на

определеното ниво

6. Планирање, физибилити и прогнозирање на методите за определување на вредностите на

користените параметри

7. Определување на функционалната зависност помеѓу елементите во самото хиерархиско

ниво, како и помеѓу различните нивоа

8. Подготовка на модел за системот како експериментален или математички модел со

користење на софтверски решенија за испитување и симулација на системот

9. Истражување на нови моќни решенија добри за развој на системските единици и нивна

интеракција

10. Испитување на најважните карактеристики кои го детерминираат системот

Процедурите на создавање математички опис на системот со дефинирани врски помеѓу

параметрите [17] се нарекува математичко моделирање. Основните процедури за креирање на

математичкиот модел се: правење експерименти поврзани со системот, користење на

соодветни методи и техники за прифаќање и зачувување на податоците, задоволувачки опсег

на вредностите на параметрите, претставување на фундаменталните процеси со задоволувачки

отстапувања, подобни математички методи и алатки.

Сите добиени експериментални податоци се решаваат со линеарна или нелинеарна регресија

(фитување на податоците). Помали девијации на функцијата претставува подобар математички

модел за разгледуваниот систем. Избраниот математички модел понатаму се користи за

оптимизација користејки претходно дадени ограничувања. Доколку ограничувањата се

линеарни, тогаш станува збор за линеарно програмирање (LP). Обратно, доколку

ограничувањата се од нелинеарна природа, тогаш тоа претставува нелинеарно програмирање

(NLP). Постојат повеќе градиентни оптимизациони методи како: алгоритам на градиент од прв

степен (брз прогресивен метод) и алгоритам на градиент од втор степен (Њутнов

оптимизационен метод, Levenberg – Marquardt метод, квази-Њутнов метод и др.). Исто така

постои и методот на мрежно скенирање како неградиентен метод. Стохастичките методи се

базирани на Дарвиновата теорија на добри решенија, развиена со репродукција и мутација –

генетски алгоритам [18,19,12].

19

Процесот на проектирање има свои сопствени чекори по важност. Прв чекор е проектирање на

реакторот, потоа делот со задача за сепарација и рециклирање, следува топлинската

интеграција и на крај проектирање на систем за сервисни медиуми. Тоа е претставено со

диаграм – модел на кромид (onion diagram) на сликата 2.2, каде центарот е со примарна

важност, додека периферијата со секундарна важност. Правецот на проектирање кај ретрофит

проектирањето е со обратен ред на приоритет [20].

Табела.2.1 Информации потребни за поврзување на елементите од системот

Временска

зависност Просторна зависност Зависност од протокот

Квази – стационарно Игнорирање на координатите Просечен проток

Рамнотежа Игнорирање на просторниот градиент Користење на дистрибутивни

функции

Hереверзибилност Користење на ефективни коефициенти на

пренос Поврзаност на струите

Игнорирање на фазите (квази хомогеност)

Идеализација на процесот

Слика.2.2 Модел на кромид за проектирање на постројки во хемиската технологија

Gundersen (2001) дава листа на методи кои се дел од процесната интеграција. Тоа се следниве

[13]:

Методи за таргетирање, проектирање и оптимизација на различни делови од процесот

Балансираност помеѓу конверзијата во реакторот, рециклирачкиот круг и чистењето

Оптимална работа на реакторот во целокупната енергетска слика

Проектирање на мрежи од реактори (CSTR и PFR)

Проектирање на сепарациони системи (вклучувајки топлинска интеграција и

секвенционирање)

Проектирање на мрежи од топлински разменувачи

20

Проектирање на системи за сервисни струи (загревање, ладење, системи за струја,

вклучувајки топлински пумпи, топлински мотори и когенерација)

Проектирање на мрежа од масени разменувачи

Генерално минимизирање на отпадот, посебно на отпадните води

Проектирање на процеси со редуцирани емисии

Проектирање, распоред и планирање на шаржните постројки

Проектирање за оператибилност (флексибилност, контролабилност, покретливост и

сигурност)

Проектирање за лесна оддржливост (екобалансирање и сл.)

Постојат неколку чекори за математичко формулирање на оптимизациониот модел [15]. Тие се:

Определување на предметната функција (определување на потребниот квантитет за

оптимизизирање, идентификација на одлучувачките варијабли кои ја определуваат

функцијата, опишување на математичката функционална зависност на одлучувачките

варијабли (нивна оптимизација).

Развој на план за решавање (определување на директното приближување кон функцијата,

определување на клучниот концепт и приближување кон работната формулација)

Развој на ограничувања (трансформација на приближувањата во математички рамки, развој

на простор за алтернативни решенија, идентификација на сите експлицитни решенија,

рестрикции и ограничувања кои се потребни за опис на проблемот и негово математичко

претставување како равенства или неравенства.

Докажување на формулацијата (избегнувајки високи нелинеарни ограничувања или

термини кои водат до отежнување за добивање на крајното решение, користејки

проникливост за упростување на формулацијата или обезбедување на корисни

ограничувања на варијаблите, трансформирајки го моделот да биде поразбирлив, и да

разоткрие важни информации)

2.3 Основни термодинамски принципи кои се користат во процесната интеграција

Принципите на топлинската процесна интеграција се базираат на термодинамиката.

Термодинамиката е наука за енергијата. Таа содржи два закони на термодинамиката кои се

однесуваат на зачувување и промена на секаков вид енергија [21].

Првиот закон на термодинамиката гласи: “ Енергијата не може ниту да се создаде, ниту да се

уништи, туку таа само го менува својот вид”. “Вкупната промена (опаѓањето или

зголемувањето) на целокупната енергија на некој систем за време на одвивање на процесот е

еднаква на разликата помеѓу целокупната влезна и целокупната излезна енергија од системот”

[22]. Овој закон е опишан со равенката 2.1.

влез излез влез излезQ Q Q G Cp t G Cp t G Cp t (2.1)

Вториот закон на термодинамиката е претставен со ентропијата на изолиран систем за време на

одвивањето на процесите, кога таа или се зголемува или во случај на реверзибилен процес

останува константна. Вториот закон на термодинамиката е даден со равенката: Q Tds . Исто

така овој закон укажува на тоа дека преносот на топлината може да се одвива од место со

повисока температура кон место со пониска температура [22].

Секој термодинамички процес е определен со температурата (Т), притисокот (Р) и волуменот

(V). Со промена на било кој од овие параметри, процесите можат да бидат дефинирани како

изотермни (T=const.), изобарни (P=const.), изохорни (V=const.) и адијабатски во кој процес

размената на топлината со околината е нула, но можна е промена на енергијата при нејзина

претворба од топлинска во механичка.

21

Сите овие параметри се дел од равенката на состојба 2.2. Равенката на состојба ја определува

состојбата на материјата. Прва равенка за состојба која е определена претставува павенката за

идеален гас. Користејки специфични константи за конкретни компоненти, равенката за идеален

гас се трансформира во равенка на состојба за конкретните компоненти, со што се приближува

до реалната состојба на материјата во природата. Таквите равенки на состојба се користат за

компјутерска симулација на карактеристиките на определените компоненти во некој систем

или реакција. Некои од тие равенки на состојба се: Van der Waals-ова равенка, Beattie-

Bridgeman-ова равенка, Benedict-Webb-Rubin –ова равенка, Viral равенка, и други [23]. Со

користење на Гибсовата енергија на формирање како функција од Т,Р и составот на материјата,

развиени се равенките на состојба како што се NRTL (Non-Random-Two-Liquid) 2.3, UNIQUAC

(UNIversal QUAsi Chemical), UNIFAC (developed UNIQUAC – Functional-group Activity

Coefficients) и други.

1 1

1

p Vp VR

T T

(2.2)

21 21 12 12

1 2 1 2 21 2 1 12

E G GG

x x RT x x G x x G

(2.3)

Равенката 2.3 ја претставува NRTL равенката на состојба на бинарен систем. Параметрите

1 2, ,x x ја определуваат состојбата на компонентите каде G претставува Гибсовата енергија на

формирање.

Топлината е дефинирана како форма на енергија која се разменува помеѓу два системи (или

системот и неговото опкружување) со помош на температурната разлика. Термичката

енергијата која е содржана во некое тело претставува топлина на телото. Топлинскиот проток

претставува преносот на топлината. Размената на топлина е резултат на температурната

разлика со цел да се доведе системот во температурна рамнотежа. Преносот на топлината може

да се направи преку кондукција (пренос на топлина од честички со повисока енергија кон

честички со пониска енергија), конвекција (пренос помеѓу цврста површина и флуид во

движење) и радијација (зрачење – емисија на електро – магнетни бранови или фотони).

Уделот на преносот на топлина со конвекција е определен со Newton-овиот закон за ладење

( )s fQ h A T T . h претставува коефициент на конвективен преод на топлина, додека А е

површината на размена. Преносот на топлина со кондукција е определен со Fourier-овиот закон

(степенот на пренос на топлина низ било која рамнина нормално на х оската, Qx е

пропорционална на површината на ѕидот А и температурниот градиент во насока на х, т.е.

/dT dx ) и е даден со равенката /xQ k A dT dx [24].

Топлински и масени биланси – Разликата помеѓу вкупните влезни количини на маса и

вкупните излезни количини на маса е еднаква на вкупната акумулирана маса во

разгледуваниот систем. 2.4. Истото важи и за топлинските биланси – разликата на вкупната

влезена топлина и вкупната излезена топлина е еднаква на вкупната акумулирана топлина во

системот 2.5 [25,26].

1 1

n m

i inlet j exiti j

dG dVG G

d d

(2.4)

1 1

n m

i inlet j exiti j

dQQ Q

d

(2.5)

G претставува маса на флуидот, додека Q е топлинската енергија содржана во флуидот за

разгледуваниот систем.

22

2.4 Преглед на методите во процесната интеграција

Методите за процесна интеграција се поделени во повеќе различни групи и тоа: алгоритми и

хеуристички методи, квалитативни и квантитативни, симултани и секвенцијални, автоматски и

интерактивни, како и аналитички процедури, проектирање и оптимизација. Постојат и

специфични групи на методи за процесна интеграција и тоа: термодинамски (пинч технологија,

ексергиска анализа), хеуристички методи (хиерархиска анализа, хеуристички системи),

оптимизациони методи (детерминистички и стохастички методи). Во продолжение се дадени

неколку методи базирани на термодинамиката.

Пинч технологија – тоа е метода кој ги содржи следниве чекори: анализа (цел на проектот –

идентификација на процесните струи, определување на минималниот број топлински

разменувачи, минимална површина на размена и минимум потреба од сервисни медиуми),

синтеза (проектирање на мрежа од топлински разменувачи со минимум потреба од сервисни

медиуми) и ретрофит (репроектирање – модифицирање на постоечкиот процес со цел да се

зголеми топлинската размена и да се намали потребата од сервисни медиуми) [14]. Со

користње на првиот и дел од вториот закон на термодинамиката се определува максималниот

поврат на енергија во процесот. Оваа метода детално ќе биде разравотенa во наредната глава.

Ексергиската анализа – е базирана на вториот закон на термодинамиката. Таа ги определува

загубите на енергијата поради промена на ексергиската вредност на флуидите. Ексергиската

вредност на флуидите ја претставува целокупната енергија која ја поседува тој флуид во дадена

точка во процесот. Таа енергија се менува со размената на топлината и претворањето на било

кој вид на енергија во некој друг вид (механичка, топлинска и слично). Промената на

ексергиската вредност дава целосна слика на промената на содржина на енергија во флуидот со

сите нејзини загуби во околината и потребата од нивно надополнување. За разлика од тоа, пинч

технологијата не ги зема целосно загубите на енергија. Постојат дополнувања на пинч

технологијата во кои се воведува падот на притисокот на флуидот како загуба поради

должината на водовите и потребата од дополнителна погонска сила со додавање на пумпи во

процесниот систем.

2.4.1. Преглед на методите блиски на пинч технологијата

Метода на двојно приближување на температурите [19] - (DATM - Dual approach temperature

method) – Challand (1981) и подоцна Colbert (1982) [19] го користат концептот на двојно

приближување на температурите. Оваа метода е користена за проектирање на мрежи од

разменувачи, но специфично е дека има фиксна заштеда на енергија. Тоа практично се

подразбира проектирање на мрежи од разменувачи со фиксно определена количина на

енергија која се заштедува. Познати се како FER (fixed energy recovery) мрежи. Методите

базирани на DATM го олеснуваат проектирањето на HEN, го редуцираат раздвојувањето на

струите, со проектираниот HEN се постигнува подобра можност за работење и контрола на

процесот. Псевдо – пинч методата, методата на флексибилен пинч проектирање и методата на

проектирање со принцип на компензација се базирани на DATM со определување на HRAT

(Heat recovery approach temperature) и EMAT (Exchanger Minimum Approach Temperature).

Топлинска заштеда со температурно приближување HRAT ја ограничува количината на

процесната топлина која се заштедува од системот. Вредноста на HRAT претставува

минимална температурна разлика помеѓу композитните криви кои ја определуваат

минималната потреба од сервисен медиум. Минималното температурно приближување во

топлинските разменувачи (EMAT - exchanger minimum approach temperature) се определува со

минималната граница на температурната разлика помеѓу топлите и ладните струи во сите

топлински разменувачи во системот со цел проектирање на разменувачи со разумн и големини.

Пониската вредност на EMAT значи опаѓање на бројот на единици за размена и поголема

комплексност, како и зголемување на бројот на омотачите.

23

Псевдо – пинч методата за проектирање - (PPDM - Pseudo – pinch design method) [19] – псевдо -

пинч точката е определена со влезните температури на топлите и ладните струи, како и од

вредноста на EMAT. Grimes [19] заклучил дека пинч точката во било која мрежа лежи на

местото на влезовите на топлите и ладните струи. Тоа се користи за оваа метода, но останатите

принципи се слични со методата на пинч проектирање. Разликата помеѓу двата методи е

физибилити критериумот – критериум на број и G Cp критериум, кои не се ригорозно

применливи во псеудо пинчот. Со тоа се добива поголема слобода во селекцијата.

Раздвојувањето на струите не е неопходност кај оваа метода.

Метода на флексибилен пинч проектирање (FPDM- Flexible pinch design method) [19] –

претставува варијација од PPDM. Тој е објаснет од Suaysompol и Wood во 1991 [19]. Оваа

метода ги елиминира потребите од различни хеуристички начини за распределба на HRAT и

EMAT разлики. Вредноста на HRAT во овој метод не е идентичен на тој во пинч проектирање

методата.

Метода на принцип на компензација – е предложена од Jezowski (1991) [19] и е најблиска до

FPDM. Главниот концепт е тоа што размената на топлина низ пинч точката не ја зголемува

потребата од сервисни медиуми повеќе од минималните потреби и тоа во случај кога вкупната

топлина пренесена низ пинч точката во едент правец се компензира со иста толкава количина

од спротивниот правец.

Други методи кои можат да се користат за проектирање на HEN се: алгоритам за брзо

определување, метод на користење дијаграм на топлински разменувачи и други.

2.4.2. Специјални случаи и шаржна пинч технологија

Процесната интеграција во себе ги вклучува системите за сепарација како дестилационите

колони, испарувачи, сушари и фазни раздвојувачи, исто така и реакторите. Секој влез и излез

од тие системи може да биде интегриран со пинч технологијата. Користењето на пинч

технологијата допринесува за оптимизација на реакторите или сепарационите системи. Тука се

подразбира брзината на реакцијата, состав на струите и нивните физички карактеристики.

Големата композитна крива на процесот во реакторот како и во дестилационата колона е многу

важна и за нејзина конструкција постојат повеќе претпоставки како [28]:

Ребојлерот и кондензаторот имаат константни температури

Ребојлерот и кондензаторот примаат константни количини топлина

Во системот има само една дестилациона колона

Сите догревања или ладења се прават преку ребојлерот и кондензаторот

Секоја процесна опрема може да се смета за потенцијално место за да се вклучи пинч

технологијата. Ian Kemp (2005) предлага можни дејствија за намалување на потрошувачката на

енергија кај сушарите [28]. Тој предлага намалување на потребата од енергија за сушарите со

користење на следниве постапки [29]:

Намалување на неминовната потреба од енергија за сушење (би се постигнало со

претходните постапки на издвојување на водата од материјалот за сушење пред да влезе во

сушарата)

Зголемување на ефикасноста на сушарата со намалување на губитоците на топлина,

вкупниот проток на воздух и времето на шаржите.

Заштеда на топлина помеѓу топлите и ладните струи во системот за сушење

Размена на топлина на сушарата со процесот кој ја опкружува

Користење на поевтини извори за топлина за задоволување на потребната енергија

Комбинирана топлина и електрична енергија - когенерација на ел. Струја за време на

снабдување со потребната топлинска енергија за сушарата

24

Користење на топлински пумпи за заштеда на отпадната топлина која може да ги надополни

потребите за загревање во сушарата

Последните три методи го намалуваат чинењето на сервисните медиуми или на примарните

потреби за топлина. Пинч технологијата може да ги искористи излезните топли гасови и

другите струи за да се поврзат со потребите на сушарата.

Разработени се и развиени повеќе методи на шаржна пинч технологија за топлинска

интеграција. Такви се складирањето на топлина, креирање на процесен распоред на појава на

топлинските струи, како и нивниот завршеток и други [29].

25

3. Пинч метода

Пинч технологијата е млада наука. Нејзините зачетоци во делот на процесната интеграција

датираат од 80-тите години на минатиот век. Hohmann (1971) е првиот научник кој ги

определил можностите за пресметка на потребите од сервисните медиуми со помош на

процесните струи [20]. Како место на кое првпат се појавила пинч технологијата се зема дека е

Универзитетот во Манчестер. Таму Bodo Linnhoff со неговиот професор John Flower во 1978

предложиле нов метод за проектирање на мрежи од топлински разменувачи. Главната идеа за

тоа е заштедата на енергијата во процесот и намалување на потребата од сервисни медиуми во

процесот [30]. Подоцна тимот предводен од Linnhoff и Hindmarsh како и Linnhoff со Townsend

(1983) издале трудови со опис на клучните техники во пинч технологијата [28]. Linnhoff во

1983 го надополнил пинч методот со додавање на конструкцијата на композитните криви

определени како функционална зависност на температурата со енталпијата како составен дел

од методата [14]. Подоцна дошло до потреба да оваа метода се прошири за веќе проектирани

постројки чие производство функционира. Таквата модификација е наречена ретрофит

проектирање на постројката. ICI постројката е модифицирана во 1983 со помош на ретрофит

проектирање со цел заштеда на енергијата. Во 1986 е развиен интуитивен метод за ретрофитно

испитување [19]. Во 1983 Papoulias и Grossmann [32] предложиле математички модел за

пресметка на минималните количини на сервисни медиуми. Тој модел го нарекле

TRANSSHIPMENT MODEL. Kemp во 1986 [33] предложил графичко прикажување на

испарувачи со мултипен ефект како графичка зависност на поместени температури со

енталписки флукс. Наредната година Trivedi et al. (1987) [19] предложиле “stepping-off” метод

кој врз основа на композитните криви се таргетира бројот на обвивки од топлински

разменувачи. Тој е сличен на McCabe Thiele-овиот дијаграм. Практичните придобивки од

развојот на пинч технологијата се увиделе во BASF – Ludwigshafen во Германија (1988), каде

комплетирале 150 проекти и добиле 25% заштеда на енергија, користејки ретрофит пинч

проектирање. Ciric и Floudas (1990) [33] предложиле MILP модел за ретрофит базиран врз

класификација на можни структурни промени. Истата година Smith и Jones (1990) [33] развиле

алгоритам за процесна интеграција на испарувачи со користење на дијаграмот на температура

– енталписки флукс предложен од Kemp. Пресметките вклучени во дотогшниот развој на пинч

технологијата не ги задоволиле целосно потребите за поегзактно проектирање на новите

системи. Поради тоа F. Stain и D. Favrat [34] во пресметките ги вклучуваат загубата на

енергијата преку топлинските разменувачи и цевките, како и падот на притисокот. Практично

ја воведуваат ексергијата во пинч технологијата. Со развојот на компјутерската технологија и

инженерските софтвери, сите пресметки поврзани со проектирањето се олеснуваат. Така

Linhhoff March го произведуваат првиот софтвер за дизајнирање на целите targeting при

користењето на пинч технологијата и е наречен SuperTarget [34].

Од страна на различни истражувачи се развиваат нови поинакви алгоритми за решавање на

проблемите од процесната интеграција. Chakraborty и Ghosh (1999) користат техника на

случаен избор за решавање на проблеми од процесната интеграција и проектирање на нови

HEN [36]. Се разработуваат специјални случаи и начинот на нивното решавање, како што

направиле Rama Lakshmanan и Eric Fraga [37]. Тие образложуваат како треба да се работи во

специјални случаи каде големата композитна крива е дисконтинуирана. Тие ја определуваат

локацијата на пинч-от и го минимизираат температурното приближување за таквите случаи.

Liebmann et al. [38] ја користи пинч технологијата за да ги минимизира потребите од сервисни

медиуми за дестилациони колони за сурова нафта. Тие проектирањеираат дестилациона колона

со процедура чекор по чекор. Проектираната колона со користење на пинч технологија

26

заштедува 20% сервисни медиуми во однос на колоните проектирани по конвенционални

методи.

Врз основа на топлинската процесна интеграција се развиваат пинч методи со кои се

оптимизираат материјалните струи со цел заштеда на суровини и намалување на емисиите на

отпадни материи од индустриските постројки. El-Halwagy ја користи топлинската пинч

технологија за развој на масена пинч технологија со цел намалување на загадувањето [30,38].

M. Ebrahim и El-Kawari [39] ги сумираат сите техники на пинч проектирање кои се развиле до

2000 година. Тие пишуваат дека заклучно со крајот на 20-тиот век се развиле следниве техники

на пинч проектирање: профилирање на дестилациони колони, ефект на пад на притисокот и

негова оптимизација, целосна интеграција на системите, минимизирање на водата и отпадните

води, интеграција на шаржните процеси, дизајн на целите на количината на емисии од

постројките и случаи на проектирање врз повеќе основи.

L. M. F. Lonna, F. A. N. Fernandez, M. C. Roque и S. Rodriguez [40] развиваат софтвер наречен

heat exchanger simulator (HES) наменет за проектирање на цевчести топлински разменувачи

како и за проектирање на HEN. Проектирањето на топлинските разменувачи се базира на

методите според Kern, Bell-Dellaware и Tinker, додека проектирањето на мрежи од топлински

разменувачи се базира на пинч технологијата.

Европската комисија за енергетика (European Commission for energy) во периодот од (1998 –

2001) го формира EXSYS (EXpert SYStem) [41] со цел да ја намали потребата на енергија за

индустријата користејки ја пинч технологијата. Се смета дека први реализирани проекти врз

основа на пинч технологијата се проектите на COWI [42]. COWI претставува данска

консултантска компанија (Danish Consultant Company), поддржана од данското министерство

за имплементација на топлинската процесна интеграција во Данска и Литванија.

Голем дел од процесите се шаржни и се доста тешки за процесно интегрирање на системот.

Поради тоа текот на развојот на пинч технологијата се насочил кон развојот на процесната

интеграција на шаржните процеси. Corominas и Font во 2003 [43] даваат метод за топлинска

интеграција во шаржните процеси. Тие користат т.н. S-графици. Тие се распоредени термини

на процесните струи со цел да се користи истата опрема за различни процеси во постројката.

Lavric во 2004 [44] ги користи реакторите за проектирање на мрежа од хемиски реактори CRN

(chemical reactor network). Притоа користи постапка за топлинска интеграција на хемиските

реактори CREI (chemical reactor energy integration) како алатка за хибридна оптимизација

заедно со пинч технологијата. CREI вклучува и виртуелни топлински разменувачи (VHE -

virtual heat exchanger) со цел реакторите да ги смести како дел од проектирањеот на HEN.

Nordmann и Berndson [45] определуваат топлински потенцијал кој може да се искористи врз

основа на поусовршени композитни криви. Dongwen YUAN et Al. (2006) предложуваат нов

метод за проектирање на повеќе струјни HEN со користење на ефективни температурни нивоа

познати како “псевдо температури” [46]. Псевдо температурите се дефинирани како збир на

очигледни температури на процесните струи и придонесот на вредноста од температурната

разлика на струите. Вредноста на температурната разлика на струите за топлите струи е

позитивна вредност, додека за ладните струи се додава знак минус. Ian C. Kemp [28] ја користи

пинч технологијата за топлинска процесна интеграција на сушарите. Со тоа сушарите ги прави

поекономични за користење. Pourali во 2005 [47] ја доусовршува постапката за топлинска

процесна интеграција за шаржните процеси. Дава нов концепт на табелата за пинч проблемот

која се користи за континуирани процеси, воведувајки ја за шаржни процеси. Salama (2006)

предлага директна нумеричка техника за дизајн на целите на определувањето оптимална

топлинска енергија за пинч анализата [48]. Таа се базира на геометриско приближување,

практично на хоризонталното поместување помеѓу ладната композитна крива и неподвижната

топла композитна крива.

27

Во меѓувреме се развива водената пинч технологија како дел на процесната интеграција со

пинч технологија. Наречена е воден пинч. Wang и Smith во 1994 [28] ја прошируваат пинч

технологијата за случаи на минимизирање на отпадните води. Alves (1999) и подоцна Hallale со

Liu (2001) [28] го користат водородниот пинч како техника за оптимизација во производството

на водород. Ling Tan, Zainuddin и Yee Foo [49] работат на минимизација на потребите од вода

во индустријата. Данска формира центар за менаџмент со индустриските води – CEVI. Тие ја

користат масената пинч технологија за минимизирање на потребите од вода во данската

индустрија.

Ankit Sighvi, K. P. Madhavan и Uday V. Shenoy [50] ја користат пинч технологијата за синтеза и

оптимизација на сосема поинакви системи. Тие работат на проектирање ланец на менаџирање

на набавки SCM (Supply Chain Management) наместо проектирање на HEN и MEN. Овде, тие

користат функционална зависност на времето (месеци) со количината на материјал за набавка.

Како резултат од користењето на овој метод е создавање на планови за набавка (сценарија) во

системот на ланци за набавка.

Подоцнежните научни работи во областа на процесната интеграција со користење на пинч

технологијата се фокусирани кон развој на адекватен софтвер за проектирање на HEN и MEN

во континуирани и дисконтинуирани процеси, како и процесна интеграција која се базира на

ексерго – економски основи [51,52].

3.1. Принципи на пинч проектирањето кои се користат за топлинска

процесна интеграција (Пинч анализа)

Друг начин за да се прикажи постапката на пинч технологијата е користењето на Рубиковата

коцка. Таа ги покажува сферите на делување на пинч технологијата која е фокусирана кон

проектирање на мрежи од топлински разменувачи со минимум потреба од енергија најчесто

како нов проект (grassroots design) слика 3.1.

Слика 3.1 Претставување на сферите на делување на топлинската пинч технологија со

помош на Рубикова коцка [28]

Оптимизацијата на потребната количина на енергија која треба да се доведе или одведе

започнува со анализа на системот. Тука се јавуваат два вида на инженерски проблеми и тоа од

областа на проектирање на единицата и проектирање на целокупниот систем [28]. Пинч

технологијата е една од алатките за решавање на проблемите во проектирањетo, посебно во

операциите на пренос на топлина и маса. Прв принцип на пинч анализата е определување на

28

тоа кои се топли и ладни струи, кои топли и ладни сервисни медиуми се на располагање, како

и физичките карактеристики на процесните и сервисните струи. За синтеза на мрежи од

топлински разменувачи потребно е да се познати следниве информации [19]:

Групите на сите топли струи кои е потребно да се ладат и сите ладни струи кои е

потребно да се загреваат

Влезните (Tвлезна или Tsupply) и излезните (Tцел или Ttarget) температури на сите струи

Масените протоци (G) на сите струи

Специфични топлини (Cp) и коефициенти на преод на топлина (h или HTC) на сите

струи со неговата функционална зависност од температурата

Дозволени или присутни падови на притисокот на струите (∆P)

Присутни сервисни медиуми (со нивните вредности за Tin, Tout, Cp, h, и цени на чинење)

Зависност на цената на чинење од површината за размена на топлина во топлинските

разменувачи со векот на траење на постројката и каматните стапки.

Пинч анализата се базира на неколку основни концепти откако се одредени основните

податоци на струите. Тоа се следниве [53]:

Проектирање на композитни криви

Определување на minT и пинч точката

Проектирање на големата композитна крива

Дизајнирање на целите на трошоците за енергија, капиталните и вкупните трошоци

Промената на трошоците за енергија и капиталните трошоци (пазарење)

Принцип на модификација на процесот - Плус/минус

Принципи на правилно сместување на клучната процесна опрема

Целосна анализа на системот

Пинч анализата се изведува преку следниве чекори [53]:

Идентификација на топли, ладни и сервисни струи

Пронаоѓање на потребните термички податоци за процесните и сервисните струи

Селекција на иницијална вредност за ∆Tmin

Конструкција на композитни криви за топлите и ладните струи, како и конструкција на

голема композитна крива

Проценка на минималните потреби од енергија

Проценка на капиталните трошоци

Проценка на оптималната вредност за ∆Tmin

Проценка на практичните цели за проектирањеот на мрежи од топлински разменувачи

Проектирање на мрежи од топлински разменувачи – HEN

3.3. Определување на цели при пинч анализата (targeting)

Чекор 1 – идентификација на топлите, ладните и сервисните струи во процесот –

Идентификацијата на топлите и ладните струи се базира на дефиницијата за нив. Под ладни

струи се подразбираат струите кои имаат потреба да бидат загревани, додека топлите струи се

струи кои имаат потреба да бидат ладени. Сервисни струи претставуваат струи на медиумите

кои служат за загревање или ладење на процесните струи. Со пинч анализата се групираат сите

овие струи со нивните физички и хемиски карактеристики. Потребно е да се селектираат

струите кои е потребно да бидат ладени или загревани од сите процесни струи во

разгледуваниот систем. По нивната селекција се одредуваат целните температури на овие

селектирани струи. После овој чекор, се селектираат струите за кои е потребна поголема

количина на енергија. B. Gill [54] предлага избирање на процесните струи за интеграција на

процесот во зависност на потребните должности на можните топлински разменувачи. Под тоа

се подразбира дека помалата должност има потреба од помала површина на размена. Некои

29

струи немаат голема потреба од загревање или ладење, така да топлинските разменувачи за нив

би биле многу мали, со што би се зголемиле капиталните трошоци за мали количини топлина.

Постојат и регулативи според кои треба да се раководи целната температура за некои типови

процесни струи (ограничувања на процесните струи). Такви се отпадните струи, кај кои

законските регулативи ги определуваат нивните карактеристики. Според германски

регулативи, отпадните води за да се мешаат со природните текови потребно е да имаат

максимум температура до 35оС. Користејки ги овие предлози и потреби на процесот, се врши

селекција на струите. Сервисните медиуми се определени со нивните карактеристики како

медиуми кои се веќе присутни во анализираниот систем.

Сервисни медиуми – Постојат различни видови на топли и ладни сервисни медиуми. Типични

топли сервисни медиуми се: пареа (греачи на пареа), горилници, гасови од согорувањето,

топлина издвоена од топлотни мотори, термички флуиди или системи со топло масло, излезна

топлина од разладни системи и кондензатори од топлински пумпи, како и електрично греење.

Типични ладни сервисни медиуми се: системи за ладење со ладна вода, воздушно ладење,

загревање на пареа или на доливна вода во котлите, системи со вода на многу ниски можни

температури, разладни системи и испарувачи на топлинските пумпи, топлински мотори под

пинч-от, гликол и специјални мешавини. Некои од нив имаат константна температура, но на

некои таа им варира во процесот на размена на топлина. Па според тоа можат да се поделат на

сервисни медиуми кои имаат константна температура и оние кои имаат варијабилна

температура во текот на ладењето или греењето. Пареата која кондензира има константна

температура (ја користи латентната температура на кондензација), додека гасовите од

согорувањето им се менува температурата во одреден опсег (осетна топлина). Пареата се дели

по основ на работниот притисок на ниско притисна LP (low pressure), средни притисоци MP

(middle (intermediate) pressure) и високопритисна HP (high pressure steam). LP е секогаш

поевтина отколку високопритисната HP. Ладилниците се секогаш поскапи за температури

пониски од амбиенталните (разладни системи), отколку медиумите кои се користат за

добивање амбиентална температура (вода за ладење).

Чекор 2 – (определување на термичките податоци за процесните и сервисните струи) –

Процесните струи се определени од нивниот состав. Вредностите на топлинскиот капацитет,

вискозитет, густина, проток, и влезни температури можат да бидат измерени, извадени од

таблица или пресметани. Коефициентот на преод на топлина мора да биде пресметан од

специфичните корелации на бездимензионалните групи. Тие зависат од видот на топлинскиот

разменувач и се менуваат во зависност од температурата. Обично вредноста на коефициентот

на преод на топлина се пресметува за вредноста на влезната температура за прелиминарни

пресметки, но доколку се прават конкретни пресметки мора да се определи функционалната

зависност од температурата по целиот опсег на нејзината промена во процесната струја. За

сервисните струи мора да се определат истите параметри, како и цената на нивно чинење по

единица енергија или единица маса. Процесната интеграција на ладните струи прави заштеди

еднакви на вредноста на енергијата која треба да се доведе со соодветниот сервисен медиум.

Заштедата при интеграцијата на топлите струи е еднаква на вредноста на чинење на должноста

за ладење за тие струи со разладни сервисни медиуми. Постојат специјални случаи каде

енергијата се користи од отпадните води за загревање или за ладење, додека нивното ладење

или загревање не е барано од процесот. Со тоа нивно користење се намалува употребата на

сервисни медиуми за греење или за ладење. Со тоа се искористува енергија која се губи во

околната средина.

Сите топли, ладни и сервисни струи можат да се претстават како хоризонтални линии со

различен правец, и тоа за топлите стандардно е земен правецот од лево кон десно и обратно за

ладните струи. Таквиот дијаграм во кој се претставуваат овие струи е наречен “решеткаст

дијаграм” или “grid diagram”. Решеткастиот дијаграм помага во создавање на комбинации на

мрежи од топлински разменувачи. Топлинските разменувачи се цртаат како симбол со два

круга кои лежат на струите поврзани помеѓу себе со линија. Секогаш греачите се наоѓаат

30

крајно лево на ладните струи, додека ладилниците крајно десно на топлите струи. Пинч

температурата се прикажува со вертикална линија, која го дели решеткастиот дијаграм на дел

под (десен дел) и дел над (лев дел) Пинч точката. Решеткаст дијаграм е даден на слика 3.2.

Чекор 3 – (селекција на иницијалната вредност на ∆Tmin) – Вториот закон на термодинамиката

забранува вкрстување на температурите помеѓу топлите и ладните струи. Потребно е да се

дефинира минималната дозволена температурна разлика во топлинските разменувачи кои ќе

бидат дел од решението на проблемот. Тоа е вредноста на ∆Tmin и претставува тесно грло во

заштедата на енергијата. Неговата вредност зависи од типот на разменувачот и постојат

определени оптимални опсези на неговата вредност и тоа 3-5oC за цевчести разменувачи (во

најдобар случај), 2-3oC за компактни разменувачи [53]. Доколку се избере повисока вредност

на ∆Tmin топлинската заштеда се намалува, додека потребата од надворешни сервисни медиуми

се зголемува. Оваа вредност на ∆Tmin е иницијална и се користи за проектирање на

композитните криви. Во еден од наредните чекори се определува која е оптималната вредност

на ∆Tmin која дава минимални трошоци и максимална заштеда на енергијата.

Слика.3.2 Решеткаст дијаграм на кој се претставуваат процесните и сервисните струи заедно со

топлинските разменувачи при проектирање на можни мрежи од топлински разменувачи

Чекор 4 - конструкција на композитните криви – Секоја струја може да биде претставена со

нејзините температури и енталпија (T-Q дијаграм). Вредностите за топлината се определени со

користење на првиот закон на термодинамиката. Влезните количини на топлина се определени

со sup supply plyQ G Cp t како и топлините кои се цел да се достигнат за секоја струја со помош

на равенката arg argt et t etQ G Cp t . Според тоа должноста на топлинскиот разменувач што е

потребна да ја изврши за температурниот интервал определен помеѓу композитните криви кои

во понатамошниот текст ќе бидат објаснети е определен со равенката

int a b

b

erval t t b a i i

i a

Q t t G Cp

[29]. Со користењето на овие вредности, секоја струја може да се

претстави на дијаграм во вид на вектори - графички. Почетокот на векторот е влазната

температура и енталпија, додека крајот на векторот е целната температура и целната енталпија.

Многу важен дел на пинч технологијата е конструкцијата на ладните (CCC) и топлите (HCC)

композитни криви. Тие претставуваат збирови на топлините G Cp - вредностите на сите струи

од ист вид, само топли и само ладни во секој температурен интервал. Конструкцијата на

композитните криви се состои од повеќе чекори. Тие се:

31

1. Сортирање на температурите од топлите струи (th) – Температурите на топлите струи

(влезни и излезни) се подредуваат по големина (висина на температурата) и се впишуваат

во табела за топли струи. Всушност се определуваат топлински интервали формирани од

распоредувањето по висина на сите влезни и сите излезни температури на сите топли

струи.

2. Пресметката на топлинските протоци на топлите струи се одредени за секој интервал

определен од температурите на интервалот и сумата на вредностите на G Cp за секоја

струја или дел од струја што се наоѓа во соодветниот температурен интервал.

3. Се пресметува енталпијата за секој од интервалите (Qint,h) со множење на сумата од

топлински протоци за конкретниот температурен интервал со температурната разлика на

истиот тој интервал

4. Пресметка на кумулативната вредност на енталпијата (CumQh,i) – се пресметува

кумулативната вредност на енталпиите со збир на енталпиите во секој температурен

интервал

5. Се исцртува график на HCC како функција помеѓу th и CumQh.

6. Конструирањето на CCC – е по истата постапка како за HCC, само се работи со сите ладни

струи.

Слика.3.3 Графички пат на креирање композитни криви

Дијаграмот на HCC и CCC може да се сретне и под името Hohmann – Lockhart-ов дијаграм.

HCC и CCC обезбедуваат детална слика на снабдувањето и потребата од топлина на

целокупниот процес за целиот температурен опсег. Нивната релативна хоризонтална позиција

(растојанието помеѓу двете композитни криви) е определана со специфицираната минимална

температурна разлика за топлинските разменувачи (∆Tmin). Најблиското вертикално растојание

помеѓу HCC и CCC претставува точката наречена “Пинч точка”. Тоа е практично минималната

температурна разлика за топлинските разменувачи (слика 3.4). За различни вредности на таа

разлика помеѓу HCC и CCC се определуваат различни вредности на трошоците.

На сликите 3.4 и 3.5 се дадени композитните криви на топлите и ладните струи. Исто така се

прикажани основните карактеристики, и тоа местото на кое се наоѓаат најблиску двете

композитни криви (пинч точката), како и пинч температурите за топлата и ладната композитна

крива. Со приближувањето на композитните криви за половина од растојанието, тие се

допираат во пинч точката.

32

Слика.3.4 Ладна и топла композитна крива со определени пинч температури за топлите и ладните

струи како и пинч температурата на системот

Слика.3.5 Карактеристики на ладната и топлата композитна крива

На сликата 3.6 се прикажани температурните интервали на топлата и ладната композитна

крива, кои ги сегментираат на повеќе делови. Секој сегмент претставува место на топлинска

размена помеѓу ладната и топлата композитна крива (места на можни топлински разменувачи).

Хоризонталното растојание помеѓу краевите на композитните криви ја претставува

минималната потребна топлина за загревање (над пинч точката) и минималното потребно

ладење (под пинч точката), т.е. потребната енергија која треба да се доведе и одведе со помош

на сервисни медиуми.

33

Слика.3.6 Сегментирање на композитните криви по температурни интервали и можни топлински

разманувачи на истите

Пресметката на координатите за конструкција на композитните криви се дадени со

равенките(3.1), (3.2), (3.3) и (3.4). Тоа се дел од т.н. табеларен алгоритам за пинч проектирање.

Но, покрај користењето на табеларниот алгоритам, можна е конструкција на композитните

криви по графички пат. Графичкиот начин на конструкција на кривите е даден со сликата 3.3,

каде вредностите за енталпијата на втората струја се додаваат на вредностите за енталпијата на

првата струја. Тоа се прави со вредностите на енталпиите за исти вредности на температурите.

Практично се земаат температурите од формираните температурни интервали добиени од

влезните и излезните температури на струите. Тоа се 4 температури кои формираат 3

температурни интервали, односно кривата која се формира содржи 2 точки каде се прекршува

и 2 точки на почеток и крај на кривата.

Табеларниот алгоритам е развиен од Linnhoff и Flower за решавање на проблемите од пинч

проектирањеот (PTA - problem table algorithm) [19]. Откако се конструирани композитните

криви, следните чекори на работа се следниве:

1. Определување на температурните интервали – поместени за min0.5 t , се определуваат

новите вредности на температурите за +/- половина од вредноста на минималното

температурно растојание (слика 3.6).

2. Пресметка на нето топлинскиот проток (G∙Cp) за секој температурен интервал, како дел од

табеларниот алгоритам (равенка )

3. Пресметка на нето енталпијата во секој температурен интервал – топлински проток

помножен по температурната разлика на секој од интервалите

4. Пресметка на каскадната топлина (каскаден дијаграм). Се добиваат каскадни топлински

вредности прикажани на сликата 3.7. Првата и последната вредност на топлините е

потребата од топол и ладен сервисен медиум, додека граничните места (температурите на

интервалите) се места каде не се одвива пренос на топлина. Тоа е изричиво така за местото

каде се наоѓа пинч температурата на системот. Каскадниот дијаграм ги претставува сите

сегменти кои се јавуваат по определувањето на температурните интервали. Сликата 3.6 во

која се дадени сегментите е прикажана во вид на каскаден дијаграм даден на сликата 3.7.

34

Слика.3.7 Каскаден дијаграм на топлина

5. Проверка на каскадната топлина Rcas,i

6. Определување на енергетските цели

interval ( ) ( )G Cp i cold i i hot iG Cp G Cp (3.1)

interval int 1Q i i iG Cp t t (3.2)

, 1 int,cas cas i iQ Q Q (3.3)

, , mincas i cas i casR Q Q (3.4)

35

Чекор 5 – Проценка на минималните трошоци за енергија

Со цел да се обезбеди максимално можно количество топлина да се размени во секој

температурен интервал, потребно е да се направат одредени модификации. Користењето на

поместени температури е модификацијата која е потребно да се направи. Тоа поместување се

прави на двете композитни криви во вредност од min0.5 t . Притоа HCC се поместува под

реалните температури за вредност од min0.5 t на температурната скала, додека CCC обратно се

поместува над реалните температурни вредности за вредност од min0.5 t . Поместените криви

како такви се допираат помеѓу себе во пинч точката и ги дели кривите на два дела над и под

пинч точката. Подесувањето на интервалите на ваков начин гарантира целосна можна размена

помеѓу интервалите. Секој интервал во себе има или вишок или дефицит на топлина определен

од билансот на енталпиите, но никогаш не може да ги има и двете [28]. Билансот на енталпиите

се определува со равенката (3.5).

1i i i H C iH S S Cp Cp (3.5)

Каде Si се поместените температури за било кој интервал i. Овие вредности се користат за да се

направи топлински каскаден дијаграм за поместените температури.

Слика.3.8 Проектирање на голема композитна крива како разлика на побарувањето и понудата на

топлина помеѓу топлата и ладната композитна крива

Поместените композитни криви го определуваат вишокот или дефицитот на топлина

(минималната потребна топлина која треба да се размени за греење и ладење – систем со

максимална заштеда на енергијата (MER – maximum energy recovery). За делот над пинч

точката важи неравенката C HQ Q , додека за делот под пинч точката важи H CQ Q .

Тоа значи дека над пинч точката е можно само доведување на топлина, додека под пинч

точката е можно само одведување на топлината. Ревизијата на каскадната топлина може да се

искористи за определување на енергетските цели. Таа постапка претставува извлекување на

најнегативната каскадна енергија од секоја вредност на каскатдната топлина за сите интервали.

Првата и последната вредност од ревидираниот каскаден дијаграм се минимумот потребна

топлина и ладење. Местото каде ревидираните вредности имаат нула претставува пинч

точката. Овие вредности и пинч температурата се константни вредности за конкретниот случај.

Со користењето на поместените температури и топлински протоци, може да се конструира

големата композитна крива “Grand Composite Curve” (GCC). Таа претставува разлика помеѓу

достапната топлина од топлите струи и топлината која ја побаруваат ладните струи во однос на

пинч точката. Нето топлинскиот проток се зема од топлинскиот каскаден дијаграм или тоа се

36

разлики на топлинските протоци помеѓу поместените HCC и CCC (конструкција по графички

пат – слика 3.8).

Слика.3.9 Голема композитна крива за случаи каде има повеќе различни топли сервисни медиуми, како и

појава на џебови како показател за вишок на топлина во дел од интервалите

Со користење на GCC може да се определи пинч точката (точката каде топлинскиот проток

има вредност нула или ја допира оската), како и потребните сервисни медиуми за топлење и

ладење како должност на топлинските разменувачи (растојанието помеѓу оската и краевите на

GCC). Доколку постои само еден крај на големата композитна крива кој како хоризонтална

линија ја допира оската, таквиот проблем се нарекува “threshold”. Таквите случаи имаат

потреба или само од загревање или само од ладење [55]. Доколку GCC ја допира оската во

неколку точки, тоа значи дека таа има неколку пинч точки. Количината на топлина која треба

да се размене во секој од интервалите за ладење, греење или енталпијата на GCC се користат

равенките 3.6, 3.7 и 3.8.

,int . int . 1 int .1 1

HS HS

HotS H H H H

H H

Q T G Cp G Cp

(3.6)

. ,int . int . 1 int .1 1

CS CS

Cold S C C C C

C C

Q T G Cp G Cp

(3.7)

,int . int . 1 int . int . 1 int .1 1 1 1

CS CS HS HS

GCC C C C C H H H H

C C H H

H T G Cp G Cp G Cp G Cp

(3.8)

Потребата од сервисните медиуми е дадена со CCC – HCC дијаграм и GCC како линии на

крајот од кривата. Доколку сервисниот медиум има константна температура, таа е преставена

со хоризонтална линија. Композитните криви на кои им се исцртани линиите на сервисните

медиуми кои ги побарува системот се наречени балансирани композитни криви. Сервисниот

медиум доцртан на топлата композитна крива ја претставува топлинската енергија потребна за

37

системот, додека сервисниот медиум додаден на ладната композитна крива го претставува

потребното ладење што го бара системот. Вкупната енергија претставена со балансираните

композитни криви е еднаква на нула. Областите на големата композитна крива познати како

“џебови” ги даваат местата каде е можна топлинска размена помеѓу интервалите (слика 3.9).

Со додавањето на сервисните медиуми, големата композитна крива ја допира температурната

оска. Тоа место е наречено пинч точка на сервисниот медиум. Можно е да бидат присутни

повеќе сервисни медиуми, како топли, така и ладни. Во случаите каде се користат сервисни

медиуми кои ја менуваат температурата, прикажани во големата композитна крива изгледаат

како и процесните струи. Доколку има повеќе топли или ладни сервисни медиуми (без разлика

дали се со константни температури или не), тие претставуваат разгранети линии на сервисните

медиуми во големата композитна крива. Во случај на варијабилни температури, можно е да

имаат и своја вредност за minT различна од онаа за целокупниот систем. Тоа може да се

корегира со промена на протоците или користење на пониски влезни температури. Таков

специјален случај е користењето на жешките гасови користени како сервисен медиум кој има

потреба од повисока вредност на minT . Доколку сервисните медиуми се дел од циркулаторен

систем, тогш минимизирањето на температурната промена се подесува со повисоки протоци на

флуидите. Со тоа се создава повисоки вредности на движечките сили при размената на

топлина. Оптимизирањето на таков процес се прави со оптимизирање на влезните и излезните

температури на флуидот за ладење или загревање [28]. Доколку е потребно да се избере

сервисен медиум, тогаш најдобро е да се изберат најладниот ладен и најтоплиот топол

сервисен медиум. Замената во користењето на повеќе различни сервисни медиуми ги дава

следниве производни услови на работа со нив [28]:

Пареата секогаш има повисока ефикасност при пониски температурни нивоа, со што

повеќе би се заштедила топлината од издувните гасови на котелот.

Електрична енергија би се генерирала кога пареата ќе падне од повисок во понизок

притисок врвејќи низ турбина

Нископритисната пареа има пониска температура, а со тоа и капиталните трошоци се

пониски

Движечките сили помеѓу сервисните медиуми и процесот се редуцираат, па според тоа

капиталните трошоци за греачи или ладилници ќе се зголемат

Секое екстра ниво на сервисен медиум го комплицира проектирањеот на системот и

предизвикува додатни капитални трошоци за котлите и за цевководите.

Проектирање на голема композитна крива во случај на присуство на повеќе сервисни медиуми

од ист вид топли и/или ладни.

Под сервисни медиуми се подразбираат, покрај специјално генерирани сервисни медиуми,

туку и струи кои се присутни во процесот кои во себе содржат вишок на енергија или може да

примат топлина со што би изладиле некоја од процесните струи.

Постапките за искористување на овие струи како сервисни медиуми се базираат врз основа на:

Метод на вклучување на сервисните струи во големата композитна крива

Цената на сервисните медиуми

Искуствено определување

Прв чекор претставува издвојувањето на физико – хемиските карактеристики на секоја од нив.

Со разгледување на влезната и бараната излезна температура на секоја од тие сервисни струи

се определуваат оптималните нивоа на можното нивно искористување.

Со користењето на PTA или графичкиот метод се конструира големата композитна крива, како

график од поместените температури на струите и ревидираните каскадни топлини во

каскадниот дијаграм. Се определуваат минималните потреби од топли и ладни сервисни

медиуми соодветно. За да се искористи било кој сервисен медиум потребно е толку топол или

38

ладен за да ја задоволи потребата за загревање или ладење во процесот. Сервисните медиуми

по приоритетност се определуваат според нивната температура. Приоритетни се најтоплиот

ладен и најладниот топол сервисен медиум.

Потоа се определуваат температурните интервали на големата композитна крива во кои можат

да бидат вклучени определените сервисни струи според својата влезна температура и нејзината

промена (кондензација, испарување или промена на температурата).

Количината на содржина на енергија во сервисните струи треба да кореспондира со

потребната количина на енергија која треба да се внесе или изнесе од системот.

Постојат три златни правила на пинч технологијата базирани на вториот закон на

термодинамиката. Тие се основа за концептите на пинч технологијата и гласат:

Не разменувај топлина преку пинч точката

Не користи ладен сервисен медиум над пинч точката

Не користи топол сервисен медиум под пинч точката

Првото правило мора да биде задоволено за проекти кои почнуваат од нула. Кај ретрофит

проектирањеот потребно е да се направат напори за да се елиминираат или редуцираат

премините низ пинч точката.

При определување на заштедите од енергија во две зони одделно и во целокупниот систем

(составенх од двете зони), со анализа на добиените вредности е заклучено дека збирот на

заштедената енергија во двете зони (при поединечна интеграција) се помали отколку во

целокупниот систем заедно (интеграција на целокупниот систем). Тоа доаѓа од т.н. “зонален

дизајн на цели”. Постои интеракција помеѓу двете зони. Зоналниот дизајн на цели се користи

кога сите процесни струи не се наоѓаат во иста зона, па затоа мора да бидат поврзани во

реалниот систем со долги цевководи. Должината на цевководите се причина за голем пад на

притисокот и загуби на енергија. Тоа ги зголемува трошоците. Високиот пад на притисокот

налага потреба од приклучок на пумпи за надополнување на променетиот притисок

(инсталација на нови пумпи како додатна инвестиција). Пинч технологијата го избегнува

проблемот со падот на притисокот.

Чекор 6 – Проценка на капиталните трошоци за топлинските разменувачи – за таа цел е

потребно да се пресмета површината на размена на топлина.

Дизајнирање на цели (targeting) на минимум површина на размена – Површината на размена на

топлина се пресметува со равенката (3.9) позната и како “униформна BATH формула”. Таму A

ја претставува површината на размена, F – фактор на корекција за различни видови на движење

освен противнасочното движење на флуидите, LMTD – логаритамска температурна разлика, Qj

– промена на енталпијата во ј-тата струја, hj – коефициент на преод на топлина за ј-тата струја,

индекс j – струја и i – температурен интервал. Сумата од односот на промената на енталпијата

со коефициентот на преод може да се напише во форма на равенката (3.10) како збир од

промената на енталпиите од сите топли и сите ладни струи поделени со нивните коефициенти

на преод на топлина [56,57].

1 j

i ji j i

QA

F LMTD h

(3.9)

j

j jh jcjh jcj

Q Q Q

h h h

(3.10)

j

j jh jcjh jcj

Q G Cp G Cp

h h h

(3.11)

39

Со користење на првиот закон на термодинамиката, равенката (3.10), може да се напише во

форма на равенката (3.11). Според тоа, откако е пресметана минималната потреба од топли и

ладни сервисни медиуми, потребно е да се пресметаат и нивните протоци. Овие вредности

пресметани за сервисните медиуми се внесуваат во графикот на композитните криви со што се

балансираат. Табеларниот алгоритам е сличен на конструкцијата на НСС и ССС со додавање

на податоци за сервисните струи. Целокупната површина на размена е збир од сите површини

на размена по топлинските интервали. Површината на размена за секој интервал е определен

со податоците на струите во одредените температурни опсези, збирот на (Q/h) и LMTD во

истите тие интервали. Тие податоци можат да бидат пресметани со користење на равенките

(3.12), (3.13) и (3.14).

, , 1 , , 1

, ,

h i h i c i c i

h i c i

Q G Cp G Cpt t t t

h h h

(3.12)

, , , 1 , 1

, ,

, 1 , 1

ln

h i c i h i c i

i

h i c i

h i c i

t t t tLMTD

t t

t t

(3.13)

c iA A (3.14)

Средната логаритамска температура за даден интервал на композитните криви се определува

исто и со равенката (3.15), врз основа на што се определува потребната површина на размена

на топлина за секој од интервалите (3.16) и со фактор на корекција (3.17). Потребната

површина на размена за целиот систем претставува збир од потребната површина на размена за

секој од интервалите (3.18) и (3.19).

,int ,int ,int 1 ,int 1

,int

,int ,int

,int 1 ,int 1

ln

HS CS HS CS

LM

HS CS

HS CS

H H H HT

H H

H H

(3.15)

, ,int

,int

,int

h

sm

LM

QA

T

(3.16)

, ,int

12,int

int ,

h

LM imt

QA

T

(3.17)

,int

int 1

n

sm smA A

(3.18)

12 12,int

int 1

n

A A

(3.19)

Определување на бројот единици разменувачи – Овој дел се однесува на пресметката на

минималниот број топлински разменувачи за проектирање на мрежа со максимална заштеда на

енергија и определување на бројот на затворени врски во проектирањеираните мрежи од

топлински разменувачи. Пресметката се заснова на вертикалниот пренос на топлина помеѓу

композитните криви. Пресметката на бројот на топло-разменувачки единици се базира на

Euler-вата теорема на мрежи и е дадена со равенката (3.20).

u s l pN N N N (3.20)

40

каде Nu е број на единици, Ns е број на ладни, топли и сервисни струи (збир на нивниот број),

Nl бројот на затворени кругови и Np е број на независни проблеми или подсистеми. Во новото

решение не смее да постојат затворени врски и не содржи повеќе проблеми поради

балансираноста на струите. Поради тоа равенката (3.20) ја добива формата на равенката (3.21).

,min 1u sN N (3.21)

Минималниот број на разменувачи за MER е даден со равенката (3.22).

, 1 1u MER above belowN N N (3.22)

Каде Nabove и Nbelow се бројот на сите струи (топли, ладни и сервисни) кои се присутни во

деловите над и под пинч точката. Бројот на затворени врски е определен од равенката (3.20)

или равенката (3.21) каде бројот на проблеми секогаш изнесува 1.

, ,minl u MER uN N N (3.23)

Доколку преносот на топлина е ограничен на некоја максимална вредност по куќиште (школка)

на топлински разменувачи, тогаш постои потреба да се одреди бројот на школки во

проектирањеираниот HEN. Нивниот број се пресметува со равенките (3.24) и (3.25).

min 1mi siS S N (3.24)

min j miS S S (3.25)

Каде Smin е минималниот број на куќишта, Sj претставува доприносот на школката за ј-тата

струја, Smi е бројот на потребниот број школки кој одговара по интервали во i-тиот интервал и

(Nsi-1) е минималниот број на вредности во интервалите.

Дизајнирање на цели (targeting) на трошоците [19] – Вкупните трошоци на проектот во кој се

проектира HEN се базира на оперативните трошоци (OC – operating cost) и капиталните

трошоци (CC - capital cost). Всушност вкупните трошоци (TC - total cost) се збир од

оперативните и капиталните трошоци. Оперативните трошоци зависат од енергијата која е

потребно да се пренесе од сервисните медиуми. Тие се пресметуваат според равенката (3.26).

,min ,minhu hu cu cuOC C Q C Q (3.26)

Chu претставува цената на топлиот сервисен медиум по единица топлина, додека Ccu е цената на

ладниот сервисен медиум по единица топлина. Qhu i Qcu претставуваат минималните потреби

од топлиот и ладниот сервисен медиум, соодветно. Капиталните трошоци зависат од

површината на размена на топлинските разменувачи, нивниот тип, материјал на изработка и

работен притисок. Основна равенка за одредување на капиталните трошоци претставува

равенката за единечен топлински разменувач (3.27).

cCC a b A (3.27)

Коефициентот a ги претставува фиксните трошоци, додека коефициентите b и c зависат од

проектирањеираниот притисок, материјалот на изработка и типот на разменувач. Капиталните

трошоци се пресметуваат според равенката (3.28) за мрежи на противструјни разменувачи и

равенката (3.29) за мрежи од цевчести топлински разменувачи.

,

,

c

Cu MER

u MER

ACC N a b

N

(3.28)

1 2, min

min

c

u MER

ACC a N b S

S

(3.29)

41

Секој проект има свој живот на постоење (години на работа во иднината). Капиталните

трошоци се трошоци кои се инвестираат еднаш со реализацијата на проектот, додека

оперативните трошоци се континуирани и постојат се додека функционира проектот. За да се

пресметаат вкупните годишни трошоци (TAC - total annual cost), мора да се искористи

равенката (3.30), која ќе ги сведе двата трошоци на годишно ниво (ниво од ист временски

период). Симболите во равенката го имаат следново значење, Af е ануализирачки фактор, PL

(plant life) претставува живот на проектот (траење на проектот) и r претставува стапка на

поврат на капиталната инвестиција.

fTAC OC CC A (3.30)

1PL

f

rA

PL

(3.31)

Коефициентите потребни за пресметките на трошоците се дадени во табела 3.1. Значењето на

ознаките се: SS – stainless steel (не`рѓосувачки челик), CS – carbon steel (јаглероден челик) и A е

површината на размена на топлината (m2).

Табела.3.1 Податоци за пресметка на трошоците за различни типови на топлински разменувачи [19]

HE спецификација Капитални трошоци ($) Материјал на конструкција

Спирални 0.5930000 19700 A SS-SS

Плочести 0.7830000 1900 A SS-SS

Цевчести 0.8130000 750 A CS-CS

Цевчести 0.8130000 1650 A SS-SS

Цевчести 0.8130000 1350 A CS-SS

Трошоците за топлинскиот разменувач можат да се пресметаат и со равенката (3.32). Таа

вредност зависи од материјалот на изработка на разменувачот. Коефициентите за дадената

равенка се дадени во табелата 3.2 [14].

c

networkExcanger Cost a b A (3.32)

Табела 3.2 Коефициенти потребни за одредување на трошоците во зависност од материјалот на

изработка според Douglas

Материјал на конструкција a ($) b ($/m2c) c

Јаглероден челик -Carbon Steel – CS 0 383.5 0.65

Нежрѓосувачки челик - Stainless Steel –

SS 0 1438.1 0.65

Monel 0 1629.8 0.65

Чекор 7 – Проценка на оптималната вредност на ∆Tmin – Обично вредноста за minT се

определува интуитивно. Но, сега треба да се избере оптималната вредност за minT .

Процедурата за избор на оптималната вредност за minT , т.е. нејзино дизајнирање на цели се

нарекува супертаргетирање. Супертаргетирањето дава сигурност дека ќе се избере

42

проектирањеот на HEN кој има минимални трошоци и максимална заштеда на енергија. Колку

вредноста на minT е повисока, толку е потребно помала површина на размена , додека

потребата од сервисни медиуми се зголемува. Со користењето на Hohmann-Lockhard-овиот

график на композитните криви, може да се види графички зголемувањето или намалувањето на

потребата од сервисни медиуми кај поместените криви. Вредностите на ануализираните

капитални трошоци, оперативните трошоци, вкупните годишни трошоци, вредностите за

површината на размена, бројот на единици разменувачи, како и бројот на куќишта на

разменувачите, потребата од доведување и одведување на топлина се пресметуваат врз основа

на оптималната вредност за minT . Пресметката на трошоците се сведува на зависност од

различни вредност на minT и тие вредности се прикажуваат графички или табеларно како

функција на трошоци од различни вредности за minT . Постојат повеќе фактори кои влијаат

врз вредноста на minT , како што се: вискозни струи, струи кои имаат тенденција да

наталожуваат слој на површината на размена (ја редуцираат размената), корозивноста и

високата чистота на флуидот (потреба од специјални материјали на изработка), пониски цени

на сервисните медиуми (пониски оперативни трошоци), трајност на капиталот (краток поврат

на средствата), малата искористеност на постројката, како и мали протоци (многу ниски

енергетски заштеди за да се исплатат трошоците направени за разменувачите и проектното

планирање (тоа би можело да се случи во шаржни постројки со мали капацитети) [28].

Постојат посебни случаи каде топлинските разменувачи не се униформни и појава на случаи со

повеќе видови сервисни медиуми. Jegede и Polley [28] предлагаат метод за определување на

површината на размена и бројот на единици за секоја спецификација посебно. Тие ги

предлагаат следниве чекори за работа:

7. Класифицирање на резултатите според спецификацијата на разменувачите – Тие сметаат

дека приоритетот на разменувачите од различен тип треба да биде следниов: спирални >

плочести > цевчести.

8. Пресметка на дистрибутивната површина на размена – Површината на топлинските

разменувачи со исти спецификации се пресметуваат заеднички. За пресметка се користи

равенката (3.33). Вкупната површина на размена претставува збир на сите површини на

размена AL за сите топлински разменувачи со различни спецификации.

9. 1 1 1

L jh jc

i jh jci jh jc jc jhi

A QF LMTD h h

(3.33)

10. Пресметка на дистрибутивни единици – Бројот на единици се пресметува поединечно за

секоја спецификација. Со помош на равенката (3.34) се пресметува бројот на топлински

разменувачи под и над пинч точката, каде L е спецификација на топлинскиот разменувач и

односот (VL/V) е однос помеѓу специфицираните единици и вкупниот број.

11. Пресметка на капиталните трошоци – Капиталните трошоци се збир од капиталните

трошоци за секој специфициран топлински разменувач, каде коефициентите се определени

според типот и спецификацијата на разменувачот. Вкупните годишни трошоци се

определени од равенката (3.35).

, , 1 1La Lbu MER L a b

a b

V VN N N

V V

(3.34)

, ,

1 1 , ,

1L Lspec spec

c PLN N

LL jL u MER L L L

L L u MER L L

rATAC OC CC A OC N a b

N PL

(3.35)

43

Проблемот на повеќе сервисни медиуми доаѓа кога во анализираниот систем се појавуваат

повеќе од еден ладен или топол сервисен медиум. Овие сервисни медиуми можат да бидат

точкести сервисни медиуми од ист вид, но со различни работни карактеристики, како пареа со

различни притисоци во различни делови на постројката или не-точкести, кои претставуваат

различни видови на сервисен медиум. Во случај на користење повеќе сервисни медиуми,

вкупната минимална потреба од сервисни медиуми е збирот на оптималната употреба на

користените сервисни медиуми. Сите останати постапки на дизајн на цели се исти како за

вообичаените случаи.

Алгоритам за континуиран дизајн на цели (таргетирање) - Makwana и Shenoy (1993)

предложиле нов алгоритам за континуирано таргетирање наместо табеларниот алгоритам на

проблемот. PTA забранува континуирано определување на целите во целиот расположлив

опсег на вредностите на minT . Новиот алгоритам користи нов начин на претставување на

пинч табелата да го прати хоризонталното систематско поместување на композитната крива во

дијаграмот температура – енталпија. Овој алгоритам е базиран на следниве забележувања на

Makwana и Shenoy [19]:

Постои единствен сет од композитни криви и единствена минимална потреба од

сервисни медиуми за дадена вредност на minT .

Пинчот нужно се наоѓа на врвот, т.е. на местото на пинч точката, додека косината на

топлата или на ладната (или на двете) композитни криви се менува. Доколку

вредностите на T на сите врвови се познати, минимумот ќе кореспондира со пинч

точката. Во случај на повеќе пинч-ови, минималната вредност ќе се однесува на повеќе

врвови.

Со придвижувањето на CCC кон десно се зголемува вредноста на minT или кон лево

предизвикува намалување на вредноста на minT

Доколку CCC се помести хоризонтално, вредноста за T се менува на местото каде се

наоѓаат врвовите. Степенот на нивната промена на врвовите зависи од косината на

линеарните сегменти (вертикално над HCC за ладниот врв и вертикално под CCC за

топлиот врв).

Значително поместување може да дефинира Q-поместување, кое ќе го доведе ладниот

врв директно под топлиот врв.

Врвот може да постои и при мали промени на T

Енергетските цели исто како и бројот на единици се линеарно зависни од вредноста на

minT .

Пинч табелата е корисно претставување на координатите на врвовите на композитните

криви кои овозможуваат директно пресметување на минимум сервисните медиуми и

пинчот.

Секоја Пинч табела кореспондира со единствена позиција на композитните криви во

дијаграмот температура – енталпија

Секоја колона во пинч табелата соодветствува со врв на HCC или CCC.

Добиената табела кореспондира со определена локација на композитните криви, па така

новата табела може да биде лесно генерирана за било кое специфично поместување на

композитните криви во координати на вредностите за Q.

Чекорите кои следуваат го формираат граничниот таргетинг алгоритам (CTA - contiguous

targeting algorithm) [19,61]:

Генерирање на прелиминарни композитни криви – Податоците за ССС и НСС се генерираат

слично како ТРА методот за конкретните температурни интервали, но притоа полињата за

наредните вредности на енталпијата е нивната кумулативна вредност. За пресметка на

кумулативната енталпија на топлите и ладните струи во температурните интервали се користи

44

равенката (3.36). Доколку вредноста на 0fQ , тогаш 0

0i

CumQ за прелиминарната CCC

и доколку вредноста на 0fQ , тогаш 0 fi

CumQ Q за прелиминарната CCC.

0

0i

CumQ ја има вредноста за прелиминарната HCC.

int1i i iCumQ CumQ Q

(3.36)

Генерирање на иницијална Пинч табела – Вредностите за кумулативните енталпии за

температурните интервали за топлите и ладните струи претставуваат врвни точки. Постојат

вредности за температурите на топлите и ладните струи за секој врв. Тие се внесуваат во

табелата и се пресметува вредноста на T . Практично вредноста на T се добива од

разликата hot coldT t t . Последната вредност на T ја дава minT директно прочитана од

табелата. Доколку minT не е негативна вредност, тоа е случај на “trashold”, доколку вредноста

на minT е негативна, таа мора да биде израмнета на вредност 0.

Израмнување на вредноста за minT на нула – Вредноста за minT е невозможно да биде

негативна, па ССС се поместува до вредност на minT = 0. Тука се поместуваат вредностите на

врвовите за топлината Q (Q-поместување). Доколку се јават повеќе негативни врвови, мора да

се поместат исто како да има еден негативен врв кој ја има најнегативната вредност од сите.

Ревизија на пинч табелата за специфицираните поместени композитни криви – Вредноста на

поместената Q се додава на сите ладни врвови за Q вредностите. Непознатите температури за

ССС и НСС се определуваат со линеарна интерполација. Откако тоа е направено, се

пресметуваат вредностите за T .

Определување на значителни поместувања на композитните криви – Најниската вредност на

minT е нула, додека највисоката е определена од разликата на највисоката температура на

топлите струи со највисоката температура на ладните струи. Тоа е ограничувањето на

вредностите за minT . Поместувањето на Q е определено од разликата помеѓу ладните и

топлите врвови – сите комбинации.

Генерирање на енергетските цели за комплетниот опсег на вредности на minT - Со

користење на процедурата за поместување на Q вредностите, можат да се определат сите

вредности за потребите на топли и ладни сервисни медиуми при различни вредности на minT

во определениот опсег.

Пресметка на бројот на разменувачки единици за комплетниот опсег на вредности на minT -

Последниот чекор претставува определување на бројот на разменувачки единици за секоја

вредност на minT . Се користи бројот на топли струи под и над пинч-от за НСС и по истиот

принцип за ССС. Претходно се определуваат пинч температурите за топлите и ладните струи.

Откако е направена основната пинч табела, мора да се внесат и сите сервисни струи за

супертаргетирањето. Внесувањето на сервисните медиуми се прави со додавање на сервисните

струи за балансирање на композитните криви. Вредностите на додатните струи се

пресметуваат од промената на топлината за вредност од 1oC =

sup arg/ ( )ply t ethuG Cp G Cp t t за топлите струи или за ладните струи

sup arg/ ( )ply t etcuG Cp G Cp T T . Овие вредности се искористени во одредени врвови каде

има ограничување на температурите. Овие вредности се множат со температурните разлики на

температурните промени од сервисните струи за конкретни врвови. Тие пресметани вредности

45

се додаваат кон енталпијата на сите струјни делови претставени во самите врвови. Според тоа,

збирот на топлините од топлите и ладните струи се претставува како /Sum Q h и се користи

за понатамошните пресметки. Може да се пресмета вредноста за LMTD и вредноста на

површината на размена за секој врв (vertex). Збирот на сите парцијални површини ја дава

површината на размена за определената вредност на minT . Супертаргетирањето продолжува

со определување на трошоците. Пресметката на оперативните, капиталните и вкупните

трошоци се прави врз основа на основните равенки дадени за пинч методата. Тие се

пресметуваат за различните вредности на minT . Оптималната вредност се определува со

методот на “Golden Section Search”. TAC можат да бидат пресметани за повеќе опсези на

minT . Минималната вредност на ТАС е определена со елиминационен метод помеѓу

опсезите. Реалната вредност е определена со “golden section search” со користење на многу

итерации.

Слика.3.10 Определување на оптималната вредност на minT врз основа на вкупните трошоци како

збир на оперативните и капиталните трошоци

3.6. Проектирање, еволуција и евалуација на мрежите од топлински


Со користењето на PDM (Pinch Design Method), предложен од Linnhoff и Hindmarsh, можно е

да се проектирањеира мрежа од топлински разменувачи со максимум заштеда на енергијата

(MER). Тоа претставува завршната фаза на супертаргетирањето според TPA или CTA. Постојат

повеќе методи за проектирање на мрежи од топлински разменувачи.

Основен пинч метод за проектирање на мрежи – Овој метод содржи неколку пинч

критериуми за проектирање на мрежите. Тие се следниве:

Критериум број – Ова е физибилити критериум што се однесува на бројот топли и ладни

струи околу пинч-от. Тоа значи дека бројот на топли струи треба да биде поголем или

еднаков од бројот на ладните струи под пинч точката и обратно за делот над пинч

точката. над пинч точка; под пинч точкаhp cp hp cpN N N N

Критериум GCp – Температурното приближување е минимално на пинч точката.

Движечката сила во пинч точката неможе да опадне како што тоа е можно на чекор

понастрана од неа. Според тоа овој критериум се однесува на топлинскиот проток во

пинч точката и за ладните и за топлите струи. Секогаш важи дека

, ,p hp p cpG Cp G Cp за делот над пинч точката и , ,p hp p cpG Cp G Cp за делот под

46

пинч точката. Доколку проектирањеот понатаму не е возможен, бидејки сите

неравенства се задоволени, некоја од струите потребно е да се раздвои во две или

повеќе струи.

Критериум на разменувачи со минимум трошоци (забележување на откриените струи) –

Главната идеа кај овој критериум е да се изберат топлински разменувачи кои со

големината на нивната должност би се добиле минимум капитални трошоци за

проектирањеираната мрежа. Кога некоја струја е задоволена со нејзините потреби за

топлина, се забележува дека е завршено со неа, бидејки во понатамошната постапка за

проектирањеот таа не е повеќе потребна.

Податоци за да се започне со методот за дизан на мрежата се податоците кои се добиени со

PTA или CTA. Постојат различни количини на топлински пренос за топлите и ладните струи

под и над пинч точката одделно. Прво треба да се проверат наведените пинч критериуми.

Доколку не се задоволени, добро е да се табелираат вредностите на бројот струи и топлински

преноси за да се комбинираат помеѓу себе. Потребно е да се задоволат критериумите за

топлински проток и критериумот број. Во случаите каде еден од овие критериуми не е

задоволен, потребно е да се раздвои некоја од струите за да се комплетира бројот на струи во

тој дел од пинч точката. Kemp дава алгоритам за раслојување на струите доколку не е

задоволен критериумот за број или за проток на топлина. Тој е даден на сликата 3.11 [28].

Доколку тоа е направено, се продолжува со додавање на топлински разменувачи помеѓу

струите во иста страна од пинч точката.

Слика.3.11 Алгоритам за раздвојување на струите во две или повеќе струи (раслојување на струите)

Понекогаш раслојувањето на струите не е добро за долгите цевководи, со тоа се доведува

потреба од поголем број вентили и друга опрема. Можно е да се користи и цикличното

определување на серија од мали топлински разменувачи. Тоа е поефикасно кога пинч регионот

е релативно помал. Циклчноста ги зголемува трошоците, но помалку циклични определувања

доведуваат до помала заштеда на енергија. Плочестите и плочесто – ламеларните топлински

разменувачи дозволуваат раслојување на струите во самиот топлински разменувач, делејки го

истиот во региони на пренос на топлината. После сето ова, потребна е проверка на системот

дали содржи “затворени кружни патишта” - кругови и “патишта” од греач до ладилник.

Содржењето на затворени кружни патишта сликовито е прикажано наслика 3.11. Тоа значи

дека два или повеќе разменувачи се поврзани така да нивните патишта на струи создаваат

затворени кругови. Определувањето на патиштата претставува метод на релаксација на

мрежата. “Пат” претставува поврзаноста на сервисните струи преку процесните струи и

47

топлинските разменувачи. Сликовито тоа е дадено на Слика.. Доколку во таквите случаи се

промени количината на размена на топлина во греачот, автоматски се менува количината на

топлината која се разменува во ладилникот, како и топлината разменета во топлинските

разменувачи. Релаксирањето на системот предизвикува промена на вредноста на minT .

Релаксацијата на системот се користи за намалување на капиталните трошоци на мрежата и

зголемување на операбилноста со отклонувањето на малите, неекономични разменувачи и

непотребните раслојувања на некои од струите. Со пронаоѓањето на патиштата се менува и

вредноста за minT во греачите и ладилниците, но не и во топлинските разменувачи, каде

останува иста. Тоа кореспондира на методот на двојни температурни приближувања. Со

користењето на промената на разменета топлина во патиштата, потребната енергија може да се

минимизира уште повеќе, па дури и да се елиминира нејзината потреба. Вредноста за minT

може да биде променета во случаи на ретрофит проектирање или во случај на стандардизирани

површини на размена во цевчестите разменувачи. таквите проблеми се решаваат според

теоремата на Euler со проектирање на нова мрежа со што би се избегнало минувањето на

топлинската размена низ пинч точката.

Слика.3.12 Идентификација и раскинување на затворените кружни патишта

Специјален случај на “threshold” проблем. Тоа е случај каде има потреба само од еден вид на

сервисен медиум за целиот систем. Проектирањеот започнува од крајот на големата

48

композитна крива кој не претставува сервисна струја, користејки ги правилата за пинч

проектирање. Потоа се прави проверка за задоволување на критериумите на пинч.

Слика.3.13 Користење на патиштата кои ги поврзуваат сервисните струи за релаксација на системот

Кога проектирањето на мрежата е готово, потребно е да се определат забранетите комбинации.

Проектирањето може да забрани поврзување на струи со долги цевководи, случаи на ефекти од

корозија (различен материјал на употреба), сигурносни проблеми, да оствари добра

контролабилност и други фактори. Тоа може да резултира со поефективна мрежа со максимум

енергетска заштеда или пак спротивно неможност за максимална заштеда на енергијата.

Наметнатите претходни определувања се определуваат со цел подобра опративност

(стартување и контрола) или во случај на ретрофит проектирање со цел за искористување на

веќе постоечки топлински разменувачи во постројката. Некои од топлинските разменувачи ,

греачи и ладилници можат да бидат така распоредени со што лесно би се отпочнал процесот во

мрежата, но за самата мрежа претставува лоша интегрираност на струите. Постојат случаи каде

се појавуваат пикови кои не се пинч точки и се нарекуваат “приближни – пинч точки”, но и

случаи каде се јавуваат повеќе пинч точки. Областите каде се јавуваат приближните пинч

точки се нарекуваат пинч региони. Тоа го спречува проектирањето на мрежата. Проектирањето

започнува во областите помеѓу пинч точките. Тие пинч точки можат да бидат предизвикани од

користењето на различни видови сервисни медиуми, или поради присуство на приближни пинч

точки кои во одредени случаи можат да имаат функција на реален пинч. Доколку некој од

приближните пинчови имаат функција на реален пинч, тогаш можат да се искористат

правилата за релаксација на системот.

После извршената релаксација на системот, мрежата е проектирана. Со користењето на

температурните разлики помеѓу топлата и ладната композитна крива, може да се конструираат

кривите на движечките сили на процесот. Графикот на движечките сили е наречен “Driving

49

Force Plot – DFP”. Од него можат да се определат добрите и лошите определени резултати во

проектирањето, како и нивната позиција во однос на пинч точката. Со користењето на посебен

метод , наречен “преостаната пинч анализа” или RPA – Remaining Problem analysis, може да се

определат грешките за новиот систем поради првичните пресметки на површината за размена.

Доколку тие грешки се високи, се намалуваат со промена на пренесената количина на топлина

преку разменувачите. RPA може да послужи и за откривање на скриени пинч точки. Секој

топлински разменувач има свои ограничувања на должноста (минимум и максимум должност).

Доколку некој од разменувачите е надвор од лимитираните вредности на должноста, тогаш е

потребно да им се зголеми или намали топлинскиот проток.

По завршувањето на секоја комбинација на проектирани мрежи од разменувачи и

искористувањето на сите критериуми и релаксации на системот, потребно е да се развие

проблемот за трошоците. Тоа се прави со искористување на равенките за капитални,

оперативни и вкупни трошоци на проектираниот систем. Притоа вкупните годишни трошоци

се збир од годишните оперативни и годишните капитални трошоци.

Детално проектирање на разменувачите при проектирање на HEN [57,58,59]– Основен податок

за детално проектирање на топлинските разменувачи претставува определената површина за

размена на топлината. Исто така важни се податоците за влезните и излезните температури,

протоците, специфичната топлина, густината, вискозитетот и коефициентот на преод на

топлина. Со користењето на овие податоци може да се пресмета средната калорична

температура на струите. Овие средни температури на флуидите се подобри од користењето на

аритметичката средна температура на флуидите поради промената на вискозитетот во текот на

процесот. Калоричните средни температури се определуваат според равенките (3.37), (3.38) и

факториите кои влијаат во пресметките Fc и r со равенките (3.39) и (3.40).

, , ,hc h out c h in h outT T F T T (3.37)

, , ,cc c in c c out c inT T F T T (3.38)

1

1 1

ln 11

ln

c

c

cc

r

k rF

kk

r

(3.39)

, ,

, ,

h out c in

h in c out

T Tr

T T

(3.40)

Вредноста на kc се определува од готови графици. Користејки ги основните термодинамички

равенки за пренос на топлина и пресметка на средните температури LMTD и MTD (mean

temperature difference – средна аритметичка температура) можат да бидат пресметани

површините на размена за секој топлински разменувач. Доколку се користи друг тип на

разменувачи различен од основниот цевчест разменувач, потребно е да се користи факторот на

корекција.

Други методи кои се користат за детално проектирање на разменувачите се Kern-овиот метод,

Bell-Delaware-овиот метод, алгоритам за брзо проектирање и таргетирање на површината за

размена според падот на притисокот.

3.7. Ретрофит проектирање

Ретки се случаите на проектирање мрежа од топлински разменувачи на нов проект. Најчесто

тоа се прави на веќе постоечка постројка. Проектирањето на HEN има две цели и тоа

одредување на основната структура и оптимизација на големината на топлинските

50

разменувачи. па според тоа основната задача на ретрофит проектирањето на процесната

интеграција е редуцирање на енергијата и емисиите, како и зголемување на профитабилноста.

Постојат три стратегии за ретрофит проектирање на мрежи од топлински разменувачи и тоа:

Проектирање на нов HEN со MER како нова постројка, со веќе постоечки пинч

одредувања

Користење на постоечките топлински разменувачи, греачи и ладилници да се вметнат во

мрежниот дијаграм, определување на постоечките пинч температури и цели. Се работи

според дадените пинч процедури.

Идентификација на најкритичните промени потребни во постоечката мрежа да создадат

редукција на енергијата.

Ретрофит проектирањето може да се реши со методот на инспекција и потоа да се продолжи со

стандардните постапки во пинч технологијата. Методот со инспекција е интуитивен метод со

цел да се подобрат енергетските заштеди во постројката [19]. Овој метод се состои во

следново. Прво е потребно да се соберат сите површини на размена кои постојат во работната

постројка. Потоа се врши инспекција на можните позиции на новите топлински разменувачи во

мрежниот дијаграм, кои ќе ја зголемат заштедата со намалување на должноста на греачите и

ладилниците. Количините на пренесена топлина кај новите топлински разменувачи потребно е

да се изберат со користење на EMAT за да се осигура ефикасност на системот. Потоа се

пресметуваат заштедите на енергијата како разлика на количината сервисни медиуми кои се

користат пред ретрофит проектирањето и по негово имплементирање. Во новиот проект,

големината на вкупната површина на размена се менува и потребно е да се пресмета како нов

збир од површините. Кога сето ова е направено, треба да се направи анализа на трошоците со

цел да се определи заштедата и периодот на поврат на инвестицијата. Со користење на РТА,

може да се определи ефикасноста на површината на размена со равенката (3.41) и minT за

идеален случај на проектирање на мрежи од топлински разменувачи за нов проект (реализација

од нула). Овде треба да се покажи дека нема пад на ефикасноста на површината за размена со

додатокот на новите единици.

ideal

existing

A

A (3.41)

Максимумот пренос на топлина најмногу зависи од ефикасноста на површината на размена во

ретрофит проектирањето. Постојат два случаи кога ефикасноста има вредности 0.9 и

0.9 . Доколку ефикасноста има вредности од првото ограничување, тогаш максималната

површина на размена ќе биде определена со равенката (3.42). додека, доколку е помала од 0.9

се користи равенката (3.43), или генерализираната равенка која важи за двата случаи (3.44).

,

max,

, _ .

ideal newHEN

retr

existing starting retr

AA

(3.42)

max, , ,retr ideal newHEN ideal starting existingA A A A (3.43)

, ,

max,

ideal newHEN ideal starting

retr existing

A AA A

(3.44)

Вредноста на се зема дека е 1 за 0.9 и existing за 0.9 . Со користењето на

овие вредности, може да се конструираат криви на површината на размена во однос на

енергијата за постоечкиот, идеалниот и ретрофит проектирањето. Тие криви се дадени на

сликата 3.14, каде може да се види приближувањето на ретрофит проектирањето кон

идеалниот случај на нов проект. На сликата можат да се определат четири региони. Тие се

невидливиот регион кој се наоѓа под најниските точки на постоечкиот и ретрофит

51

проектирањето. Тој е невидлив регион, бидејки ретрофит проектирањето е најекономичното

решение, сите други поблиски решенија до идеалниот случај би барале повисоки инвестиции.

Друг регион е регионот над кривата од постоечкиот проект. Во тој регион би се намалила

ефикасноста и заштедата на енергијата (многу ниска ефикасност). Регионот определен од

сегмент на кривата во идеален случај а е дел од невидливиот регион е со поголеми трошоци,

бидејки значи проектирање на нова мрежа од непостоечки објект. Регионот на ретроифит

проектирање е ограничен со кривите на постоечкиот и идеалниот проект како и ограничување

со невидливиот регион.

Слика.3.14 Кривите на ефикасноста во проектирањето како функција на површината на размена (за

идеален, ретрофит и постоечки проект) со енергијата

Вредноста на minT за ретрофит проектирање се определува со помош на пресметаните

вредности на инвестициите и годишните заштеди за различни вредности на minT . Периодот

на поврат на инвестицијата претставува права линија. Местото на вкрстување на периодот на

поврат и кривата за ретрофит инвестицијата како функции од заштедите, претставува бараната

вредност за minT [19]. Типичните вредности се дадени во табелата 3.3.

Табела.3.3 Типични вредности за minT кои се користат во ретрофит проектирањето за различни

рафинерии, базирани на студиите од Linnhoff March [19]

Одредени вредности за процесите типична вредност minT (oC)

CDU процес 30 – 40

VDU процес 20 – 30

Нафта Реформинг / хидротратер единица 30 - 40

FCC 30 – 40

гас масло хидротреатер / хидротреатер 30 – 40

резидуи хидротреатинг 40

Единица за производство на водород 20 - 30

На сликата 3.15 се гледа дека заштедите се определени и функционално зависат од

заштедената енергија, додека висината на инвестицијата е во функционална зависност со

инсталираната површина на размена при ретрофит проектирањето.

Кога оптималната вредност на minT е определена, мора да се определи ефикасноста на

површината на размена за секој топлински разменувач. За определување на ефикасноста се

52

користи равенката (3.45), каде Ae ја претставува постоечката површина на размена и Arp,e

површината која се добива за инсталација во постоечкиот проблем.

,

ideale

e rp e

A

A A

(3.45)

Слика.3.15 Крива создадена како функција на инвестицијата во однос со годишните заштеди

Ниската вредност на ефикасноста на површината дава неефикасен разменувач, па според тоа

потребно е подобро да се позиционира. Постојат и случаи каде има висока ефикасност на

површината, но поради ниските движечки сили, таквиот разменувач треба да се отфрли. Добар

топлински разменувач претставува оној кој има високи ефикасност и движечка сила.

Потврдувањето за неефикасни единици може да се утврди со промена на односот од

топлинските протоци и промена на излезните температури на струите. Можни се разни

алтернативи во проектирањето. Крајното ретрофит решение вклучува редукција на бројот

единици кои се развиваат со конвенционални начини со поместување на разменетата топлина

долж затворените кружни патишта и патишта на поврзаност помеѓу сервисните струи, со

нивно прекинување. Крајното решение е определено со бројот на нови единици, нивната

површина на размена, како и потребата од зголемување на површина за размена за постоечките

разменувачи и анализа на трошоците.

Важен дел во ретрофит проектирањето е ретрофит проектирање низ постапките за одредување

падот на притисокот. Поради промената на падот на притисокот се потребни дополнителни

уреди како пумпи, компресори и слично. Сето тоа ги зголемува трошоците. Со тоа може да се

одреди дека некои случаи се многу скапи, неисплатливи да се направи ретрофит проектирање.

Откривањето на тесните грла е исто така важно во пинч технологијата. Во случај да има

потреба од зголемување на некои карактеристики на производствениот систем за одреден

процент, потребно е истиот да се симулира. Со симулацијата би се одредиле новите параметри

кои би ги дал системот со промените во струите. Кај ретрофит проектирањето се креираат

графиците на површина за размена со енергија, се определува површината потребна за

топлината која се разменува со ограничувањата на сервисните струи и падот на притисокот во

струите.

Со начинот на определувањето на пинчот, може да се идентификува прекршителот на пинчот

или да се најде вредности кои ја лимитираат заштедата на топлината. Точката каде сето ова се

случува се нарекува пинч на мрежата. Мрежниот пинч е определен како местото каде

постоечките разменувачи го зголемуваат minT .

53

Asante и Zhu [19] идентификувале неколку можни приближувања откако е определен

мрежниот пинч. Тие се следниве можности:

Ресеквенционирање (Resequencing) – пренасочувањето на распоредот на два разменувачи

понекогаш можат да доведат до подобра заштеда на енергија.

Промена на струи (Repiping) – е слично на ресеквенционирањето, тука се променува

комбинацијата на присутните струи за постоечки топлински разменувач.

Дополнување со нови вредности (Adding a new match) – се користи за промена на

количината разменета топлина на една струја во пинчот.

Раслојување (Splitting) – се користи раслојувањето на струите со што се редуцира

количината разменета топлина во струјата кај пинч точката.

Linnhoff го предложил пинч методот за проектирање со преискористување на постоечките

топлински разменувачи [62]. Методот се состои од следниве чекори кои се модификација на

прикажаниот метод:

Постоечката мрежа се бриши

Се репроектирање нова мрежа по пинч технологијата (пинч проектирање методот)

Повторно искористување на топлинските разменувачи на местата од новите, помеѓу

истите струи

Тој ја дава шемата за тоа како се прави ретрофит проектирањето (слика 3.16).

Слика.3.16 Шема за ретрофит проектирање предложена од LINNHOFF [62]

Сите овие процедури користат стационарна состојба со константни протоци и температури. Во

реалните постројки кои работат, постојат три основни случаи. Тие се:

Работење со различни работни случаи (различен состав, температури и сл.).

Ненамерни долготрајни варијации на параметрите (пример е чистењето и таложењето на

површината за размена – се менува вредноста на коефициентот на преод на топлина)

Краткотрајни и случајни промени (варирање на температурата или масениот проток во

процесот)

54

Овие примери се примери за тесни грла. Доколку му се промени некоја карактеристика на една

од струите, ќе предизвика промени во размената на топлината од сервисните струи или

процесните струи. Помали вариации се очекувани во интегрираниот систем. Операбилноста

зависи од ограничувањето на варијабилноста на параметрите.

Доколку е потребно да се определи реакцијата на постројката во однос на енергијата која ја

користи, потребно е да се направи т.н. “анализа на промена на процесот”. Секоја постројка

генерално е составена од:

Реактор каде се одвиваат главните хемиски или биотехнолошки процеси и од него зависи

составот и карактеристиките на излезните струи.

Сепарационен систем – тоа се системи каде се одвојуваат производи, отпади и

неизреагирани суровини од нивната мешавина.

HEN – местото каде се снабдуваат потребите од топлина во постројката

Систем на сервисни медиуми – генерирање на ладни и топли сервисни медиуми

Конвенционалните методи за проектирање почнуваат со проектирање на реакторот (како што е

прикажано во кромидовидниот дијаграм). Доколку задачата на процесната интеграција е

зголемување на размената на топлина и редуцирање на потребите од сервисни медиуми, тогаш

може да се користи принципот на плус/минус. Со користење на овој принцип, можат да се

променат топлинските размени во топлите струи над пинч точката и кај ладните струи под

пинч точката. Редуцирање на сервисните медиуми може да се направи, доколку:

Се зголеми вкупната пренесена топлина на топлите струи над пинч точката

Се намали вкупната топлинска размена над пинч точката

Се намали вкупната топлинска размена на топлите струи под пинч точката

Се зголеми вкупната топлинска размена кај ладните струи под пинч точката.

Првите два случаи ќе ги редуцираат потребите од топли сервисни медиуми, додека вторите ќе

ги редуцираат потребите од ладни сервисни медиуми.

55

4. Опис на технолошкиот процес на производство во АД ф-ка за квасец и алкохол – Битола

Референтната постројка за производство на квасец и алкохол од Битола е основана 1964

година. Таа е една од најстарите фабрики за производство на квасец и алкохол на балканот.

Географски (Слика 4.1) e сместена во стратешка област кон главните патни правци. Таа се

наоѓа во близина на патниот правец кон Грција, односно оддалечена е околу 15 km од

Македонско – Грчката граница.

Слика 4.1 Географска позиција на фабриката за квасец и алкохол во Битола

Нејзиното основање е како последица на големата количина на отпадни материи од

индустријата за шеќер од шеќерна репка. Со текот на годините, нејзиниот капацитет постојано

се зголемува, како и асортиманот на производи. Основни производи се пекарскиот квасец

(свеж и сув активен квасец) и рафинираниот алкохол со нуспроизвод алкохол за горење

(денатуриран алкохол). Со нејзиниот развој се започнува производство на разни соеви вински

квасец, селенов сточен квасец, производи за млечната индустрија (сириште), преработки од и

за пчеларството (производство на раствори од прополис и производство на биопогачи за

прихрана на пчелните семејства), како и адитиви со различни намени во пекарската

индустрија. Просечните количини на свеж квасец кои се произведуваат на годишно ниво се

6000 t, сув активен квасец 1200 t и околу 4000 m3 рафиниран и денатуриран алкохол.

Можностите за понатамошен развој на оваа фабрика се големи, посебно во енергетиката –

производство на апсолутен алкохол за потребите на биоетанолско гориво (мешавина алкохол

(маx.30%) со бензин).

56

4.1. Референтна постројка за производство на квасец и алкохол

Производствениот процес во постројката за квасец и алкохол (слика 4.2) е заокружен со два

главни патишта [63,64]: пат на производство на пекарски квасец, кој се состои од:

Припрема на суровините (подсистем A),

Аеробна ферментација (подсистем B),

Сепарација со центрифуги (подсистем C),

Филтрација (подсистем D),

Сушење (подсистем E), и

Паковање и складирање на готовиот производ – пекарски квасец (подсистем I).

и втората насока е патот на производство на алкохол, кој се состои:

Припрема на суровините (подсистем A),

Анаеробна ферментација (подсистем F),

Сепарација на превриената комина во алкохолната комина и квасно млеко (подсистем G),

Дестилација на алкохолната комина (подсистем H) и

Складирање на алкохолот како краен чекор.

Производството започнува во подсистемот A, каде суровата меласа (RML) (складирана во

резервоари за сурова меласа) се третира со цел да се добие подготвена меласа (PML). RML

содржи 45–50% сахароза и други компоненти како гликоза, фруктоза, некои витамини (како

биотин), минерални материи, како и протеински делови и органски киселини кои пречат во

производството. RML прво се меша со топла вода (HW1), со цел да се подготви раствор од

меласа (MS). Потоа, MS се води на сепарација со центрифуга, каде цврстите материи и

волуминозните талози се издвојуваат (струја од празнење CSD). Еден дел од цврстите материи

коагулираат со додавањето на сулфурна киселина. По центрифугирањето, бистрата меласа MS

се стерилизира со нископритисна пареа (LP1) и се носи на втор степен на сепарација – фазна

сепарација. Со неа се издвојуваат лесно испарливите компоненти (млечна киселина, бутерна

киселина, сулфур диоксид и други инхибитори на процесот на ферментација за биомаса од

квасец) од MS. Крајниот производ од овој степен - PML се лади при фазната сепарација под

вакум и ладење на испарливите компоненти преку плочест топлински разменувач (со ладна

вода, CW1) и се складира во резервоар за припремена меласа.

Во следениот степен на процесот е ферментацијата (подсистем B). Производствениот процес

овде се дели на правец за производство на квасец и правец за производство на алкохол. Во

случајот на производство на квасец, PML се носи до единиците за аеробна ферментација

(подсистем B). Ферментациониот процес започнува со поставување на топла вода (HW2) во

која се додаваат следните влезни компоненти во подсистемот:

• хранливи соли (FS),

• ладна вода (CW2) струја која е потребна за миење на садовите,

• вода за ладење (RWS)-која се користи за контрола на температурата на ферментација

• воздушни струи (AS)-се користи како извор за кислород за раст на биомасата од квасец.

Крајниот производ од ферментациониот процес е квасната комина (YW).

57

Слика 4.2: Технолошкиот процес на производство во фабрика за квасец и алкохол [63]

58

Во наредниот степен во производството YW се прочистува преку тристепено центрифугирање

во подсистемот C. После сепарацијата, квасното млеко (YC) при која се промива со ладна вода

(CW3), како такво се складира во дупликатори за квасно млеко. Нечистотиите екстрахирани од

водата и издвоени со центрифугирањето се испуштаат во отпаден канал (ImS). Топлата вода

(HW3) се користи за миење на системот од центрифуги.Едната форма на готов производ – свеж

пекарски квасец (квасец со содржина од 30 – 34% суви материи) се добива во подсистемот D,

преку процес на вакуум филтрација со ротационен вакуум филтер. Еден дел од овој квасец

(FY) се транспортира на паковање како свеж пекарски квасец, а останатиот се праќа во

подсистемот E на дополнителна обработка. Филтратот (FL), како резултат од промивањето со

вода, претставува отпадна струја.

Подсистемот E (континуирана сушара) е снабден со LP пареа (LP2), топла вода (HW5) и сув

воздух (DA). Крајниот производ од овој подсистем, сувиот активен квасец (DY), се

транспортира до силоси за складирање и следниот чекор на негово паковање. Излезната струја

(HA), од подсистемот E, претставува топол влажен воздух.

Во случајот со правецот на производство на алкохол PML се дозира во анаеробна

ферментациска единица (подсистем F). Процесот на анаеробна ферментација (позната како

алкохолна ферментација) има пониска активност, при што шеќерите се трансформираат во

етанол зависно бројот на квасни клетки. Анаеробната ферментација се подесува со помош на

топла (HW6) и ладна вода (CW6). Алкохолното квасно млеко (AYC), како стартер за шаржната

feed batch ферментација, се додава од дупликатор за чување на алкохолното квасно млеко.

Еден од производите на ферментацијата се излезните гасови (EG), кои претставуваат мешавина

од јаглерод диоксид, вода и етанол. Како производ на алкохолната ферментација е алкохолната

ферментирана комина (AFM), која содржи приближно 8-10 %Vol. Етанол.

Во следниот степен, подсистем G, AFM се сепарира во две струи: алкохолна комина (AF) и

алкохолно квасно млеко (AYC). Алкохолната комина (AF) понатаму претставува струја која ја

храни единицата за дестилација, т.е. подсистемот H. Резултат од дестилацијата е 96% Vol. Етил

алкохол (EA) и технички алкохол (TA) кои се складираат во резервоарите STE и STA.

Техничкиот алкохол претставува мешавина од етанол, алдехиди (ацеталдехид) и некои други

лесно испарливи компоненти. Отпадни струи од дестилацијата се:

Џибра (MR),

Лутер вода (LT), и

Вода за ладење од цевчестите топлински разменувачи (WHE).

За потребите на фабриката од енергија постои подсистемот U во кој се генерираат:

Нископритисна пареа (LP) – сатурирана пареа (p=8 bar, T=172.57oC) која се добива во 2

мазутни котли за пареа (топлински капацитет на котлите е 6 MW со максимално производство

на пареа од 9.2 t/h). Дел од произведената пареа (≈0.1 kg/s) се користи за загревање на

просториите (околу 840 MJ/h).

Ледена вода, која претставува раствор од 20% vol. Етанол и 80% vol. вода, со температурен

опсег помеѓу -2oC и -4oC. Ледената вода се користи во процесот на филтрацијата на квасното

млеко и како сервисен медиум за ладење во резервоарите за чување на квасното млеко.

Вода за ладење – се носи од регионалниот систем за снабдување со вода. Ладната вода се

припрема (со филтрирање и хлорирање) во системот за ладна вода (CW) од каде се

дистрибуира до сите делови на постројката или се складира во резервоар за ладна вода.

Просечниот масен проток на ладната вода која се користи за добивање на топла вода изнесува

околу 5 m3/h (температура: 5oC во зима и 15oC во лето).

59

Топлата вода, се припрема во системот за топла вода (HW) со директно загревање со пареа

инјектирана во ладната вода доведена од системот за ладна вода CW. Температурата на

топлата вода изнесува 90oC.

4.2. Анализа на производствените подсистеми во постројката

4.2.1 Подсистем за подготовка на суровините

Во подсистемот “А” е опфатена опремата потребна за припремање и складирање на

хранливите материи потребни за производството, посебно за припремање на меласата.

Меласата е основна суровина која во себе содржи големи количини на сахароза. Таа се

складира како густа меласа која за производството треба да се разреди и припреми за употреба.

За производството на квасецот и алкохолот потребно е да се припремат и хранливи соли кои

играат важна улога во метаболизмот на квасната клетка за раст и развој (види Апендикс A)

Суровата меласа (струја 1) и топлата вода (струја 2) се мешаат во меласен раствор со точно

определена густина од 40оBllg. Топлата вода потребно е да биде со што е можно повисока

температура. Таа се носи од резервор за топла вода. На така припремениот меласен раствор се

врши корекција на рН вредноста до точно определена вредност и понатаму оди на дообработка

– бистрење од цврстите честички кои се содржани во неа, како и од колоидните компоненти.

Тоа се прави со помош на центрифугирање, со посебен сепаратор за меласа SEP-1 (Слика 4.3).

Слика 4.3 Подсистем “А” – единица за припрема на суровините

Струјата 4 која во себе ги содржи талозите, ги носи во декантер, од каде по одреден временски

период на гравитационо таложење, непотребните материи се исфрлаат во канал, а бистрата

меласа повторно се преработува. Бистрата меласа (струја 5), по бистрењето потребно е да се

стерилизира. Стерилизацијата се врши на температура од 121оС за краток временски период.

Загревањето се прави со помош на нископритисна заситена пареа (струја 7) преку плочест

топлински разменувач HE-1 (Слика 4.6). Загреаната стерилна меласа (струја 6) влегува во

експанзионен сад кој игра улога на фазен сепаратор (Phase Separator) кој работи при

константен притисок од 0.4 bar. При експанзијата, нагло паѓа температурата на меласата и

нагло испаруваат полесно испарливите компоненти (струја 9 и нивниот кондензат струја 10).

Ова се прави со цел да се изврши ефикасна стерилизација, а од друга страна да се издвојат

штетните инхибиторни компоненти за понатамошниот процес, како што се млечната,

бутерната, пропионската киселина, сулфурниот диоксид и други. Константниот вакуум се

одржува со систем на сериски поврзани кондензатор HЕ-2 и вакуум пумпа. Сервисен медиум

за ладење е ладна процесна вода (струја 11). Струјата 13 претставува готова припремена

меласа, која се складира во резервоар за дозирање.

60

Во овој подсистем може да се вклучи и припремата на хранливите соли (слика 4.3). Тие се

припремаат со растварање на соодветната хранлива сол во вид на цврста материја (кристали,

лушпи или аморфна маса) (струја 14) во припремена млака вода со мешање на топлата вода

(струја 15) и ладната вода (струја 16) во миксерот Mix-2. Припремањето е шаржно. Секоја

припремена шаржа на некоја од хранливите соли се транспортира до соодветниот дозирен сад

преку струјата 17. Од дозирните садови, се дозираат растворите од хранливи соли во текот на

ферментациите. Соли кои се припремаат се: Mg – [MgSО4], АS – [(NH4)2SО4], DAF –

[(NH4)2HPО4], АV – амонијачна вода.

Слика.4.4 Дел од подсистемот “А” – дел за припрема на хранливите соли потребни за ферментациите

Подсистем “B” - (слика 4.5) Овој подсистем ја опфаќа единицата за аеробна ферментација, т.е.

единицата за добивање на квасна биомаса по ферментативен пат. Во тие единици се врши

размножување на квасецот во присуство на меласа (сахароза), хранливи соли и воздух

(кислород) – Апендикс A. Основа се системот од аеробни ферментори АЕF со придружната

опрема.

Слика.4.5 Подсистем “B” – единица за аеробна ферментација

61

Припремата на ферменторот за ферментација започнува со неговото миење преку CIP систем.

Откако е добро измиен, тој мора да се стерилизира со пареа (струја 29). По стерилизацијата, се

внесуваат топла (струја 20) и ладна (струја 30) вода во сооднос да крајната температура од

мешавината биде температурата на ферментацијата на квасецот. Во водата се додаваат дел од

хранливите соли, лабораториски припремената мешавина од витамини и минерали, како и дел

на одредена количина меласа (струја 18). Дел од матичното квасно млеко кое се чува во сад со

двојни ѕидови MKD, се префрла во сад за припрема на матичното млеко МАТ. Од таму се

транспортира во ферменторот каде се наоѓа веќе припремениот иницијален раствор за почеток

на ферментацијата. Притоа се започнува со внесување и на воздух (струја 26) преку

воздушните дувалки VD. Откако ова ќе биде направено, се започнува со постепено дозирање

на меласа и хранливи соли (feed batch). Излезните гасови од ферменторот излегуваат преку

струјата 21 врвејки низ циклон. Температурата на ферментацијата се регулира преку кружната

струја 22. Таа поминува низ топлински разменувач HEF, во кој ладењето се прави со струја 27

(вода за ладење од регионален систем). Во текот на ферментацијата се одржува нивото на пена

со помош на електроди на две нивоа. Во случај на доаѓање на пената до критично ниво,

автоматски се внесуваат порции од антипенушливец (специјален вид на масло). Текот на

создавање на биомасата е прикажан со графчката зависност дадена на слика 4.4 во

внатрешноста на ферменторот. Тоа е зависноста на количината на биомаса од времето на

ферментација. Во почетокот е експоненцијална функција, за да при достигнување на

максимумот на аерациониот систем премине во константна вредност. По завршувањето на

ферментацијата, ферментираната квасна комина со струјата 31 се транспортира до единицата

за сепарација на квасно млеко, која е дел од подсистемот “C”.

Слика.4.6 Подсистем “C” – единица за сепарација на квасно млеко

Подсистем “C” – Овој подсистем има за цел да ги одвои и промие квасните клетки од комината

во која покрај квасец се содржани компоненти кои влијаат врз квалитетот на квасецот во

понатамошните чекори на производството. Тука се остатоци од суровините, разни метаболити

од клетките, дел мртви клетки и мал дел неспецифични микроорганизми (исклучителни

случаи). Центрифугално се исфрлаат квасните клетки како потешки честички. Нечистотиите се

издвојуваат и со промивање со ладна вода во која се раствораат (Апендикс A). Единицата за

сепарација на квасното млеко се состои од три сепаратори (центрифуги) сериски поврзани

помеѓу себе (слика 4.6). Квасната комина 31 влегува во првиот сепаратор, каде се раздвојува на

струја која го содржи најголемото количество на биомаса (струја 33), и струја која ги содржи

најголемиот дел од нечистотиите 32. Излезеното квасно млеко од првиот сепаратор Sep.c-1 со

голема содржина на нечистотии 33 се разредува континуирано со ладна процесна вода 34 до

содржина на биомаса која ја има во квасната комина (струја 35). Струјата 35 е влезна струја во

вториот сепаратор Sep.c-2. Таа се раздвојува на струја која е квасно млеко 36. Оваа струја е со

помала содржина на нечистотии во однос на 33. Струјата 37 ги носи нечистотиите издвоени од

62

во вториот сепаратор. Постапката се повторува како и во првиот сепаратор. Струјата 36 се

разредува со ладна вода 38. Добиената струја 39 е влезна струја во третиот сепаратор. Кај

третиот сепаратор излезната струја која ја содржи квасната биомаса го претставува финалното

квасно млеко (струја 41). Тоа се лади континуирано врвејки низ плочест топлински разменувач

со користење на ладен сервисен медиум ледена вода. Изладеното квасно млеко (струја 33) се

складира во дупликатор DKM, кој е обезбеден со двојни ѕидови низ кој меѓупростор постојано

струи ледена вода како ладен сервисен медиум. Улогата на овие двојни ѕидови е одржување на

ниската температура на квасното млеко и нејзино понатамошно подладување. Дупликаторите

се опремени со мешалки со кои се спречува лесното таложење на биомасата во садот. За

потребите на единиците за издвојување на квасецот и негово пакување, се транспортира преку

струјата 45 до наредниот подсистем “D”.

Слика.4.7 Подсистем “D” – филтрациона единица за свеж квасец

Подсистем “D” – Тоа е единица за издвојување на квасец со помош на ротациона вакум

филтрација (слика 4.7). Главниот процес претставува издвојување на свеж квасец со содржина

на сува материја од 30 – 34%. Површината за филтрација на квасното млеко претставува слој

од скроб нанесен над филтер платно. Под платното се одржува константен вакум како

движечка сила на процесот на филтрацијата (Апендикс A). За таа намена се работи со вакуум

ротационен филтер VF-1 и придружни елементи. Квасното млеко 45 со просечна

концентрација од 0.75 kg/m3 К32 квасец (квасец со содржина на 32% С.М.) се дозира преку

дозирна кадичка, така да се нафаќа слој квасец на површината на вакуум филтерот.

Максимална температура на струјата 45 е 6оС и топлински капацитет од 3.56 kЈ/kgК.

Површината на вакуум ротациониот филтер се дели во повеќе зони и тоа: зона на нанесување

квасен слој, зона на сушење, зона на промивање и зона на повторно обезводнување. При оваа

постапка, цел е да се добие квасец со повисока содржина на суви материи, поради што се

користи процесот на “солена осмоза” со додаток на соли со одредена концентрација. Поради

нивното присуство, потребно е да се изврши миење со промивна вода (струја 48). Таа

промивна вода мора да биде ладна со што би се задржала ниската температура на издвоениот

квасец. Поради тоа струјата 48 се лади низ топлински разменувач со помош на сервисен

медиум “ледена вода”, и како таква (струја 49) врши промивање. Веројатноста за присуство на

квасни клетки во добиениот филтрат (струја 47) е многу мала, бидејки слојот квасец се

нанесува на претходно нанесен слој од скроб. Од филтерот издвоениот квасец се сечи со

помош на нож во танки листови, кои се транспортираат (струја 46) до машина за формирање и

паковање или пак се користи за добивање на сув квасец. Струјата 47 има релативно ниска

температура и без претходно искористување за ладење во дел од процесот се исфрла како

отпадна вода.

Подсистем “Е” - Претставува единица за сушење на квасецот (слика 4.8). Ова е процес на

одземање на влагата која се содржи во квасната маса издвоена со филтрацијата. Сушењето се

прави со топол сув воздух со режим кој нема да ги оштети клетките и да ја намали нивната

активност. Дел од свежиот квасец кој е издвоен во подсистемот “D” преку струјата 52 се

внесува во сушарата за сушење на квасец FBD-1. Квасецот се суши во три одделни зони со

63

помош на претхоно кондициониран сув воздух. Карактеристиките на воздухот се различни во

сите три зони. Начинот на премин од едната во другата зона се базира на специфичната тежина

на честичките квасец (резанци). Помеѓу зоните постојат прегради кои честичките квасец ќе

можат да ги прескокнат само кога ќе изгубат дел од влагата со што силата на гравитација и

силата на принудното движење на воздухот нагоре ќе ја доведат честичката на ниво повисоко

од преградата. Тоа важи за сите три зони. Струјата 54 претставува сув воздух, кој се

транспортира со вентилатори од систем за одземање на влагата до раздвојување на струјата кон

секоја од зоните на сушарата. Воздухот е исушен со посебен дехумидификационен систем по

принцип на ладење на воздухот и адсорпција на влагата. За секоја од зоните постојат

топлински разменувачи HЕ-10, HЕ-11, HЕ-12 редоследно, во кои се загреваат сувите воздушни

струи до потребната температура за сушење. Загреаниот воздух во топлинските разменувачи

(HЕ-10, HЕ-11 и HЕ-12) влегуваат во секоја зона на сушење во континуираната сушара FBD-1

како струи 55, 56, 57. Од третата зона добиениот сув активен квасец преку струјата 61 се

транспортира до силос за складирање во подсистемот “I” кој ги содржи единиците за паковање.

Секоја влезна струја на топол сув воздух има своја излезна струја на топол влажен воздух

(влага со различен %RH). Тие излезни струи се редоследно 126, 127, 128, кои покрај влагата,

носат и мали количини ситен прав од сува биомаса.

Слика.4.8 Подсистем “Е” – единица за сушење на квасец

Подсистеми “F” и “G” – Овие неразделно поврзани подсистеми ги содржат единиците за

анаеробна ферментација во производството на алкохол со придружна опрема (Слика. 4.9). Во

овој подсистем, со помош на алкохолното квасно матично млеко се врши биохемиска

трансформација на шеќерите до етанол и придружни метаболити. Основен предуслов за тоа е

неприсуство на кислород во хранливата средина. Како главни производи кои се добиваат во

најголема количина се етанолот и јаглерод диоксидот. Овде единствено меласата се дозира во

порции, додека останатите компоненти се додаваат во припремата за ферментација. Добиената

алкохолна комина се издвојува со центрифугирање, каде се издвојува и алкохолното квасно

млеко. Етанолот се издвојува со сепарационен систем од дестилациони колони (Апендикс A).

Претходно измиениот и стерилизиран со пареа ферментор (струја 70) се припрема за

отпочнување на ферментација со мешање на ладна (струја 69) и топла вода (струја 66) до

температура и волумен потребен за ферментацијата. Во водата се додаваат потребните соли

(струја 65), мала количина меласа и алкохолно матично квасно млеко (струја 67) сочувано од

претходните алкохолни ферментации во дупликатори за таа намена (R-AKM). Кога сето тоа е

направено, анаеробната ферментација започнува со работа.

64

Слика.4.9 Подсистеми “F” и ”G” – единица за анаеробна ферментација со придружна опрема

Во текот на ферментацијата како се создава алкохол (како се троши сахарозата) така се

надополнува со меласа. Тоа трае се додека не се исполни целокупниот волумен на

ферменторот Аnf. Кога ќе се исполни ферменторот со алкохолна комина, се одржува

ферментацијата до степен на целосна конверзија на шеќерите. Наредна фаза е сепарирање на

алкохолната комина 73 од алкохолното квасно млеко струја 72. Тоа се прави со сепаратор

(центрифуга) Sep.f. Добиената алкохолна комина се складира во резервоар за таа намена Акf и

понатаму служи за напојување на подсистемот “Н” (струја 71), т.е. дестилеријата.

Подсистем “H” – Овој подсистем кој претставува дестилерија во која се издвојува етил

алкохолот од алкохолната комина. Алкохолната комина по состав е комплексна смеша на

различни органски компоненти. Тие органски компоненти дел се присутни од суровините, а

дел се метаболити. Оние метаболити кои се со слични физико хемиски својства се издвојуваат

како посебни струи. Главни групи се алдехидите, алкохолите и органските киселини. Со

системот на дестилациони колони се издвојуваат како тешки или лесни фракции. Ова е

специфичен процес за издвојување на алкохолот со дестилацијата во систем на сериски

поврзани дестилациони колони (слика 4.10).

Слика.4.10 Подсистем “H” – дестилациона колона

65

Алкохолната комина (струја 79) се транспортира од резервоарот за складирање на комината

до влезот во дестилеријата. Таа претходно се предгрева во топлинскиот разменувач HЕ-3 и

како влезна струја 80 ја храни првата колона DC-1 од серијата дестилациони колони. Таа струја

се предгрева од 30оС до 75оС. Лесно испарливите компоненти се издвојуваат и излегуваат од

врвот на колоната преку струјата 81. Тие компоненти се кондензираат во систем дефлегматори

HЕ-4. Струјата 84 претставуваат влезна струја за наредната колона DC-2, додека струјата 83

претставува рефлуксот за првата колона. Тешките компоненти од првата колона се издвојуваат

како отпадна струја 78 (“Џибра”). Втората колона DC-2 ги издвојува алдехидните компоненти

во системот дефлегматори HЕ-5, каде непотребните материи се извлекуваат преку струјата 87.

Струјата 86 претставува рефлукс на колоната. Бидејки овде се издвојуваат непотребните лесно

испарливи компоненти, алкохолот останува во тешкоиспарливите компоненти. Како такви,

тешкоиспарливите компоненти од дното на DC-2 се транспортираат во третата колона DC-3,

како струја 104 која ја храни оваа колона. Оваа ректификациона колона има улога да издвои

повеќе видови на непотребни компоненти и да го издвои крајниот чист производ етил

алкохолот. Тешките компоненти се издвојуваат на дното како струја 93, позната под името

Лутер. Таа струја, исто како и Џибрата се отпадни струи кои во себе содржат висока количина

на енергија. Струјата 90 претставува смеса на кондензатите од топлинските разменувачи

(дефлегматори) HЕ-5 и HЕ-6 позната како технички алкохол. Техничкиот алкохол претставува

смеша на алдехиди, етанол и различни алкохоли. Струјата 91 претставува издвоен производ

етанол од DC-3 во гасна фаза, кој се кондензира во топлинскиот разменувач HЕ-7 и излегува

како течна струја 92. Сервисен медиум за ладење е ладна вода (струја 102) која излегува од

системот по извршеното ладење (струја 103) со повисока содржина на топлинска енергија која

може понатаму да се искористи. За правилно изведување на дестилациите, колоните се

загреваат со директно внесување на пареата (струја 74).

Слика.4.11 Систем за загревање на работните простории

За загревањето на работните простории се користи топловоден циркулаторен систем (слика

4.11). Циркулационата вода (струја 119) се догрева преку топлински разменувач HЕ-8 со

користење на нископритисна пареа (струја 118). Струјата 120 претставува излезната загреана

циркулаторна вода на системот, додека струјата 121 претставува излезен кондензат од

системот.

Подсистем “U” – Овој подсистем во себе ги вклучува единиците за производство на

сервисните медиуми, и тоа водена пареа, припремање на ладната и топлата вода и нивна

дистрибуција. Целокупната вода потекнува од регионален дистрибутивен систем за

наводнување. Тоа значи дека таа вода не ги задоволува стандардите за користење во процесот.

Поради тоа, таа (струја 119) се филтрира низ песочни филтри (P.Fil.) со цел да се издвојат

механичките нечистотии. За да се користи како процесна вода потребно е и да се дезинфицира.

Дезинфекцијата на водата е хемиска со хлорирање (Cl) на филтрираната вода 114 и 116.

Дезинфицираната вода 117 се складира во резервоар за ладна вода (R-LV). Од резервоарот се

дистрибуира во производството како ладна процесна вода 124. За потребите за топла вода се

транспортира дел од ладната вода (струја 123) во резервоарот за топла вода (R-1) во кој истата

66

се загрева до потребната температура со директно внесување на пареа (струја 125).

Максималната температура која се одржува во системот е 90 – 95оС. Загреаната вода од

резервоарот се дистрибуира во производството како топла процесна вода (струи 11, 15, 20 и

66).

Слика.4.12 Подсистем “U” – единица за генерирање на сервисни медиуми

За потребите за ладење каде како фактор не влијае чистотата на водата, се дистрибуира вода

директно од регионалниот систем за наводнување.

Во случајот на генерирање и дистрибуција на пареа, филтрираната вода (струја 14 и 16) мора

да се омекни. Омекнувањето се прави со јонска размена – катјонски разменувач (DЕЈ).

Дејонизираната вода (струја 113), како и повратниот кондензат од производството (струја 112)

се собираат во собирен резервоар (Sob.R). собраната вода преку струјата 111 се носи во

деаератор. Деаераторот (DEAER.) со директно внесување на пареа се врши издвојување на

присутниот кислород во течноста. Деаерираната вода се собира во напоен сад (N.sad) од кој се

напојуваат котлите Ку преку напојната струја 107. Загревањето на вака припремената вода се

прави со согорување на мазутот (струја 106) како гориво во присуство на принудно доведениот

воздух 105. гасовите од согорувањето се испуштаат во атмосферата преку струјата 108.

Пареата се дистрибуира во производството како нископритисна пареа преку струјата 110,

додека за сопствените потреби на подсистемот се носи пареата преку струите 125 за топла вода

и 109 за потребите на котларата (припремање на водата за котлите).

Подсистем “I” – ги опфаќа финалните работи во производството – паковање и транспорт

(слика 4.13). Свежиот квасец се носи (струја 461) во машина за формирање и паковање.

Спакован во картонски кутии се палетизира и складира во ладилник до конечниот транспорт.

Ладилникот е опремен со воздушен топлински разменувач. Тој функционира по принципот на

експанзија на течниот амонијак (TAV), кој при експанзијата апсорбира енергија од околината

(струја ТАI). Движејки се воздухот принудно со вентилатори се лади. Ладниот воздух струејки

низ просторот на ладилникот врши ладење на производите и одржување на ниска температура.

Сувиот квасец кој се издвојува од сушарата за квасец како струја 61, се транспортира во силос

67

за сув активен квасец. Од него се врши полнење и вакумирање во пакетчиња со различни

тежини (зависно од потребата). Амбалажирани во картонски кутии се палетизираат и

транспортираат до потрошувачите.

Слика 4.13. Подсистем “I” – единица за паковање, складирање и транспорт

68

5. Симулација на енергетскиот систем

Со цел да се направи симулација на сите делови на подсистемот, потребно е да се изврши

билансирање на материјалните и енергетските струи присутни во нив. Општите материјални и

енергетски биланси се дадени во Aпендикс А.

Стационарност на производствениот процес – производствениот процес има својство на

стационарен процес. Девијации се сретнуваат поради припремата на суровините според

претходно одредени вредности на еден од параметрите. Тоа најосетно може да биде кај

припремата на меласата за дозирање. Суровата меласа се разредува до барана густина на

растворот (40оBllg). Меласата со различно географско потекло и различна индустрија за шеќер

(различен степен на екстрахирање на сахарозата) има различен сооднос на содржината на

сахароза и густината на меласата. Покрај тоа може да има различна содржина на испарливи

органски киселини и талози (цврсти примеси). Сето ова е предуслов за девијацијата на

квалитетот на припремената меласа. Сепак, најголемо влијание има соодносот на сахароза со

густината на суровата меласа, кој преоѓа во припремената меласа. Во различни шаржи се

добиваат ферментации со ист степен на искористување, но со различен принос на биомаса.

Слично се случува и кај растворите со хранливи соли. Исто и тие се припремаат во однос на

определена стандардна густина, што во случај на понизок степен на чистота на солите се

добиваат различни концентрации на хранливи соли.

При процесот на сепарација на квасната комина, многу важна улога игра големината на

клетките во добиената биомаса. Големината на клетките на биомасата зависи од два основни

фактори и тоа: секој сој на квасец има специфична големина на клетката и влијание има

изгладнетоста на клетките во добиената биомаса. Изгладнетоста или периодот на гладување на

клетките е многу важен во ферментациониот процес. При навремено започнување на периодот

на гладување, се создаваат квасни клеки со поголеми димензии (зрели клетки) кои во себе

акумулирале големи количини на резервни материи како одговор на појавата на гладување.

Доколку овој процес на гладување се задоцни, тогаш клетките кои ќе се добијат на крајот од

ферментацијата како млади, ситни клетки, клетки во развој, нестабилни (со голема содржина

на протеолитички ензими кои водат кон автолиза) и многу осетливи и нестабилни клетки и

како биомаса и како краен производ. Во случајот на сепарација на добиената маса, која се

издвојува под дејство на центрифугални сили со ист интензитет, степенот на раздвојување на

биомасата од комината ќе биде секогаш различен. Во отпадната вода секогаш ќе има повисока

содржина на млади клетки (загуби на биомаса). Намален принос при аеробните ферментации

може да се случи и поради присуство на инхибитори или пак појава на создавање на алкохол

поради причини наведени во глава 4. Создадениот алкохол се екстрахира со аерациониот

воздух и се исфрла во атмосферата преку излезниот (искористен) аерационен воздух.

Во текот на филтрацијата практично се смета дека нема содржина на квасни клетки кои

претставуваат загуба преку нивно одлевање во филтратот. Слојот од скроб низ кој се филтрира

квасното млеко е со мала порозност, што недозволува загуба на квасни клетки. Единствена

загуба може да биде во количината на автолизирани клетки поради несоодветна температура

на чување или лош ферментативен процес. Автолизатот (клеткината протоплазма) може да

премине во филтратот.

Во процесот на сушење на свежиот квасец најважна карактеристика е содржината на влага во

воздухот за сушење и во квасецот на влез и излез од сушарата. Сето тоа е контролирано со

процесите на солена осмоза (при филтрација), процес на дехидратација (со ладење на воздухот

до презаситување од влага и понатамошна адсорпција врвејки низ адсорпционен слој – Munters

69

dehydratation system). Количината на краен сув производ поради тоа што основните параметри

се строго контролирани, зависи од интензитетот на пренос на маса. Преносот на маса (вода) од

квасните клетки кон сувиот воздух се врши со одреден интензитет. Доколку интензитетот на

пренос на маса се зголеми над лимитирачката вредност, ќе дојде до формирање непропустлива

кора (кај покрупните честички – резанци) која понатаму нема да дозволи извлекување на

влагата од средишниот влажен дел на честичката. Во случај на многу ситни честички, тие се

загоруваат (уништуваат) и се издвојуваат како прашина во излезните циклони на оџаците од

сушарата, носени со излезниот воздух. Колку оваа појава е честа, толку и загубите на квасец се

поголеми.

Загубите при паковање се незначителни, освен во случаи на висока ронливост на свежиот

квасец.

Кај алкохолниот пат на процесот постојат загуби на алкохол во два подсистеми:

ферментационата единица и дестилационата единица (делумно и во складишниот простор). Во

текот на алкохолната ферментација се издвојува CO2, кој мора да се исфрли преку

обезвоздушување. При излезот на гасот се носи и одредена количина на алкохол создаден во

ферментациониот процес. За спречување на оваа појава се потребно е користење на

екстракциона колона за издвојување на алкохолот со помош на користење одредена количина

вода. Во процесот на дестилација, при намалување на потребниот притисок (работен притисок)

на пареата, доаѓа до зголемена содржина на алкохол во отпадните води Џибра и Лутер. Во

обратен случај кога нема доволно ладење во дефлегматорите, преку нивното обезвоздушување

може да дојде до губитоци на алкохол во атмосферата.

При складирањето во резервоари специјални за алкохол, најризичен период е летото, кога

поради високите температури и неорганизирано ладење на резервоарите, постои можност за

испарување на одредени количини алкохол во атмосферата.

Сите наведени можности за загуби во производите зависи чисто од човековиот фактор,

организација и контрола на процесите. Сите други појави кои можат да се појават се појави на

затајување на автоматика или виша сила.

Сметајки дека ангажираноста и организираноста на работа е на високо ниво, процесите во

системот за производство на квасец и алкохол можат да се сметаат за стационарни.

Нестационарност на параметрите се јавуваат кај струите кои ги транспортираат сервисните

медиуми: топла и ладна вода, пареа и ледена вода (нивните протоци, но не и останатите

параметри карактеристични за нив) поради различните потреби на процесите во различни

временски периоди. Тоа се случува поради шаржните процеси кои се одигруваат во

производствениот систем, додека потребите секогаш се точно определени. Најчесто

нестационарноста е причинета од ферментационите единици.

Симулационен модел на постројката – Врз основа на материјалните и енергетските биланси

дадени во Апендикс B може да се изработи симулационен модел. Поголемиот број на

параметри се мерливи вредности. Оние параметри за кои не постојат вредности, за да се

добијат нивните вредности, се користат модели на равенки за состојба. Користени се

UNIQUAC, NRTL - ideal, и слични модели на равенка на состојба (Fluid Packages) зависно

карактеристиките и процесите во кои се јавуваат конкретните смеси [65].

Материјални и енергетски биланси по подсистеми – покрај материјалните и енергетските

биланси по одделна опрема (апаратура) или процес, можат да се направат и генерално на секој

подсистем поединечно или на целокупниот систем. Притоа би се одредило која променлива

претставува одзивот на системот, а кои променливи претставуваат варијабли. Генерално

протоците на влезните струи се секогаш познати вредности, но често можат да се менуваат.

Нивните физички и хемиски карактеристики, бидејки се работи за процес кој има дефинирано

стандарди треба да бидат константни. Во случајов со процесот на производство на квасец и

70

алкохол, секогаш е варијабилна концентрацијата на шеќер во меласата. Концентрацијата на

солите и карактеристиките на растворите се секогаш константни. Тоа значи дека варијабли се

протоците (нестационарен режим) и концентрацијата на сахароза во меласата. Врз основа на

овие влезни вредности се менуваат сите меѓу подсистемски струи и сите излезни струи.

Доколку концентрацијата на сахароза е пониска од вообичаено, приност на биомаса и на

алкохол при точно дефинирани процеси на ферментација ќе биде понизок, па според тоа и

концентрацијата на етанол во алкохолната комина ќе биде пониска. Пониската концентрација

на етанол во комината ќе предизвика помала излезна количина на рафиниран алкохол, на

сметка на зголемување на протоците на џибрата и лутерот за иста вредност на влезната струја

која ја храни дестилеријата.

Подсистем “А”

Матареијални биланси на подсистемот со компонентни материјални биланси се дадени со

систем равенки (5.1). За решавање на равенките со 5 непознати, потребен е систем од 5 равенки

кои се добиени во истиот.

13 1 2 4 10

13 /13 13 /4 4

10 13 10/1 1 10/4 4 10/10 10

13 /1 1 2 /10 4 /10 10

log 13 log 1 log 4

saharoza saharoza saharoza

voda voda voda voda

ta ta ta

G G G G G

x G x G x G

x G x G x G x G

x G x G G x G x G

x G x G x G

(5.1)

Енергетски биланси за подсистем А се дадени со равенките 5.2: (протоците се детерминирани

и се сметаат за стационарни)

Sma Sma Sma Tva Tva parea Lva Mta Mta Mta Pma Pma PmaG Cp t G Cw t Q Q G Cp t G Cp t

1 1 1 2 2 13 13 13 4 4 4 10 9 9pareaQ G Cp t G Cw t G Cp t G Cp t G Cp t

1 1 1 2 2 4 4 4 10 9 9

13 13_

13

parea po proizvod

G Cp t G Cw t G Cp t G Cp tQ Cp t

G

(5.2)

Потребната количина на енергија во подсистемот и количината на енергија која е потребно да

се одведе се определени од системот на две равенки со две непознати. Количините на сервисни

медиуми понатаму можат да се определат со првиот закон на термодинамиката, бидејки се

познати карактеристиките на сервисните медиуми и тие се одржуваат константни во текот на

целиот процес.

Аналогно на подсистемот “А”, направени се биланси и за другите подсистеми.

Подсистем “B” -

Ферментацијата е шаржен процес. Еден дел од компонентите се додаваат во порции при

подготовката за ферментација, додека останатиот дел се дозира по кривата на прираст на

биомаса (експоненцијална функционална зависност). Експоненцијалниот прираст претставува

минимум од експоненцијалниот прираст на биомасата и лимитирачката аерација за

конкретниот аерационен систем на ферменторите ( 0 _ max( , , ) min , воздухf X X e G ).

Порциите на компонентите се точно определени, варираат количините кои се дозираат по

однос на прирастот на биомаса (слика 5.1).

71

Слика 5.1 Пример за експоненцијален раст на биомаса при аеробните ферментации (минимум на

експоненцијалната функција и лимитирачкиот фактор)

Материјалниот биланс за овој подсистем се карактеризира со равенките (5.3):

31 25 30 20 19 18 26 21 17

25 _ _komponenti matica otpad separacija

G G G G G G G G G

G G G

(5.3)

Додека енергетски биланс е претставен со равенката (5.4):

_ 18 17 25 30 20 21 31ладење воздух влезQ Q Q Q Q Q Q Q Q (5.4)

Билансите соодветствуваат со билансите дадени во табелата.

Подсистем “C” – овој подсистем има константни вредности на влезните струи и излезните

отпадни струи.

Материјалниот биланс е даден со равенките (5.5):

42 31 32 37 40 34 38

34 38

32 37 40

G G G G G G G

G G

G G G

42 31 32 343 2G G G G (5.5)

за дадените вредности на стационарен режим важи равенката (5.6):

42 31 43G G (5.6)

Во овој подсистем има ладење со ледена вода. Тој енергетски биланс одговара на билансот во

табелата дадена во Апендикс В. Потребната енергија која треба да се издвои изнесува околу

16 kW при самиот процес на сепарација или за 1 t свеж квасец изнесува 1.8 W/t.

Подсистем “D” – Во овој подсистем материјалните и енергетските биланси се идентични со

тие во табелата дадена во Апендиксот В.

Подсистем “Е” – материјалниот биланс со кој се определува количината на издвоена вода,

што е основна функција на сушарата, важат равенките (5.7), (масен разменувач - екстракција):

128

54

126

n влага

n

G G G

(5.7)

52 61влагаG G G

72

Потребната енергија која игра улога во загревањето на квасецот изнесува е дадена со равенката

(5.8):

3 128

61 52 54

1 126i i

i i

Q Q Q Q

(5.8)

Подсистем “F” и “G” – кај анаеробната ферментација дозирањето на меласата е константно,

додека топлата и ладната вода, како и хранливите соли се додаваат во порција. Според тоа

генералниот масен биланс може да се напише со равенката (5.9).

71 64 69 66 65G G G G G (5.9)

Овде времето е определен временски период на разгледување или функционирање на

подсистемот.

Потребната топлина која треба да се одведе при ферментацијата е приближно еднаква на

енергија на метаболизмот при анаеробни услови. Енергијата која се издвојува од метаболизмот

на клетката при аеробниот или анаеробниот процес се многу поголеми од останатите количини

на топлина кои можат да се пресметаат како енергетски биланс (равенки 5.10).

64ладење Метаболизам шеќерQ G Q C (5.10)

64 71ладење Lv LviQ Q Q Q Q

Количината на топлина која е потребно да се одведе е варијабилна бидејки активноста на

матичниот квасец е секогаш различна. првата употреба е со највисока активност, додека сите

понатамошни користења, таа постојано се намалува.

Подсистем “H” – дестилеријата има свој определен оптимален режим на работа. Но , при

промена на влезната струја од алкохолна комина, сите останати струи ќе си ги променат своите

вредности. Основен материјален биланс на овој подсистем е даден со равенката (5.11).

92 79 74 78 93 90G G G G G G (5.11)

Вредностите на оваа равенка можат да бидат детерминирани со користење на компонентен

материјален биланс, правејки систем на шест равенки со шест непознати. Енергетскиот биланс

е следниов (равенка 5.12):

92 79 74 74 78 93 90 103 102Q Q G H Q Q Q Q Q (5.12)

Како основен материјален биланс може да се даде материјалниот биланс на ниво на

целокупниот систем. Тој би бил даден со равенката (5.13) и сликата 5.2.

. . .

. . . .

ч култура л вода меласа х соли воздух мазут

отп гасови отп води алкохол с квасец свеж квасец

G G G G G G

G G G G G

(5.13)

Слика 5.2 Основен материјален биланс на целокупниот систем

73

Со помош на симулационен софтвер кој се користи за симулација на индустриските процеси се

направени симулации на подсистемот за сушење на квасец, подсистемот за припрема на меласа

и подсистемот за дестилациона сепарација на алкохолот. Првите две се направени со

софтверот SuperPro Designer, додека дестилеријата е симулирана со Aspentech HYSYS [27]. На

сликата 5.3 е дадена работната површина за симулација на сушарата со SuperPro Desiugner. За

да се изведи симулацијата, во програмот се внесуваат карактеристиките на влезните струи кои

се познати. Со таа симулација се добиени податоци за дел од струите, т.е. нивните

карактеристики – проток, температура и притисок.

Слика 5.3 Симулација на подсистемот за сушење на квасец со SuperPro Designer

На слишен начин е направена симулација на подсистемот за дестилација со HYSYS [27]. Тој е

даден на сликата 5.4. Врз основа на измерените вредности на параметрите на струите во

реалниот систем и добиени со симулација, направена е анализа на грешки (error analysis).

Анализата на грешка за трите подсистеми, во кои има интересни струи за главната задача –

топлинска интеграција, се дадени во табелата 5.1 и 5.2.

Слика 5.4 Симулација на подсистемот за сепарација на алкохолот со дестилирање (изработено со

ASPENTECH HYSYS)

Анализата покажува отстапување во границите на задоволувачки вредности на симулацијата за

секој од случаите.

74

Табела 5.1. Анализа на грешка (error analysis) од симулацијата направена за подсистемите “A” и “E”

струја име Притисок

(bar)

Симулиран

притисок (bar) девијац.% Температура (

oC)

Симулирана

температура (оС)

девијац.% Проток

(kg/s)

Симулиран

проток

(kg/s)

девијац.%

1 сурова меласа 3,900 4,000 2,564 20,000 20,000 0 0,694 0,694 0

2 топла вода 3,900 4,000 2,564 80,000 80,000 0 0,972 0,972 0

3 меласен раствор 3,900 4,000 2,564 60,000 63,000 5 1,667 1,660 0,419

4 меласен талог 1,000 1,000 0 60,000 63,000 5 0,075 0,076 1,333

5 бистра меласа 3,900 4,000 2,564 60,000 63,000 5 1,592 1,591 0,062

6 стерилна меласа 3,900 4,000 2,564 113,000 113,600 0,530 1,592 1,591 0,062

7 пареа 3,100 3,000 3,225 133,500 133,500 0 0,222 0,220 0,900

8 кондензат 3,000 3,000 0 133,500 133,500 0 0,222 0,220 0,900

9 испарливи компоненти 0,700 0,700 0 89,400 90,000 0,671 0,150 0,155 3,333

10 излезни гасови 1,000 1,000 0 29,800 30,000 0,671 0,150 0,155 3,333

11 вода за ладење (влез) 4,800 5,000 4,166 12,200 10,000 18,032 0,579 0,600 3,626

12 вода за ладење (излез) 4,800 5,000 4,166 47,500 48,000 1,052 0,579 0,600 3,626

13 припремена меласа 0,700 0,700 0 87,000 88,000 1,149 1,442 1,440 0,138

52 свеж квасец (влез) 2,950 2,950 0 10,000 10,000 0 0,139 0,139 0

55 сув воздух зона 1 1,008 1,000 0,793 87,000 87,000 0 3,222 3,306 2,603

56 сув воздух зона 2 1,005 1,000 0,497 43,000 43,000 0 1,514 1,553 2,605

57 сув воздух зона 3 1,003 1,000 0,299 41,000 41,000 0 0,883 0,906 2,610

126 излез воздух зона 1 1,000 1,000 0 33,600 34,000 1,190 3,311 3,395 2,541

127 излез воздух зона 2 1,000 1,000 0 34,500 33,000 4,347 1,522 1,561 2,592

128 излез воздух зона 3 1,000 1,000 0 38,000 38,000 0 0,884 0,907 2,608

61 сув квасец 1,000 1,000 0 38,000 38,000 0 0,041 0,041 0

75

Табела 5.2 Анализа на грешка (error analysis) од симулацијата направена за подсистемот “H”

струја име Притисок (bar) Симулиран

притисок (bar) девијац.%

Температура

(oC)

Симулирана

температура

(oC)

девијац.% Проток

(kg/s)

Симулиран

проток (kg/s) девијац.%

75 пареа 1 250,00 255,00 2 129,000 129,400 0,310 0,190 0,194 2,315

76 пареа 2 255,00 250,00 1,960 128,900 127,400 1,163 0,015 0,011 26,666

77 пареа 3 210,00 200,00 4,761 121,000 120,200 0,661 0,076 0,070 7,894

78 Џибра 99,30 110,00 10,775 102,000 102,600 0,588 0,972 0,965 0,689

79 комина 110,60 110,00 0,542 30,000 30,000 0 1,083 1,085 0,184

80 подгреана комина 109,20 110,00 0,732 75,000 75,000 0 1,083 1,085 0,184

81 дестилат 1/1 99,30 97,00 2,316 88,000 88,700 0,795 0,259 0,312 20,463

82 кондензат 99,30 97,00 2,316 65,600 56,520 13,841 0,259 0,289 11,583

84 хранење на колона 2 109,80 115,00 4,735 54,000 56,520 4,666 0,259 0,288 11,196

85 излез врв 2 99,30 97,00 2,316 69,100 69,980 1,273 0,017 0,019 13,647

86 рефлукс 2 99,30 97,00 2,316 65,000 69,710 7,246 0,010 0,011 8,080

87 кондензат 99,30 97,00 2,316 69,100 70,020 1,331 0,008 0,009 7,625

88 излез врв 3 99,30 97,00 2,316 71,700 71,700 0 0,036 0,039 6,944

89 рефлукс 3 99,30 97,00 2,316 20,000 20,000 0 0,019 0,017 13,157

90 технички алкохол 99,30 97,00 2,316 20,000 20,310 1,55 0,025 0,031 24

91 излез рафинада 99,30 98,42 0,886 90,000 82,820 7,977 0,139 0,095 31,654

92 конд. Алкохол 99,30 98,42 0,886 20,000 20,000 0 0,139 0,095 31,654

93 Лутер 120,00 115,00 4,166 103,000 103,600 0,582 0,286 0,182 36,398

94 ладна вода влез НЕ-4 295,80 300,00 1,419 20,100 22,000 9,452 0,125 0,125 0

95 ладна вода НЕ-5 295,80 300,00 1,419 20,100 22,000 9,452 0,011 0,011 0



98 ладна вода излез НЕ-4 295,80 300,00 1,419 70,000 70,000 0 0,125 0,125 0




104 хранење кол.3 130,00 112,00 13,846 84,000 79,250 5,654 0,325 0,245 24,769

76

6. Примена на методата на Пинч технологија за проектирање на системи од разменувачи

Од целокупниот број на струи се врши селекција по различни основи. Прво се селектираат сите

струи кои се дел од континуираните процеси во постројката. Сите тие струи не можат да се

искористат поради нивна количина на потребно ладење или греење. Поради тоа се селектираат

струи кои имаат поголема потреба од ладење или загревање, со што цената на топлинските

разменувачи во системот кој би се дизајнирал, би биле со некоја оптимална цена и големина.

Практично се избираат струите кои имаат поголема промена на енталпијата. Во табела 6.1 се

дадени селектираните континуирани струи, додека обележаните струи се со повисока промена

на енталпијата. Од селектираните струи се прават комбинации на системи HEN кои треба да се

дизајнираат и да се определи кој од нив е најдобар. Тоа е основната задача на оваа магистерска

работа. Под најдобар систем се подразбира да има пониска цена на чинење, поголема зачтеда

на енергија во постоечкиот систем, т.е. повисок степен на замена на сервисните медиуми со

неискористена енергија од струите кои се јавуваат во постројката, економските показатели да

се најдобри по однос на поврат на инвестицијата, зголемување на профитот, амортизација и

слично. Од селектираните струи се избрани повеќе комбинации со кои ќе се креираат

соодветни сценарија на дизајн на мрежи од топлински разменувачи.Дел од струите можат да се

искористат како сервисни струи, бидејки нема потреба за нивно ладење или загревање, додека

нивната содржина на енергија може да се искористи за загревање или ладење на останатите

струи. Сервисните медиуми за кои постои можност да се искористат во дизајнираните системи

се дадени во глава 4. За пресметка на карактеристиките на движење на секоја сервисна струја,

земени се како заеднички параметрите дадени во табела 6.2. За секое сценарио е земено дека ќе

работи 4000 часа годишно. Цената на чинење на топлиот сервисен медиум е 14,37 €/GJ, додека

на ладниот (вода за ладење) 2,91€/GJ.

Сценарио 1. Првата комбинација од струи која е избрана се состои од 78, 93, 109, 119 и 123. За

секоја од струите се определени основните параметри кои се потребни да се направи анализа и

дизајн според пинч технологијата. Тие се дадени во табела 6.3. Од тие податоци се

определуваат топлите (123, 119) и ладните (78, 93 и 109 со отпадните води) струи. Врз основа

на овие податоци се изработуваат композитни криви за ладните и топлите струи, како и голема

композитна струја дадени на сликите 1, 2 и 3.

Потребната енергија која треба да се одведе и доведе, како и потребната површина на размена

на топлина е определена со користење на софтверот HX-NET од Aspentech. Зависноста на

површината на размена и потребната енергија која треба да се доведе, одведе и вкупната

енерија на размена од ∆Тмин е дадена на сликите 6.6 и 6.7. Движечката сила на преносот на

топлина во разгледуваниот систем, во зависност од ∆Тмин е различна за топлите и ладните

струи. Тие се дадени соодветно на сликите 6.4 и 6.5. на местото на пинч точката тие се со

минимални вредности, т.е. погонската сила во таа точка е со најмала вредност. Определено е

дека вредноста на пинч температурата за топлите струи изнесув 70оС, за ладните струи

изнесува 42оС, додека заедничката вредност за пинч температурата изнесува 56оС (големата

композитна крива ја допира апцисата – слика 6.3). Оптималната вреденост на ∆Тмин за ова

сценарио се определува од вредноста на трошоците во зависност од вредноста на ∆Тмин [63]. За

ова сценарио оптималната вредност на ∆Т изнесува 28, каде е приближно минимумот на

трошоците (слика 6.8) и бројот на топлински разменувачи (слика 6.7). Врз основа на добиените

вредности за оптималниот модел во случајот на сценариото 1, се дизајнира мрежа од

топлински разменувачи.

77

Табела.6.1 Селектирани струи по однос на учеството во континуирани процеси и по нивната промена на енталпија

Струја G

(kg/h)

Tвлез

(oC)

Тцел

(oC)

cp

(kJ/kgK)

l

(kg/m3)

gas

(kg/m3)

(Pa s 105)

(W/mK 102)

H

(W/m2K)

Q

(kW/oC)

Потребна

енергија (kW)

9 540 89 45 3,44 916 0.0103 0.873 2.24 0.170 0,52 -22,70

13 шар. 5191 87 60 4,16 1171 0,200 6,00 -161,96

47 сер. 4850 11,2 (6) 35 4,19 1000 - 1.0 0.595 1.613 5,64 134,35

48 4000 18 14,8 4,19 1000 - 1,5 0,595 1163 4,66 -14,90

49. 4000 14,8 6 4,19 1000 - 1,5 0,595 1163 4,66 -40,97

55. 11600 36 87 1,00 - 1.13 1.98 2.6 0.179 3,22 164,33

56 5450 36 43 1,00 - 1,13 0,0193 0,0254 5,592 1,51 10,60

57 3179 36 41 1,00 - 1,13 0,0193 0,0254 0,179 0,88 4,42

63 291 133 95 4,19 950 - 1,5 0,59 1,504 0,34 -12,87

78 сер. 3499 102 60 3.487 948 - 1.5 0.8 1.507 3,39 -142,35

82 932 65.6 25 1,63 1.106 898.1 0.4056 0.4562 0.354 0,42 -17,13

85 61,2 69,1 20 1,46 2.32 881.1 0.00786 0.0158 0.1168 0,02 -1,22

88 130 71,7 20 1,52 1,7 1,153 0,05 -2,84

91 500,4 90 20 1,84 789 2.258 0.886 1.844 0.212 0,26 -17,90

93 сер. 1030 103 50 4,19 945 - 1.5 0.8 0.447 1,20 -63,54

103 сер. 672 69,5 45 4,19 1000 - 0.4 0.662 2.6 0,78 -19,16

109 11980 70 25 4,187 1000 - 0.4 0.662 1,84 13,93 -627

119. 8000 20 60 4,19 1000 - 1.0 0.6 1.504 9,31 372,44

123. 5000 10 90 4,19 1000 - 1.0 0.6 1.504 5,82 465,56

126 11920 34 25 1,00 - 1,13 1,93 2,55 0,179 3,31 -29,80

127 5479 33 25 1,00 - 1.13 1.93 2.54 0.179 1,52 -12,18

128 3182 38 25 1,00 - 1.13 1.95 2.566 0.179 0,88 -11,49

78

Табела.6.2 Основни параметри за пресметка на карактеристиките на пренос на секоја сервисна струја

dst. (m) Wst. (m/s)

Сервисни медиуми 0.1 2

Процесни струи 0.1 0.5

Табела 6.3 Основни карактеристики на струите вклучени во сценарио 1

струја

број

име на

струја

проток

(kg/h)

Т

почетна

(˚C)

Т цел

(˚C)

ΔT

(˚C)

Cp

(kJ/kgK)

ΔH

(kW)

mCp

(kW/˚C)

h

(kW/m2K)

цена на сер.

Медиум

(Eur/GJ)

utility cost

(Eur/h)

год. Трошоци

(EUR/year)

1 123 5000 10 90 80,00 4,187 465,22 5,82 1,505 14,37 24,06 96247,05

2 119 8000 20 60 40,00 4,187 372,18 9,30 1,505 14,37 19,25 76997,64

3 78 3499 102 25 -77,00 3,487 -260,97 3,39 1,51 2,91 2,73 10935,52

4 93 1029,6 103 40 -63,00 3,093 -55,73 0,88 1,45 2,91 0,58 2335,30

5 109+ otp. 11980 70 43,3 -26,70 4,187 -372,02 13,93 1,84 2,91 3,90 15589,21

79

Слика.6.1 Графички приказ на композитните криви добиени од топлите и

ладните струи

Слика.6.2 Графички приказ на балансираните топла и ладна композитна крива

(сценарио 1)

80

Слика.6.3 голема композитна крива која ги прикажува промените на

температурите и енталпиите во разгледуваниот систем (сценарио 1)

Слика.6.4 Топла погонска сила (движечка сила на процесот на размена на

топлина – сценарио 1)

81

Слика.6.5 Ладна погонска сила (движечка сила на размена на топлина со

ладните струи сценарио 1)

Слика.6.6 Графички приказ на потребната количина на енергија која треба да

се размени во системот, и тоа енергија која што треба да се одведе или

доведе, како и нивната вкупна вредност (сценарио 1)

82

Слика.6.7 Зависност на минимално потребната површина на размена во

системот, минималниот број на топлински разменувачи, како и минималниот

број на разменувачки единици од кои е составен топлинскиот разменувач, од

∆Тмин (сценарио 1)

Слика.6.8 Зависноста на производствените, капиталните и вкупните

трошоци од ∆Тмин (сценарио 1)

83

Слика.6.9 Недисконтен и дисконтен cash flow (движење на паричните

средства) за дадениот дизајн (сценарио 1)

Слика.6.10. Кумулативен дисконтен и недисконтен cash flow за даденото

решение (сценарио 1)

84

Слика.6.11 Недисконтен и дисконтен cash flow за корегираното сценарио 1 Слика.6.12 Недисконтен и дисконтен кумулативен cash flow за корегираното

сценарио 1

85

Дизајнираната мрежа има блиски карактеристики со теоретскиот модел. Поради тоа новиот

модел има други вредности за трошоците и потребно е да се корегираат економските

параметри за него. Корегираните економски параметри ќе определат дали тој модел е

попривлечен од останатите. Теоретскиот модел е определен со економските параметри дадени

на графиците за проток на средствата (cash flow) – сликите 6.9 и 6.10, и табелата 6.4. овие

графици се изработени според методот на анализа на профитабилноста [65].

Табела.6.4 Економски параметри добиени за сценарио 1

параметар Вредност

ROROI 5,443 %

CCP 27,22

NPV 475728,72 €

PVR 21,72

Табела.6.5. економски параметри за корегираното сценарио 1


ROROI 4,935%

CCP 24,67

NPV 473662,89 €

PVR 19,69

На сликата 6.13 е даден добиеното решение за дизајн на мрежа од топлински разменувачи. Од

добиените вредности од тоа решение се изработува нова економска анализа, во која е вклучена

настанатата промена (разлика со првичното решение). За сценариото 1 важна е промената на

површината на размена на топлината. Таа се зголемува на 122% (22% повеќе). Со тоа се

зголемуваат капиталните трошоци. Тие се основа за економската анализа на движењето на

паричните средства за проектот. Во овој случај количината на разменета топлина и за ладење

и за загревање е непроменета, со што профитот кој се добива е земено да биде разликата

помеѓу дотогашната потрошувачка на сервисни медиуми и новата состојба со потрошувачка на

сервисни медиуми. Работните трошоци, поради претходно даденото се сведени на вредност 0.

Слика 6.13. Дизајн на мрежа од топлински разменувачи врз основа на податоците за сценариото 1 со

помош на HX-NET софтверот

Вреднностите на економските параметри за новото решение се дадени во табелата 6.5. Со

споредба на вредностите кои се добиваат по корекцијата, тие се пониски од првобитните и

понеповолни од првичното решение.

Сценарио 2. Втората комбинација на струи ја сочинуваат струите: 78, 93, 109, 119 и 123 со

други барани крајни температури.

86

Табела.6.6 Основни карактеристики на струите вклучени во сценарио 2

струја

број

име на

струја

проток

(kg/h)

Т

почетна

(˚C)

Т

цел

(˚C)

ΔT

(˚C)

Cp

(kJ/kgK)

ΔH

(kW)

mCp

(kW/˚C)

h

(kW/m2K)


Медиум

(Eur/GJ)

utility

cost

(Eur/h)


(EUR/year)

1 123 5000 40 90 50,00 4,187 290,76 5,82 1,5 14,37 15,04 60154,41

2 119 8000 40 60 20,00 4,187 186,09 9,30 1,5 14,37 9,62 38498,82

3 78 3499 102 40 -62,00 3,487 -210,13 3,39 1,51 2,91 2,20 8805,23

4 93 1029,6 103 40 -63,00 3,093 -55,73 0,88 1,45 2,91 0,58 2335,30

5 109+ otp. 11980 70 43,3 -26,70 4,187 -372,02 13,93 1,84 2,91 3,90 15589,21

87

Слика. 6.14 Графички приказ на композитните криви добиени од топлите и

ладните струи (сценарио 2)

Слика 6.15 Графички приказ на балансираните топла и ладна композитна

крива (сценарио 2)

88

Слика 6.16 голема композитна крива која ги прикажува промените на


Слика 6.17 Топла погонска сила (движечка сила на процесот на размена на


89

Слика 6.18 Ладна погонска сила (движечка сила на размена на топлина со


Слика 6.19 Графички приказ на потребната количина на енергија која треба

да се размени во системот, и тоа енергија која што треба да се одведе или


90

Слика 6.20 Зависност на минимално потребната површина на размена во




Слика 6.21 Зависноста на производствените, капиталните и вкупните

трошоци од ∆Тмин (сценарио 2)

91

Слика 6.22 Недисконтен и дисконтен cash flow (движење на паричните


Слика 6.23 Кумулативен дисконтен и недисконтен cash flow за даденото


92

Слика 6.24 Недисконтен и дисконтен flow за корегираното сценарио 2

Слика 6.25 Недисконтен и дисконтен кумулативен cash flow за корегираното

сценарио 2

93

На ист начин како во сценарио 1 се добиени параметрите за решението во сценарио 2. Од

грфичките прикази на зависностите дадени на сликите 6.14 – 6.21 се добива дека пинч

температурите за топлите струи е 70оС, за ладните струи е 54оС, и заедничката пинч

температура е 67оС (местото на допир помеѓу ладните и топлите приближени композитни

криви. Оптималната вредност за ∆Т е добиена 16оС.



ROROI 3,255 %

CCP 16,27

NPV 288633,27 €

PVR 12,99

Табела.6.8 Економски параметри за корегираното сценарио 2


ROROI 4,692 %

CCP 23,46

NPV 388136,60 €

PVR 18,72

Слика 6.26. Дизајн на мрежа од топлински разменувачи врз основа на податоците за сценариото 2 со


Со дизајнот на решение за мрежата од топлински разменувачи (слика 6.26) доаѓа до промена на

економските параметри. Овде се менува вкупната површина на размена на топлина на 77% (од

100% во првичното решение). Со тоа се намалуваат капиталните трошоци. Со споредба на

резултатите од анализата на профитабилноста се добиваат во новиот случај повисоки

вредности на економските параметри, што значи подобро решение од првичното (слики 6.22 –

6.26 и табели 6.7 и 6.8).

Сценарио 3. Третата комбинација на струи ја сочинуваат струите: 55, 78, 93, 109, 119 и 123.

94


струја

број

име на

струја

проток

(kg/h)

Т

почетна

(˚C)

Т

цел

(˚C)

ΔT

(˚C)

Cp

(kJ/kgK)

ΔH

(kW)

mCp

(kW/˚C)

h

(kW/m2K)


Медиум

(Eur/GJ)

utility

cost

(Eur/h)


(EUR/year)

1 123 5000 40 90 50,00 4,187 290,76 5,82 1,5 14,37 15,04 60154,41

2 119 8000 40 60 20,00 4,187 186,09 9,30 1,5 14,37 9,62 38498,82

3 55 11600 40 87 47,00 1 151,44 3,22 0,01 14,37 7,83 31331,44

4 78 3499 102 40 -62,00 3,487 -210,13 3,39 1,51 2,91 2,20 8805,23

5 93 1029,6 103 40 -63,00 3,093 -55,73 0,88 1,45 2,91 0,58 2335,30

6 109+ otp. 11980 70 43,3 -26,70 4,187 -372,02 13,93 1,84 2,91 3,90 15589,21

95

Слика 6.27 Графички приказ на композитните криви добиени од топлите и




96





97






98


системот од ∆Тмин (сценарио 3)

Слика 6.34 Зависност на минималниот број на топлински разменувачи, како и

минималниот број на разменувачки единици од кои е составен топлинскиот

разменувач, од ∆Тмин (сценарио 3)

99

Слика 6.35 Зависноста на производствените, капиталните и вкупните трошоци од ∆Тмин (сценарио 3)

100





101

Слика 6.38 Недисконтен и дисконтен cash flow за корегираното сценарио 3


сценарио 3

102







параметар вредност

ROROI 0,547 %

CCP 2,73

NPV 114961,16 €

PVR 2,18



ROROI 0,733 %

CCP 3,66

NPV 133553,63 €

PVR 2,92

Слика 6.40 Дизајн на мрежа од топлински разменувачи врз основа на податоците за сценариото 3 со



економските параметри. Овде се менува вкупната површина на размена на топлина на 58% (од

100% во првичното решение). Со тоа се намалуваат капиталните трошоци. Со споредба на

резултатите од анализата на профитабилноста се добиваат во новиот случај повисоки

вредности на економските параметри, што значи подобро решение од првичното (слики 6.36 –

6.40 и табели 6.10 и 6.11).

Сценарио 4. Искористени се дел од струите како сервисни струи.

103


струја број име на

струја

проток

(kg/h)

Т

почетна

(˚C)

Т

цел

(˚C)

ΔT

(˚C)

Cp

(kJ/kgK)

ΔH

(kW)

mCp

(kW/˚C)

h

(kW/m2K)


Медиум

(Eur/GJ)

utility

cost

(Eur/h)


(EUR/year)

1 123 5000 40 90 50,00 4,187 290,76 5,82 1,5 14,37 15,04 60154,41

2 119 8000 40 60 20,00 4,187 186,09 9,30 1,5 14,37 9,62 38498,82

4 78 3499 102 40 -62,00 3,487 -210,13 3,39 1,51 2,91 2,20 8805,23

5 93 1029,6 103 40 -63,00 3,093 -55,73 0,88 1,45 2,91 0,58 2335,30

6 109+ otp. 11980 70 43,3 -26,70 4,187 -372,02 13,93 1,84 2,91 3,90 15589,21

104

Слика 6.41 Графички приказ на композитните криви добиени од топлите и




105





106






107





Слика 6.48 Зависноста на производствените, капиталните и вкупните

трошоци од ∆Тmin (сценарио 4)

108





109

Слика 6.51 Недисконтен и дисконтен cash flow за корегираното сценарио 4


сценарио 4

110






Бидејки се користи една процесна струја (струја 78) како замена за сервисен медиум,

количината на енергија која е потребна да се внеси е намалена за вредноста на енталпијата од

оваа струја. Со тоа производствените трошоци се намалуваат за енергетска вредност на

струјата, додека капиталните трошоци остануваат исти. 180,3 kW се искористуваат од струјата

78, по принцип на поевтини сервисни медиуми.



ROROI 1,438 %

CCP 7,19

NPV 213316,01 €

PVR 5,73



ROROI 1,517 %

CCP 7,58

NPV 184174,88 €

PVR 6,05

Слика 6.53 Дизајн на мрежа од топлински разменувачи врз основа на податоците за сценариото 4 со



економските параметри. Овде се менува вкупната површина на размена на топлина на 69.52%

(од 100% во првичното решение). Со тоа се намалуваат капиталните трошоци. Притоа

потребата за загревање нараснала на 199% (вклучувајки ја и сервисната струја која е внесена од

процесните струи – првобитно 100%) и за ладење на 183%. Со споредба на резултатите од

анализата на профитабилноста се добиваат во новиот случај повисоки вредности на

економските параметри, што значи подобро решение од првичното (слики 6.49 – 6.53 и табели

6.13 и 6.14).

111

7. Решенија и дискусија

За да се одреди кое од добиените решенија е подобро од останатите за да се реализира како проект

за инвестирање во мрежа од топлински разменувачи со кој би се минимизирала потрошувачката на

сервисни медиуми, потребно е да се направи економска споредба помеѓу предлоѓените решенија

(сценарија). Во табела 7.1 дадени се вредностите на економските параметри за секое сценарио во

првичното и крајното решение. Негатвната девијација покажува дека корегираното решение е со

полоши карактеристики од првичното, обратно позитивната девијација. ROROI (Rate Of Return Of

Investment) стапката на поврат на инвестицијата е највисока за првото сценарио, што значи најбро

ќе се повратат вложените средства. Тоа е позитивно, колку е тоа повисока вредност. Исто така

највисока е вредноста ос нето сегачната вредност на крајот од инвестицијата (NPV). Тоа

претставуваат средствата што се добиваат на крајот по завршувањето на траењето на проектот.

Колку е повисока сумата пари, толку е повисока профитабилноста.

Табела.7.1 Споредба на економските параметри за сите сцџенарија, првични и корегирани

економски параметар ROROI % CCP NPV (€) PVR

Сценарио 1 5,4 27,2 475728,7 21,7

Сценарио 1 кор. 4,9 24,7 473662,9 19,7

Девијација % -9,3 -9,4 -0,4 -9,3

Сценарио 2 3,3 16,3 288633,3 13,0

Сценарио 2 кор. 4,7 23,5 388136,6 18,7

Девијација % 44,1 44,2 34,5 44,1

Сценарио 3 0,5 2,7 114961,2 2,2

Сценарио 3 кор. 0,7 3,7 133553,6 2,9

Девијација % 34,0 34,1 16,2 33,9

Сценарио 4 1,4 7,2 213316,0 5,7

Сценарио 4 кор. 1,5 7,6 184174,9 6,1

Девијација % 5,5 5,4 -13,7 5,6

Истото важи и за останатите вредности на економските параметри. Истото може да се определи

графички со прикажување на кумулативните дисконтни протоци на средствата за секое сценарио.

Тоа е направено на сликата 7.3. Од сликите 7.1 – 7.3 може да се распоредат сценаријата по

профитабилност и тоа како најдобро е сценариото 1, па следуваат сценариото 2, 4 и најлошо 3. Без

разлика на степенот на профит за секое од сценаријата, во секој случај профитот се зголемува, а се

зголемува заштедата на енергија преку заштедата на сервисните медиуми.

112

Слика.7.1 Графичка споредба помеѓу економските параметри за сценаријата (ROROI, CCP и PVR)

Слика.7.2 Споредба помеѓу нето сегашните вредности за секое од сценаријата

113

Слика.7.3 Споредба на кумулативните дисконтни протоци на парични средства за секое сценарио

114

8. Заклучок

Оваа магистерска работа за предмет на обработка ја имаше топлинската процесна интеграција на

реален систем. Реалниот систем претставува постројката за производство на квасец и алкохол во

Битола. Притоа дадени се основни податоци од литературата за оддржливиот развој. Топлинската

процесна интеграција е дел од методите кои можат да доведат до подобрување на оддржливиот

развој на некој систем во кој се одвиваат топлински процеси. За подобро запознавање со

процесната интеграција дадени се основните методи на процесна интеграција со посебен осврт на

методите за процесна интеграција во системите кои содржат континуирани процеси. Такви

процеси се сретнуваат и во разгледуваниот систем. Како метод врз кој ќе се базира понатамошната

анализа на реалниот систем е избрана топлинската процесна интеграција со Пинч технологија.

Дадени се основите на Пинч технологијата по PTA.

За подобро да се опише и обработи постројката во која треба да се направи топлинската

интеграција, системот е поделен на подсистеми. Секој подсистем претставува посебен заокружен

дел од процесот. Со понатамошна анализа на секој подсистем се издвојуваат струите кои се

интересни за топлинската анализа. Притоа се издвојуваат два подсистеми во кои се содржани сите

тие избрани струи. Такви се подсистемот за континуирано сушење на квасец и подсистемот за

дестилација на алкохолна комина – сепарација на етил алкохолот. Поради тоа е направена нивна

симулација со софтвер за симулирање и дизајн на процесите. Покрај тоа дадени се и основните

материјални и енергетски биланси за секој подсистем.

Врз основа на издвоените интересни енергетски струи (со основните параметри на нивните

карактеристики) се направени повеќе комбинации од нив. Со избраните комбинации на струи се

разработени 4 сценарија. За секое анализирано сценарио (со Пинч технологија) се дизајнирани

мрежи од топлински разменувачи. Поради тоа што добиените решенија за мрежите отстапуваат

од идеалните решенија за секое од сценаријата, определена е нивна девијација и направена е нивна

повторна економска пресметка. Добиени се трошоците и економските параметри за секое од

корегираните сценарија. Сите сценарија се споредени и рангирани се според тоа колку подобри

економски параметри имаат. Определено е дека сценариото 1 е оптимално за разгледуваниот

производствен систем.

Производствениот систем за квасец и алкохол содржи во себеси подсистеми со многу шаржни

процеси. Поради тоа интересно е да се разгледа овој систем со методи на пинч технологија за

шаржни процеси. Со тоа би се добила поголема заштеда на енергија и суровини во

производството.

115

Користена литература

[1] Gibbons J., Gwin H. L. History of conservation measures for energy. Encyclopedia of Energy.

Amsterdam. Elsevier Inc., 2004.

[2] Oil price, Wikkipedia. San Diego, CA. 2008. See also: http://en.wikipedia.org/wiki/Oil_price.

[3] Oil price, Wikipedia. San Diego, CA. 2008. See also: http://en.wikipedia.org/wiki/File:

Oil_Prices_1861_2007.svg .

[4] Clark J., Duncan M. Handbook of green chemistry and technology. Osney Mead, Oxford OX2 0EL :

Blackwell Science Ltd, 2002.

[5] Doble M., Kumar A., Green Chemistry & Engineering. Academic Press: Elsevier Science &

Technology Books, 2007.

[6] Glavic P., Rebeka Lukman R., Review of sustainability terms and their definitions. Journal of Cleaner

Production. Elsevier, 2007; 15 (18): p. 1875-1885

[7] Paul T. Anastas, Rebecca L. Lankey. Life cycle assessment and green chemistry: the yin and yang of

industrial ecology. Green Chemistry. 2000; 2 p. 289–295

[8] J. G. Crespo C. A. M. Afonso. Green Separation Processes. In: Clark, James H. Green, editors.

Chemistry and Environmentally Friendly Technologies. Weinheim :WILEY-VCH Verlag GmbH & Co.

KGaA, 2005. p. 1-18

[9] J. G. Crespo C. A. M. Afonso. Green Separation Processes. In Diana Cook, Kevin Prior (book auth.)

Sustainable Development and Regulation. Weinheim : WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2005.

p. 19-31

[10] Agency, European Environment. Sustainable consumption and production in South East Europe

and Eastern Europe, Caucasus and Central Asia. Copenhagen : Luxembourg: Office for Official

Publications of the European Communities, 2007. p. 1-184

[11] Raskovic P., Step-by-step process integration method for the improvements and optimization of

sodium tripolyphosphate process plant. Energy. 2006; 32(6), 2007; p. 983-998

[12] Gundersen T., A process integration primer. Trondheim, Norwey : SINTEF Energy Research,

2002.

[13] A worldwide Catalogue on Process Integration. In: International Energy Agency (IEA) with

Norwegian University of Science and Technology and SINTEF Energy Research, Trondheim, Norway.

2001.

[14] Mann J., Process Integration: Unifying Concepts, Industrial Applications and Software

Implementation. PhD Thesis - Faculty of the Virginia Polytechnic Institute, 1999.

[15] El-Hawagi, Mahmud M. Process Integration. San Diego, USA : Elsevier Inc., 2006.

[16] Warren D. Seider, J.D. Seader, Daniel R. Lewin. Product and process design principles. John

Wiley and sons Inc., 2003.

[17] Мешко В., Марковска Л., Компјутерска подршка во процесното инженерство I и II. Скопје :

Догер, 1997.

[18] Baasel, Willia D. Preliminary chemical engineering plant design. New York : Elsevier, 1974.

[19] Shenoy U., Heat exchanger network synthesis – Process optimization by Energy and Resource

Analysis. Houston, TX : Gulf Publishing Company, 1995.

[20] Laukkanen T., Methodology for cost-effective thermal integration of production plant sections and

the utility system. Helsinki : Helsinki University of Technology Department of Mechanical Engineering,

2003.

[21] Dorf, Ed. Richard C. The Engineering Handbook.: CRC Press LLC

[22] Cengel A., Boles M., Thermodinamics - an Engineering Approach. New York: McGraw-Hill,

2006.

[23] Perry R., Green D., Perry`s chemical engineers handbook. USA : McGraw Hill, 1999.

http://en.wikipedia.org/wiki/Oil_price

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Oil_Prices_1861_2007.svg



116

[24] Moran M., Shapiro N., Fundamentals of Engineering Thermodynamics. Chichester, England : John

Wiley & Sons, Inc., 2006.

[25] John H. Leinhard IV, John Leinhard V. A heat transfer handbook. Cambridge, Massachusetts,

USA: Phlogiston Press, 2004.

[26] Kreith, Ed. Frank. The CRC Handbook of Thermal Engineering. Boca Raton: CRC Press LLC.

2000.

[27] HYPROTECH. Heat Exchanger Design. HYSYS simulation software manual. ASPENTECH,

2004.

[28] Kemp, Ian C. Pinch Analysis and Process Integration. Oxford: Elsevier, 2007.

[29] Kemp,Ian C. Reduceing Dryer Energy use by Process Integration and Pinch Analysis. Drying

technology, 2005; 23 (9-11) pp. 2089-2104.

[30] Krumenacher, P., Energy integration of industrial batch processes - phase2. Lausanne : Swiss

Federal Office of Energy, 1999.

[31] El-Halwagi, M., Pollution prevention throuhgh process integration. San Diego : Academic Press

(Elsevier Science), 1997.

[32] Bagajewicz. Heat Integration. see also: http://cepac.cheme.cmu.edu/pasilectures/bagajewicz/

BagajewiczHeatIntegration.pdf.

[33] Westphalen D.L., Wolf M.R. ,Pinch analysis of evaporation systems., Brazilian Journal of

Chemical Engineering 2000; 16 (3) p. 279-284.

[34] Stain F., Favrat D. Energy integration of industrial processes based on the Pinch Analysis method

extended to include exergy factors. Applied Thermal Engineering, 1996; 16 (6) pp. 497-507.

[35] Linnhoff B. Akinradewo C. G. Automated interface between simulation and integration. CHISA.

1998; 23 (14).

[36] Chakraborty S., Ghosh P., Heat exchanger network synthesis: the possibility of randomization.

Chemical Engineering Journal, 1999; 72 (3) p. 209-216.

[37] Lakshmanan R., Fraga E., Pinch location and minimum temperature approach for discontinuous

composite curves. Computers & Chemical Engineering, 2002; 26 (6) p. 779 - 783.

[38] Liebmann K., Dhole V.R., Jobson M., Integrated design of a conventional crude oil distillation

tower using pinch analysis. IChemie, 1998; 76 (3) pp. 335-347.

[39] Mubarak, El-Kawari Ebrahim. Pinch Technology an efficient tool for chemical plant energy and

capital cost saving. Applied Energy, 2000; 65 (1-4) pp. 45-49.

[40] Lona L.M.F., Fernandes F.A.N., Roque M.C., Rodrigues S. Developing an educational software for

heat exchangers and heat exchanger networks projects. Computers and Chemical Engineering, 2000; 24

(2-7) pp. 1247-1251.

[41] The european commission in the frame work of the Non Nuclear Energy Programme. EXSYS II:

An expert system for optimal insertion of intensified energy saving technologies (IEST) in the industrial

processes: JOULE III : contract JOE3-CT97-0070, 1998 - 2001.

[42] Andersen M., Kristensen Gert H., Wenzel H. Tools for evaluation of water reuse scenarios in

industry In: International Conference of industrial wastewater recovery and reuse. Cranfield University,

UK, 2002 ; p.p.8.

[43] Adonyi R., Romero J., Puigjaner L., Friedler F. Incorporating heat integration in batch processes

scheduling. Applied Thermal Engineering, 2003; 23 (14) p. 1473-1762.

[44] Lavric V., Plesu V., De Ruyck J. Chemical reactors energy integration through virtual heat

exchangers – benefits and drawbacks. Applied Thermal Engineering, 2005; 25 (7) pp.1033-1044.

[45] Nordman R., Berntsson T. Advanced pinch technology based composite curves for evaluating the

usable excess heat potential. In: ECOS Trondheim, Norway 2005. pp. 193 - 200.

[46] Dongwen Y., Wang Y., Xiao W., at all., An automated method for synthesizing a multistream heat

exchanger network based on stream pseudo-temperature. In: 16th European Symposium on Computer

Aided Process Engineering and 9th International Symposium on Process Systems Engineering. 2006; 21

(1) p. 919-924

[47] Pourali O., Amidpour M., Rashtchian D. Time decomposition in batch process integration.

Chemical Engineering and Processing, 2006; 45 (11) pp. 14-21.

117

[48] Salama, A. I. A.Detrmination of the optimal heat energy targets in heat pinch analysis using a

geometry - based approach. Computers and Chemical Engineering. 2006; 30, pp. 758 - 764.

[49] Foo Dominic, Chwan Yee, Kazantzi Vasiliki, Mahmoud M. El-Halwagi, Manan Zainuddin Abdul.

Surplus diagram and cascade analysis technique for targeting property – based material reuse network.

Chemichal Engineering Science, 2006; 61(8) pp. 2626-2642.

[50] Singhvi Ankit, Madhavan K. P., Shenoy Uday V. Pinch analysis for production planning in supply

chains. In: Proceedings Foundations of Computer-Aided Process Operations (FOCAPO 2003). 2003. pp.

477-480.

[51] Rašković P., Energy efficiency analysis of sodiumtripolyphosphate manufacture using sequential

linear programming optimization methodology. In: Conference on sustainable developement of energy,

water and enviroment systems. Dubrovnik : 2005; p.

[52] Anantharaman R., Truls Gundersen T., Giardini Naxos. Revisiting the Sequential Framework for

Near-Optimal Heat Exchanger Network Synthesis. In: PRES 2005. 8th Conference on Process

Integration, Modelling and Optimisation for Energy Saving and Pollution Reduction. Italy. 2005;

[53] Linhoff. Pinch Technology: Basics for the beginners. Cheresources Inc. Midlothian VA 2004 see

also: http://www.cheresources.com/pinchtech2.shtml .

[54] Gill, Bhupinder. Selecting Streams In Pinch Systems. Chemical engineering, May 2005; pp. 55-57.

[55] Sinnott, R. K. Coulson & Richardson's Chemical Engineering Vol.6. Butterworth-Heinemann,

2003.

[56] ETSU & WS Atkins Consultants. Guide to compact heat exchangers. In: Module 3.1 - advantages

and limitations. Energy Efficiency, 2000.

[57] Kuppan, T. Heat exchanger design handbook. New York : Marcel Dekker Inc., 2000.

[58] Perry R., Don W. Green. Perry`s Chemical Engineering Handbook. McGraw Hill, 1990.

[59] Avallone A., Baumeister T., Marks` Standard handbook for mechanical engineers. New York :

McGraw Hill, 1976.

[60] Касаткин, А Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. Москва,

издатељство Химия, 1973.

[61] Rašković, P. Optimizacija industriskih energetskih sistema putem integracije mreže razmenjivača

toplote. Doktorska disertacija, Univerzitet u Nišu 2002.

[62] Linnhoff March. Introduction to Pinch. Institute of chemical engineering. Indian Institute of

technology – Madras. 2000 Sea also: www.che.iitm.ac.in/~naras/ch401/Pinch Intro.pdf

[63] Rašković P. Anastasovski A., Markovska Lj., Meško V. Process integration of yeast fermentation

plant - ECOS - Poland 2008 p. 1069 - 1076

[64] A. Anastasovski L. Markovska, V. Meško, P.Rašković. Pinch analysis of yeast fermentation plant.

In: Simpozium termicara Srbije. Soko Banja. 2007.

[65] Anastasovski A., Markovska Lj., Meshko V., Heat integration of ethanol and yeast manufacture.

Maced. J Chem. Chem. Eng. 2007; 26(2), pp 135 - 146

[66] Vogel H., Todaro C., Fermentation and biochemical engineering book. New Jersey. Noyes

Publications, 1997

http://www.cheresources.com/pinchtech2.shtml

http://www.che.iitm.ac.in/~naras/ch401/Pinch%20Intro.pdf

118

Apendix A. Биохемиски процеси во производството на квасец и алкохол

Суровини

Употребата на суровините како хранливите соли и меласата се користат со цел да се задоволат

потребите за јаглерод, азот, фосфор, калиум, магнезиум, калциум, прекурсори и други елементи.

Извори на јаглерод – основен извор за јаглерод се јаглехидратите. Најдостапен јаглехидрат како

суровина е сахарозата во меласата. Постојат два типови на природна меласа како нуспроизвод на

индустријата за шеќер и тоа репкина и трскена меласа. Меласата од шеќерна репка е специфична

за земјите од Европа, додека меласата од шеќерна трска е специфична за тропските региони каде и

вирее шеќерната трска. Покрај разликата во хемискиот состав на двата типови меласа, постои

разлика во содржината на шеќер и во рН вредноста. Вредноста на рН зависи од постапката на

производство на шеќер и тоа алкална (кај шеќерната репка) и кисела ( кисела постапка - шеќерна

трска). Други извори на сахароза се скробни хидролизати, хидролиза на стар леб, хидролиза на

целулоза и сл.

Меласата е кафеавкасто – црна вискозна течност. Суровата меласа има содржина од околу 45 –

50% сахароза и мали еквимоларни количини на гликоза и фруктоза (инвертиран шеќер од

хидролиза на сахароза). Присутни се и некои витамини, како биотинот, инозитолот и други. Овие

компоненти го ограничуваат начинот на подготовка на меласата. Припремената меласа има други

карактеристики и тоа густина од 40оBllg1 ниска вискозност, прочистена од седименти, испарливи

киселини и СО2, и стерилна (комерцијална стерилност).

Во припремата на суровата меласа, истата се раствора во топла вода и со додавање на сулфурна

киселина. Сулфурната киселина се користи за подесување на бараната рН вредност во опсег од

4.5 до 5.0. Со цел да се издвојат присутните цврсти честички и колоидните волуминозни

компоненти, потребно е истата да се центрифугира во сепаратор со специјална намена за тоа или

да се изврши декантација (кај почистите меласи). Еден дел од колоидите коагулираат поради

промената на рН и присуството на сулфурната киселина. Прочистената (центрифугирана) меласа

за да може да се користи за ферментации, потребно е да се стерилизира, а тоа се прави со на два

начини и тоа со директно инјектирање на пареа или индиректно загревање на меласата до

температура на стерилизација од 121оС за точно определено време на задржување. Поради

осетливоста на компонентите кои ги содржи меласата, потребно е нагло ладење кое се постигнува

со експанзија на меласата во експанзионен сад. Тој експанзионен сад игра улога и на сепаратор на

фази. Тој е со константен вакуум со што се предизвикува експанзијата на меласата и издвојување

на лесно испарливите компоненти (гасна фаза) присутни во неа. За одржување на вакуумот

потребно е постојано кондензирање на гасната фаза, бидејки постојано го исполнува вакуум

просторот. Вакумот се добива со приклучок на вакум пумпа и топлински разменувач кој ја лади

гасната смеса. Вака преработена и оладена меласата е спремна за дозирање во ферментациите. Таа

се транспортира и складира во садови за дозирање. Најчесто густината на припремената меласа е

1 40oBllg = 1.177 kg/m3, мерната скала е определена од Balling Karol Napoleon, хемичар од Прага. 1 Bllg

претставува 1% маса на сахароза во воден раствор при температура од 20oС. Дизајнирана е за потребите

на винарската и пиварската индустрија. l g [ ( 1 ) 2 6 6 ] /Bl . Концентрацијата на сахароза е

определена со ( / ) 2.66 lg/ (266 lg)kg LC Bl Bl или можната количина на алкохол кој може да се добие при

ферментацијата % 1000 /17A C

119

определена по спецификација на потребите на процесот. Високата густина на меласата го

зголемува осмотскиот притисок на ферментациониот медиум и доколку квасците кои се користат

не се осмотолерантни, процесот ја минимизира брзината или целосно запира.

Извори на азот – изворите на азот можат да бидат од органско и од неорганско потекло. Најлесно

се асимилира азотот од неоргански материи и тоа кои ја содржат NH4+ - групата. Такви се NH4ОH

(или NH3), (NH4)2HPО4, (NH4)2SО4 и слично. Нитратната и нитритната група неможе да се

искористи како извор на азот. Органски извор на азот е уреата, бетаинот и аминокиселините.

Уреата се асимилира при ферментацијата, но постои компетитивност на користењето на изворите

за минерални материи. Доколку постојат неопргански соли, прво тие се искористуваат, па потоа

уреата, бетаинот и сл. Бетаинот, заедно со аминокиселините се содржи во меласата, но не можат

заедно да ја задоволи потребата. Аминокиселините започнуваат да се искористуваат секогаш на

крајот на ферментацијата кога нема повеќе други извори на азот. Тоа е секогаш очигледно со тоа

што рН вредноста нагло опаѓа.

Извори на фосфор – извор за фосфор се неоргански материи, а тоа се најчесто суперфосфатот и

(NH4)2HPО4.

Витамини и останати минерали – присуството на витамините како прекурсори е многу важно.

Најголема е потребата од биотин и B витамините. Самата квасна клетка не може да ги

синтетизира, па е потребно да се додаваат како готови во поставувањето на ферментацијата.

Важно е и присуството на Мg, К, Cа, Nа, Мn, S, Cu, Zn и Fе. Позната е зависноста на присуството

од магнезиум и калцијум во однос на агрегацијата на квасните клетки во текот на ферментацијата.

Инхибитори – како инхибитори на растот и развојот на квасните клетки се јавуваат SО2 (80 – 100

ppm), лесноиспарливи органски киселини (бутерна, млечна киселина, оцетна киселина и сл.).

важен инхибитор во текот на ферментацијата и по складирањето како квасно млеко е присуството

на нитритната група. Доколку е присутна нитритната група, се развиваат нитритно редуцирачки

бактерии кои ја трансформираат нитритната група во нитратна група. Развојот на овие

микроорганизми го намалува приносот на ферментацијата, брзината на создавање на биомаса со

тоа и ризикот за развој на непожелни видови инфекции.

Извор на кислород – како извор на кислород се користи воздухот, кој делумно се стерилизира со

врвење на истиот низ HEPA филтри (микрофилтрација). Постојат обиди, опишани во литературата

каде се користи воздух збогатен со кислород или чист кислород. Тие обиди се работени со цел

инплементирање на претходно направена оптимизација на процесот ферментација со помош на

масена Пинч технологија.

Квасци

Пекарскиот квасец како прехрамбен производ во себе содржи квасни клетки (Saccharomyces

cerevisiae) класифицирани во фамилијата Saccharomicetaceae на габи. Свежиот квасец содржи 30 –

33% с.м., додека сувиот квасец содржи 95 – 97% с.м. Во античко време, за производството на леб

се користеле само брашно и вода. Тогаш не се знаело за употребата на квасецот (квасот) за

ферментација на тестото. Во Египет 6000 год. п.н.е. се употребувал ферментиран пијалак познат

под името ”боозах”. Тоа е прв податок за употреба на квасна ферментација. Развојот на

ферментациите со употреба на квасните клетки следи со припремањето на пиво и вино. Првпат

користењето на пекарскиот квасец за производство на леб се јавува со користење на ”квас”

(оставен дел од тесто со развиени квасочни клетки кој се користел за месење на нови количини на

леб). Со развојот на микробиологијата и откривањето на квасецот како едноклеточен

микроорганизам се развива и неговото производство пред повеќе од 100 години. Прв

микроорганизам кој се произведувал масовно за прехрамбената индустрија е пекарскиот квасец

”Saccharomyces cerevisiae”, а подоцна се развило производството на специфични соеви како

винскиот квасец ”Saccharomyces cerevisiae var. vinum”, пивски квасец ”Saccharomyces

Karlsbergensis” и сл.

120

Хемискиот состав на пекарскиот квасец е следниов:

Протеини 42 – 48% (на 100% сува материја)

Шеќери 30 – 35% (од кои резервни материи: гликоген и трехалоза (12 – 18%) и структурни

јаглехидрати околу 18%)

Масти 5 – 7%

Пепел (минерални материи) 8%(кај специјални квасци може да има зголемена количина на

минерални материи, хром или селен – хромен квасец и селенов квасец)

Размножувањето на квасните клетки е најчесто со дихотомно пупење (од една мајка клетка се

добиваат две ќерки клетки), но се среќава и сложена делба мејоза и процес на спорулација во

неповолни услови на животна средина.

Исхраната е најважниот фактор во производството на квасец. Со тоа се задоволуваат потребите од

хранливи компоненти за да се овозможи живот и размножување на квасните клетки. Тие потреби

практично ги даваат условите за правилно одвивање на ферментациите. Тоа се адекватна

температура, рН, присуство или неприсуство на кислород, хранење и акумулација на хранливите

материи како резервни полисахариди во зрелите клетки. Храната мора да содржи шеќери како

главен извор на енергија и јаглерод и витамини (прекурсори на биохемиските реакции во

клетката). Количините кои се дозираат на било која од компонентите директно зависи од

почетната количина на биомаса и нејзиниот натамошен развој. За добивање на единица маса на

квасна биомаса, точно се знаат потребните количини на хранливи материи и фактори кои влијаат

врз растот и развојот на клетките. Прирастот на биомасата е експоненцијална функција и според

него се менуваат сите потреби на дозирање во ферментацијата. Бидејки количините на хранливи

материи се пропорционални на количината создадена биомаса и нивниот начин на дозирање

претставува експоненцијална функција во однос на времето и специфичната брзина на раст на

биомасата. Доколку има недостаток на било која компонента, може да дојде до ограничување на

растот на биомаса, како и до пренасочување на процесот во друг правец. Доколку се присутни

компоненти кои негативно влијаат врз квасецот, можат да предизвикаат инхибиција на дел или цел

биохемиски процес во клетките. Преносот на кислород зависи од карактеристиките на

ферментираниот медиум, исполнетоста на ферменторот, како и од количината на кислород која се

распределува преку соодветниот аерационен систем. Доколку има доволно кислород во медиумот,

тогаш добро се развива и размножува биомасата, доколку нема присуство на кислород, тогаш

доаѓа до целосна конверзија на шеќерите во етанол. Но, доколку има мала количина кислород,

тогаш доаѓа до минимално создавање и на биомаса и на алкохол, како и на други нуспроизводи.

Коефициентот на конверзија кај биохемиските реакции е 100%. Но скоро никогаш не се добива

ефикасност од 100% поради пренасочување на реакцијата во правци на создавање нуспроизводи,

што зависи од одржувањето на бараните параметри константни и конкретни на бараните

вредности. Пример за тоа е и алкохолната и аеробната фермантација. Кај алкохолната

ферментација можно е да дојде одредена количина на кислород во ферментационата смеса со што

дел од шеќерите ќе бидат искористени за создавање на биомаса, наместо алкохол. Доколку кај

аеробната ферментација поради недостаток на воздух (кислород) или некој друг фактор ќе се

создаде одредена количина на алкохол, кој со текот на времето може да биде асимилиран од

квасецот, но може да испари со излезните воздушни струи од ферменторот. Воглавно ефикасноста

на конверзија во бараниот продукт е 90 – 99% од степенот на конверзија на шеќерот.

Аеробна ферментација и прираст на биомаса

Процес на аеробна ферментација и прираст на биомаса од квасец [66] - Процесот на

ферментација и за производството на квасец и за производството на алкохол се одвива со

постојано доливање на хранливите материи во ферментациониот медиум. Тој тип на

ферментацијата е наречена feed batch. Производството на квасна биомаса се состои од серија

ферментации, тргнувајки од лабораториска чиста култура до крајната ферментација за матичен и

121

продажен квасец. Првата фаза во серијата ферментации е фазата на пропагација. Чистата култура

која се развива во лабораториски услови се засадува во пилот ферментор или пропагатор со мали

димензии (Слика А.). По завршувањето на ферментацијата во малиот пропагатор, комината со

инокулумот се префрлуваат во поголем пропагатор. Карактеристично за ферментацијата во

пропагаторот е тоа што таа не се одвива по feed batch дозирање, туку сите хранливи материи се

додадени во почетокот пред засејување со инокулумот. Пропагаторите имаат систем за ладење

(двојни ѕидови) и систем за аерација. Поради малите количини на кислород и високите

концентрации на хранливиот медиум, процесот течи со создавање на дел биомаса и дел алкохол.

Тоа е доста важно, бидејки присуството на алкохол и високиот осмотски притисок со

концентрираноста на хранливите материи се заштитува процесот ор развој на непожелни

микроорганизми. Наредна фаза е feed batch ферментација во мал ферментор. Тука започнува да се

формира поголема количина на биомаса поради изобилството од кислород и храна. Оваа

ферментација станува чисто аеробна ферментација.

Слика А.1 Степени на добивање на биомаса која служи како матица за започнување на ферментациите за

продажен квасец

Следна фаза е фаза на ферментација за добивање на матична квасна биомаса која ќе се користи

понатаму како инокулум за производство на продажен квасец (сув или свеж). Овие ферментори се

опремени со системи за дозирање на меласа, хранливи соли, аерационен систем, систем за

контрола на ниво (со систем за отпенување), контрола на температура и регулација на протоците.

Исто така опремени се со CIP и SIP системи. Топлинската размена се одвива преку странични

плочести разменувачи, преку кои се контролира температурата на ферментацијата. Формираната

матична биомаса се дели во повеќе делови зависно технологијата на производство. Секој дел се

засадува во посебна ферментација за продажен квасец, или пак се користи за анаеробни

ферментации за производство на алкохол. Постои распоред на постапките на поставување и

ферментација за еден ферментор, а тоа се следниве:

CIP – миење на ферменторот заедно со цевководите (Clean in Place)

SIP – стерилизација на ферменторот и цевководите (Sterilisation In Place)

Припрема на иницијален (почетен) ферментационен медиум

Инокулација (засадување) на матичната квасна култура

Почеток на ферментацијата

122

Крај на ферментацијата

Центрифугирање (сепарација) на квсецот во вид на квасно млеко

CIP – повторно комплетно миење на целокупниот систем и припрема за наредната

ферментација

Сето тоа се случува циклично. Главниот процес на аеробната ферментација е базиран на

биохемискиот процес на оксидација на гликозата. Енергијата која се ослободува од оксидацијата

се вградува во биохемиското енергетско соединение АТP (Adenosine Tri Phosphate). АТP се

користи како енергетско соединение во дишната нишка на клетката која расти и се развива. Овој

процес на оксидација на гликозата може да се прикаже со следново хемиско равенство кое го

сумира целокупниот биохемиски процес во клетката:

6 12 6 2 2 26 6 6C H O O H O CO

Аеробната ферментација е егзотермен процес. Како сервисен медиум за ладење, со тоа и

регулирање на температурата на ферментацијата се користи ладна вода. Режимот на ладење е

функционално зависен од прирастот на биомаса или моменталниот проток на потребна меласа за

ферментацијата. Равенката (A.1) ја претставува зависноста на прирастот на биомасата во однос на

времето (t), почетната биомаса (Xn-1) и коефициентот на специфична брзина на раст (μ).

Егзотермната енергија е пропорционална на приносот на биомаса (A.2).

1

t

i iX X e (A.1)

прираст создавањеQ X Q (A.2)

. . .храна дозирање потреба по единицаM X M (A.3)

1( )

1 1 2i it t

храна i i потребно потртебно i iM X X M M X X e

(A.4)

Во равенката (A.2) е даден начинот на пресметување на количината енергија која ќе се ослободи

со создавањето на биомаса квасец ∆X, за часот τ. Равенките (A.3) и (A.4) ја даваат

експоненцијалната зависност на дозирањето во однос на времето. Истото важи и за количината на

издвоена енергија.

Термодинамика на биореакцијата - Според тоа ладењето е експоненцијална функциска

зависност. За формирање на 0.5 грама биомаса потребни се 1 грам гликоза. Енергијата на

формирање на биомаса е 560 kЈ/mol или кога се работи за гликоза 468 kЈ/mol, тоа одговара на 5.2

МЈ/kg биомаса. Целокупниот процес на ферментација за добивање на биомаса е даден со следнава

хемиска равенка:

3 2 2 2200 гликоза + 10g NH 100 O 7.5 минерални материи 100g биомаса + 140g CO + 70g Hg g g O

Енергијата која се издвојува во процесот на ферментацијата претставува сума од енергијата на

метаболизмот, енергијата на мешањето, енергијата од аерацијата, разменетата енергија со

околината, испарувањата и разликата на енталпии на влезните и излезните струи. Енергијата која

ќе се издвои поради создавањето на биомаса може да се пресмета од равенките (A.5). Првата за

два различни временски периоди во текот на ферментацијата, додека втората за вкупната издвоена

топлина од започнувањето на ферментацијата до определениот временски период.

1( )

1 2

0

5,2

5,2

i i

издвоено

издвоено

t t

i i i

t

i

Q X X e MJ

Q X e MJ

(A.5)

Во текот на ферментацијата се достигнува максималниот капацитет на продукција на биомаса,

поради ограничувачкиот фактор – воздух. Секоја ферментациона постројка има определена

максимална количина на кислороден трансфер, зависно исполнетоста на ферменторот,

123

растворливоста на кислородот во медиумот и капацитетот на влезен воздух преку аерациониот

систем. Во моментот на достигнување на максималниот прираст на биомаса, тој останува

константен се до исполнување на ферменторот со ферментациона течност до потребното ниво

(често е 60% од вкупниот волумен). По исполнувањето на дозволениот волумен, се прекинува со

дозирање на хранливите материи. Со тоа ферментацијата преоѓа во фаза на зреење, во која се

доискористуваат хранливите материи присутни во ферментациониот медиум и се складираат

поголемиот дел од резервните материи во квасната клетка.

Анаеробна ферментација – алкохолна ферментација

Алкохолната ферментација е анаеробен тип на ферментација. Нема потреба од кислород (тој е

непожелен). Исто така е feed batch ферментација. Главен производ е етил алкохолот со некои

споредни продукти на метаболизмот на квасната клетка. Биохемиската оксидо – редукциона

реакција на гликозата е позната како Embden-Meyerhof-Parnas - ов пат или процес на Гликолиза.

Краток приказ на биотрансформацијата е даден на сликата А.2.

Начинот на поставување е ист како и за аеробната ферментација. Ферментацијата има можности

да биде делумно или целосно блокирана или пак да биде пренасочена во друг правец. Тоа може да

се случи доколку во ферментациониот медиум се пристутни компоненти кои претставуваат

инхибитори на еден или повеќе ензими кои играат важна улога во биохемискиот процес. Тоа може

да се види од слика А.3. Таму е прикажан гликолитичкиот биохемиски пат во кој доколку

процесот се пренасочи во друг правец, ќе се добие глицерол, млечна киселина (лактат) и сл.

Присуството на неспецифични компоненти како производ на ферментација, како и брзината на

одвивање на аеробната или анаеробната ферментација зависи од присуството на такви

инхибитори.

Слика А.2 Биохемиска реакција на формирање етил алкохол [66]

Теоретски од 1 грам гликоза се добива 0.51 грам етанол, но во практиката најчесто е 0.45 грама.

Тоа е резултат на повеќе фактори, и тоа присуство на инхибитори, користење на дел за раст на

биомасата и одржување на нејзините витални функции, како и испарливоста на производот.

Просечна концентрација на етанол на крајот од ферментацијата е околу 10% Vol., но тоа најмногу

зависи од видот на чистата култура која се користи за ферментацијата и нејзиниот дизајн.

На крајот од ферментацијата (моментот кога се искористува целокупната количина на хранливи

материи во комината и запираат сите биохемиски процеси), комината се пушта низ центрифуга од

каде се издвојуваат две главни компонентни струи – алкохолна комина и алкохолно квасно млеко.

Издвоеното квасно млеко содржи одредена количина на витални квасни клетки кои се користат за

124

наредните ферментации. Тоа се врши циклично се до намалување на бројот на витални клетки, со

што не би можело да почне процесот на ферментација. Алкохолната комина се складира во

резервоари за таа намена. Таа се користи како влезна струја во системот од дестилациони колони

во дестилерија за производство на 96% Vol. алкохол и споредните производи кои притоа се

добиваат.

Слика А.3 Биохемиски процес на Гликолиза [66]

125

Постапка на издвојување на квасецот и алкохолната комина со центрифугирање

Центрифугирање

Кај аеробната ферментација, произведената биомаса потребно е да се издвои со висок степен на

чистота, па поради тоа се центрифугира низ систем од три сериски сепаратори (тростепена

сепарација). Тие степени се:

1 степен – сепарација на квасецот од комината

2 степен – прво промивање на квасецот издвоен во првиот степен

3 степен – второ промивање на квасецот издвоен во вториот степен

Приближно, односот на потребната количина на промивна вода е блиска на протокот на комина

која влегува во системот за сепарација. Излезното квасно млеко уште во почетокот се подладува,

врвејки низ плочести разменувачи на топлина низ кои струи ледена вода како разладно средство

(сервисен медиум). Квасното млеко се складира во садови со дупли ѕидови каде се дооладуваат и

одржуваат на потребната температура. Се чуваат онолку колку е потребно за да се искористи во

производството.

Со центрифугирање се издвојува и алкохолната комина. Сепарација со еден сепаратор издвојува

две струи. Тие струи се двата производи алкохолна комина и и алкохолно квасно млеко.

Алкохолната комина се складира во резервоари за алкохолна комина, додека алкохолното квасно

млеко се чува ладно во дупликатор со систем за ладење. Алкохолното квасно млеко се користи за

поставување на нови ферментации.

Филтрација и паковање

За да се издвои квасецот од водата се користи вакуум филтрација со ротационен вакуум филтер.

Филтрационата површина претставува слој од скроб. При вакуум филтрацијата се издвојува т.н.

свеж пекарски квасец со просечна содржина на сува материја од околу 30 – 34%. Пред процесот на

филтрација во квасното млеко се додава одредена количина на различни видови соли со која се

врши процес на солена осмоза. Со тој процес се зголемува содржината на сува маса на квасец во

крајниот производ врз основа на различните осмотски притисоци во клетката и надворешната

страна на мембраната. Во текот на вакуум филтрацијата се врши промивање на додадените соли.

Количината и времетраењето на промивањето се важни поради тоа што треба да се промијат

присутните соли, но не треба да се изврши реверзен процес на поврат на водата во внатрешноста

на клетката. Покрај тоа важна е температурата на промивната вода. Таа мора да биде ладна, со што

би се одржала пониска температурата на издвоениот квасец. Како таков квасецот оди во машина за

формирање и паковање или пак се користи за производството на сув активен пекарски квасец.

Сушење

Издвоениот квасец со помош на екструдер се уфрлува во континуирана сушара за квасец (fluid bed

dryer). Сушарата е поделена во 3 физички издвоени зони. За сушењето на влезниот квасец се

користи сув воздух кој претходно се припрема во систем за издвојување на влагата. Тој систем

функционира по принципот на ладење на воздухот до пониски температури каде се создава

презаситен воздух со влага. Вишокот влага се издвојува како кондензат, а воздухот со ниска

температура и 100% релативна влага се внесува во систем за издвојување на влагата по пат на

адсорпција. Тој систем работи по принципот на ТSА (Temperature Swing Adsorption), принцип на

колони за адсорпција кои вршат регенерација со промената на температурата на адсорпциониот

слој. Така исушениот воздух се загрева до потребните температури за влез во секоја посебна зона

на сушење. Сувиот квасец со содржина на суви материи од приближно 95 – 97% се транспортира

во силоси, каде се складира и пакова во вакумирани блокови.

126

Постапка на издвојување на етанолот со дестилација

Алкохолната комина од резервоарот каде се складира, се транспортира до влезот на системот

дестилациони колони. Првата колона ја издвојува алкохолната комина на две излезни струи и тоа

отпадна струја “Џибра” и испарени компоненти од врвот на колоната. Џибрата претставува

отпадна струја која во себе ги содржи тешко испарливите компоненти кои потекнуваат од

меласата и другите материи кои се користеле во текот на ферментацијата и еден дел вода која

потекнува од внесената пареа на дното на колоната како енергетски сервисен медиум. Испарените

компоненти од врвот на колоната бр. 1 се кондензираат во сериски поставени топлински

разменувачи од типот на цевчести топлински разменувачи (дефлегматори). Собирниот кондензат

влегува во колоната број 2 (алдехидна колона). Во оваа колона се издвојува најголемиот дел на

алдехидни компоненти (лесно испарливите компоненти) – претставени преку ацеталдехидот како

основа за нивна пресметка на содржина во алкохолот или дестилатот (ацеталдехидот е со

најголема концентрација во однос на останатите алдехиди присутни тука). Таквиот прочистен

флуид влегува во колоната број 3. Третата колона издвојува повеќе нус производи како што се

паточните масла, техничкиот алкохол и Лутер водата. Од оваа колона се издвојува и главниот

производ 96% вол. алкохол. Смесата на струите - кондензати од колоните број 2 и 3 претставува

технички алкохол или алкохол за горење (етанол со поголеми примеси на непотребни

компоненти). Паточните масла се смеса на виши алкохоли како пропанол, амил алкохол, изо-амил

алкохол, бутанол и други). Лутер водата (или само Лутер) ги содржи сите тешко испарливи

компоненти во главно органски киселини и вода (кондензат од пареата). Џибрата и Лутерот се

отпадни материи кои во себе содржат висока количина на топлинска енергија (имаат излезна

температура од 102 – 105оС). Овие струи во развиените системи за производство на алкохол

најчесто се користат за загревање во цикличен процес при упарување на обоените отпадни води

(регулативите за отпадни води не дозволуваат испуштање на обоени отпадни води во природните

текови). Алкохолната струја , како и излезните струи за технички алкохол се кондензираат во

цевчести топлински разменувачи со ладна вода. Целокупната излезна вода од цевчестите

топлински разменувачи искористена за ладење, излегува со просечна температура од околу 70оС.

127

Аpendix B. Материјални и енергетски биланси во поединечната опрема на подсистемите

Во табелата B.1 се дадени материјалните биланси по поединечна опрема од која се составени подсистемите.

B.1 Материјални и енергетски биланси во поединечната опрема на подсистемите

Стерилизација на меласа – топлински разменувач HE-1

Материјален биланс:

Стерилна меласа 6 5G G

Кондензат од пареа за стерилизација 8 7G G

Енергетски биланс:

Стерилна меласа

6 5 5 5 7 7 8Q G Cp t G H H

Ладење на струја од испарливи органски компоненти – топлински

разменувач HE-2

Материјален биланс: 10 9G G , 12 11G G

Енергетски биланс: изладени отпадни испарливи органски

материи 10 9 9 9 11 12 11( )Q G Cp t G Cw t t

Кондензација во дефлегматор HE-3 од дестилациона колона 1


Енергетски биланс: кондензат од дест. колона 1

82 81 81 81 79 79 80 79( )Q G Cp t G Cp t t

Рефлукс на дестилациона колона 1 (HE-4)

Материјален биланс: 94 98G G , 84 82 83G G G

Енергетски биланс: напојна струја за дестилациона колона 2

84 82 82 82 82 82 94 94 98( )Q Cp G t G t G Cw t t

128

Рефлукс и технички алкохол од дестилациона колона 2 (HE-5)

Материјални биланси: 95 99G G , 87 85 86G G G

Енергетски биланс: технички алкохол од колона 2

86 85 85 85 86 86 95 95 99Q Cp G t G t G Cw t t

Вкупен технички алкохол (производ) – кондензација во топлински

разменувач HE-6

Материјален биланс: 96 100G G , 90 87 88 89G G G G

Енергетски биланс: вкупно произведен технички алкохол

90 88 88 88 89 89 96 100 96 87Q Cp G t G t G Cw t t Q

Произведен рафиниран алкохол – кондензација на алкохолна струја

во HE-7


Енергетски биланс: произведен рафиниран алкохол

92 97 97 101 91 91 91Q G Cw t t G Cp t

Топловодно греење – топлински разменувач (HE-8)


Енергетски биланс: грејна струја

120 118 118 121 119 119Q G H H G Cw t

Ладење на промивна вода при филтрација- топлински разменувач

HE-9


Енергетски биланс: промивна вода за филтрација

49 50 50 50 51 49 48Q G Cp t t G Cw t

129

Загревање на сув воздух за сушара - зона 1(топлински разменувач

HE-10)

Материјален биланс: 1 5554G G , 1 5853

G G

Енергетски биланс: загреан сув воздух за зона 1

1 155 55 58 5854 53vozduhQ G Cp t G H H

Загревање на сув воздух за сушара - зона 2 (топлински разменувач

HE-11)


G G


2 2 2 256 5954 54 53 53vozduhQ G Cp t G H H

Загревање на сув воздух за сушара - зона 3 (топлински разменувач –

HE-12)


G G


3 3 357 60 6054 54 53vozduhQ G Cp t G H H

Сепарација на гасна фаза од лесноиспарливи органски киселини

(експанзионен сад Ph.Sep-1)

Материјален биланс: 9 6 13G G G

Енергетски биланс: лесно испарливи органски киселини (гасна

фаза)

9 13

9 13 6

9 6 6 6 13 13 13

t t

P P P

Q G Cp t G Cp t

Сепарирање на цврсти материи присутни во меласата со

центрифугирање (сепаратор SEP-1)

Материјален биланс: 5 2 1 4G G G G , 4 .G const

Енергетски биланс: бистра меласа

5 2 2 1 1 1 4 4 4

5 4

Q G Cw t G Cp t G Cp t

t t

130

Припремање на раствори од хранливи соли (миксер MIX-2)

Материјален биланс: 17 14 15 16G G G G

Енергетски биланс: припремен солен раствор

17 14 14 14 15 16 _припрема загуби околинаQ G Cp t G G Cw t Q

_

0загуби околина задржувањеQ f , 15 15 16 16

15 16

припрема

G t G tt

G G

Складирање на дозирна меласа (сад DRM)

Материјален биланс: 18 13 13

dVG G

d

,

18 0, , меласаG f x C x e

Енергетски биланс: дозирна меласа

18 13 13 13 13 _DRM

загуби околина

dVQ G Cp t Q

d

_загуби околина задржувањеQ f (изразено во периоди помеѓу

шаржи)

Складирање и дозирање на MgSO4 (сад Mg)

Материјален биланс: 19 17

MgdVG G

d

(порција при поставување на ферментацијата)


19 17 17 17 17 17

Mg загуби

MG

dV dQQ G Cp t Cp t

d d

Складирање и дозирање (NH4)2SO4 – сад AS


19 17

ASdVG G

d

,

19 0, , ASG f x C x e

Енергетски биланс: дозирање хранливи соли – амониум сулфат

19 17 17 17 17 17

загубиASAS

dQdVQ G Cp t Cp t

d d


шаржи)

Складирање и дозирање на (NH4)2HPO4 – сад DAF

Материјален биланс: 19 17DAFdV

G Gd

(порција при поставување на ферментацијата)


19 17 17 17 17 17

загубиDAFDAF

dQdVQ G Cp t Cp t

d d

131

Складирање и дозирање NH4OH – сад AV

Материјален биланс: 19 17AVdV

G Gd

,

19 0, , AVG f x C x e

Енергетски биланс: дозирање хранливи соли – амониум сулфат

19 17 17 17 17 17

загубиAVAV

dQdVQ G Cp t Cp t

d d


шаржи)

Складирање на квасно млеко – дупликатор MKD

Материјален биланс: 23 .G const , 24 .G const секогаш важи

24 23. 0G Const G и обратно, Lvi LVG G


_

23 23 24

ледена вода

Km мешање

dQQ G Cp t Q

d

каде

_ледена вода LV LV LV LviQ G Cp t t при што важи .LVt const

Lvi LVt t при

Припрема на инокулум за ферментација – сад MAT

Масен биланс: 24 25 .G G Const , притоа важи

24 250 за G .G const

Енергетски биланс: инокулум

_

25 24 24

надворешна топлина

KM мешање

dQQ G Cp t Q

d

,

(со стоење се загрева од околната средина)

Сепаратор за квасно млеко бр.-1

Материјален биланс: 33 31 32G G G , 35 33 34G G G


33 31 31 31 32 32 32Q G Cp t G Cp t

35 33 34 34 34Q Q G Cp t , 31 32 33t t t ,

34 38t t

132

Аеробна ферментација – ферментор Aef


min 0 19 0 18 0

26 0 21 0 31

, , , ,

, , , ,

ko a

dVG G x G x

d

G x G x G

за текот на ферментацијата важи: 31 0G

во спротивно: 31 .G const , а се останато е 0.

0 25 30 20 19 porcijaG G G G G

19 0, , AS AVG x G G

419 DAF MgSOporcijaG G G

Топлински разменувач

22 22vlez izlezG G , 28 27G G

Компонентен материјален биланс:

18 0 0

/

, ,шеќер

меласа шеќер

CG x x e

C

1

0 0, , n n

AS ASмоменталенG x C x e

0 0, ,AS ASG x C x e

0 0, ,AV AVG x C x e

2 20 0, ,O OG x C x e

2 226 0 21 0, , , ,O OTR OG G x G x K A dC

Енергетски биланс: ферментор

18 0 18 18 0

19 0 19 19 26 0

21 0 21 21 31 31 31 0

, ,

, , , ,

, ,

ладење мешавина мешавина

воздух воздух

биомаса

Q G x Cp t G Cp t

G x Cp t G x Cp t

G x Cp t G Cp t C x e

Енергетски билан: топлински разменувач

22 22 27 28 27( )ладење влез баранаQ G Cp t t G Cw t t

Потребна количина на вода за ладење:

27

28 27

ладењеQG

Cw t t

Аерационен воздух – воздушна дувалка VD

Материјален биланс: 26 26vlG G


26 26vl воздух околина компресијаQ G Cp t Q

133


Материјален биланс: 36 35 37G G G , 39 36 38G G G


36 35 35 35 37 37 35Q G Cp t G Cp t

39 36 38 38 38Q Q G Cp t , 35 37 36t t t ,

34 38t t




41 39 39 39 40 40 39Q G Cp t G Cp t

39 40 41t t t ,

Ладење на издвоеното квасно млеко при сепарација – топлински

разменувач Hec



42 41 41 41 43 43 43 44Q G Cp t G Cp t t , 41 .лад водаt t

Складирање на квасно млеко – дупликатор Dkm

Материјален биланс: .KmdG const , 42 .G const секогаш важи

45 42. 0G Const G и обратно, 43 44G G


_

45 42 42

ледена вода

KM мешање

dQQ G Cp t Q

d

каде

_ 43 43 43 44ледена водаQ G Cp t t при што важи 43 .t const

44 43t t при

134

Анаеробни ферментации – анаеробен ферментор Anf

Масен биланс:

69 66 65 67 64 0 71 68,dG

G G G G G x G Gd

за текот на ферментација важи: 71 0G , 0

064 , меласаxG C x

Енергетски биланс: комина

64 0 64 64 69 69

66 66 65 65 65 67 67 67 68 68 68

,ладењеQ G x Cp t G Cw t

G Cw t G Cp t G Cp t G Cp t

Складирање на алкохолно квасно млеко – дупликатор R-Akm

Идентично со складирање на квасното млеко за производство на

квасец

Сепарирање на алкохолна комина – сепаратор Sep.f.


Енергетски биланс: алкохолна комина

73 71 71 71 72 72 72Q G Cp t G Cp t , 72 73 71t t t

Складирање на алкохолна комина – дупликатор Akf


71 73. комина

dVG const G

d


0, загуби комина околинаQ t t

71 73 73 73 73комина Комина загуби

dVQ G Cp t Cp t Q

d

135

Дестилациона колона – 1, DC-1

Материјален биланс: 81 80 75 83 78G G G G G


81 80 83 83 75 74 78 78 78Q Q G Cp G H G Cp t

78

81

dno

vrv

t t

t t

Дестилациона колона – 2, DC-2


104 84 86 76 85G G G G G


104 84 86 86 86 76 76 85 85 85Q Q G Cp t G H G Cp t

104

85

dno

vrv

t t

t t

Дестилациона колона – 3 (ректификација) DC-3


92 104 77 89 93 88G G G G G G

Енергетски биланс: издвоен рафиниран алкохол

92 104 77 77 89 89 89 93 93 93

88 88 88

Q Q G H G Cp t G Cp t

G Cp t

93

88

dno

vrv

t t

t t

136

Складирање на топла вода – резервоар R-1

Материјален биланс: 15 123 125 w

dVG G G

d

Енергетски биланс: 0 загубиQ изолација

15 125 125 123 123 .w т вода загуби

dVQ G H G Cw t Cw t Q

d

Континуирано сушење на квасецот – сушара - FBD

Материјален биланс: зона 1

52 55 126II zonaG G G G

126 55 одземена влагаG G G

Зона 2: 56 127III zona II zonaG G G G ,

127 56 одземена влага II zonaG G G

Зона 3: 61 57 128III zonaG G G G ,

128 57 одземена влага III zonaG G G

Енергетски биланс: зона 1

52 52 52 55 55 126

, ,

II zona воздух

влага I влага I

Q G Cp t G Cp t t

G H

зона 2

56 56 127 , ,III zona II zona воздух влага II влага IIQ Q G Cp t t G H

зона 3

57 57 128

, ,

SAK III zona воздух

влага III влага III

Q Q G Cp t t

G H

Вакуум филтрација – вакуум филтер VF-1


% ( )

46 45 49 47 45

% ( )

SM KM

SM производ

xG G G G G

x


46 45 45 49 49 47 47 47KMQ G Cp t G Cw t G Cp t

Резервоар за ладна вода – R-LV

Материјален биланс: 122 117 w

dVG G

d


122 117 117 w околина

dVQ G Cw t Cw Q

d

137

Филтрација низ песочни филтри – P.Fil.

Материјален биланс: 116 115 задржан талогG G G


116 115 115 115талог талогQ G Cw t G Cp t

Јонска размена – дејонизатори - DEJ

Материјален биланс: 113 ( .)F dejG G занемарлива е разменетата

количина на катјони (Na+→Ca

2+)

Енергетски биланс: 113 116.F dejQ G Cw t

Собирен резервоар за повратен кондензат и дополнување со потребна

количина вода – Sob.R.

Материјален биланс: 111 112 113 w

dVG G G

d


111 112 112 113 113 113w

dVQ Cw G t G t t

d

Деаерација на водата со напоен сад за котел – DEAER. со N.sad


107 111 109 обезвоздушувње w

dVG G G G

d

Енергетски биланс: напојување на котел со вода

107 111 111 109 109

обезвоздушување пареа

w напој

воздух воздух воздух

Q G Cw t G H

G H dVCw t

G Cp t d

Генерирање на пареа за потребите на процесот – котел (Ku)

Материјален биланс: 106 108 105G G G ,

110 107 109 110 125 /вода притисок

dVG G G G G

d

Енергетски биланс: пареа дистрибуирана за процесот

110 110 110

107 107 109 110 125 125

, ,Q f t P G G H

dVG Cw t G H G H Cp

d

106 108 108 108 105 воздух ВоздухQ G Cp t G Cp t

138

Аpendix C: Имиња на струите кои го сочинуваат системот

број Име на струјата подсистем број Име на струјата подсистем број Име на струјата подсистем

VD надворешен воздух B 43 ледена вода - влез C 86 флегма H

1 сурова меласа A 44 ледена вода - излез C 87 кондезати H

2 топла вода A 45 квасно млеко - дупликатор C 88 излез - врв колона 3 H

3 Растворена сурова меласа А 46 свеж квасец - за свеж и сув производ D 89 флегма - колона 3 H

4 меласен талог A 47 филтрат D 90 технички алкохол (вк.) H

5 бистра меласа A 48 ладна вода D 91 рафиниран алкохол (гас) H

6 стерилна меласа A 49 промивна вода D 92 рафиниран алкохол (кондензат) H

7 пареа A 50 ледена вода - влез D 93 лутер H

8 кондензат A 51 ледена вода излез D 94 вода за ладење - разменувач 4 H

9 испарливи компоненти A 52 свеж квасец - сушара влез E 95 вода за ладење - разменувач 5 H

10 отпадни гасови A 53 Главен довод на пареа за сушара Е 96 вода за ладење - разменувач 6 H

11 ладна вода A 54 Влезен сув воздух Е 97 вода за ладење - разменувач 7 H

12 ладна вода излез A 55 сув воздух - зона 1 E 98 излез - вода за ладење разменувач 4 H

13 припремена меласа A 56 сув воздух - зона 2 E 99 излез - вода за ладење разменувач 5 H

14 соли (нерастворени) A 57 сув воздух - зона 3 E 100 излез на вода за ладење - разменувач 6 H

15 Топла вода А 58 Кондензат зона 1 E 101 излез на вода за ладење - разменувач 7 H

16 Ладна вода А 59 Кондензат зона 2 E 102 Влез на вода за лдење за дестилерија

17 Раствори на хранливи соли B 60 Кондензат зона 3 E 103 Излез на водата за ладење по ладење од дестилерија

18 меласа B 61 производ - сув квасец E 104 хранење на колона 3 H

19 Дозирна струја за хранливи соли B 62 паковање E 105 воздух за котел U

20 топла вода B 63 Вкупен повратен кондензат E 106 мазут за котел U

21 излезни гасови B 64 дозирна меласа F 107 напојување на котел U

22 ферментационен медиум B 65 соли F 108 гасови од согорување U

23 квасно млеко B 66 топла вода F 109 внатрешна потреба на пареа U

24 квасно млеко B 67 алкохолно квасно млеко G 110 пареа - дистрибуција U

25 квасно млеко – прирпремено за ферментација B 68 Излезни гасови од ферментација 111 вода за деаерација U

26 аерационен воздух B 69 ладна вода F 112 повратни кондензати U

27 вода за ладење B 70 пареа F 113 ладна вода за котлара U

28 вода за ладење - излез B 71 алкохолна комина G 114 филтрирана вода U

29 пареа B 72 сепарирано алкохолно квасно млеко G 115 вода од регионален систем U

30 ладна вода B 73 алкохолна комина - дестилерија G 116 филтрирана вода U

31 квасна комина C 74 Главен довод на пареа за подсистем H H 117 дезинфицирана вода U

32 отпад сепаратор 1 C 75 пареа - колона 1 H 118 пареа за топловодно греење U

33 квасно млеко - сеп.1 C 76 пареа - колона 2 H 119 циркулациона вода од топловодно греење - влез U

34 ладна вода - сеп.1 C 77 пареа колона 3 H 120 циркулациона вода од топловодно греење - излез U

35 разредено К.М. - сеп.1 C 78 џибра H 121 кондензат U

36 квасно млеко - сеп.2 C 79 хранење на дестилерија G 122 ладна вода U

37 отпад сепаратор 2 C 80 предгреана комина H 123 ладна вода за Р. топла вода U

38 ладна вода - сеп.2 C 81 излез врв - колона 1 H 124 Ладна вода U

39 разредено К.М. - сеп.2 C 82 кондензати H 125 пареа за топла вода U

40 отпад - сеп.3 C 83 флегма H 126 отпадни гасови - зона 1 E

41 квасно млеко - сеп.3 C 84 хранње на колона 2 H 127 отпадни гасови - зона 2 E

42 квасно млеко - ладено C 85 излез - врв на колона 2 H 128 отпадни гасови - зона 3 E

139

Слика А3 Процесна шема на системот за производство на квасец и алкохол

magisterska rabota - anastasovski aleksandar

Documents