автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Математическое моделирование процесса замкнутой ректификации многокомпонентных спиртовых смесей

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 Современное состояние вопроса моделирования и совершенствования процесса получения ректификованного спирта (Литературный обзор).

1.1 Характеристика и особенности технологии получения ректификованного спирта.

1.2 Математическое моделирование процесса ректификации многокомпонентных смесей.

1.3 Методы расчета парожидкостного равновесия в многокомпонентных неидеальных смесях.

1.4 Массопередача в многокомпонентных смесях.

1.5 Задачи исследования.

ГЛАВА 2 Разработка математических моделей процесса замкнутой ректификации многокомпонентных неидеальных смесей.

2.1 Разработка математической модели стационарного режима замкнутой ректификации многокомпонентных спиртовых смесей.

2.2 Разработка математической модели нестационарного режима замкнутой ректификации многокомпонентных спиртовых смесей.

2.3 Моделирование замкнутой ректификации многокомпонентных спиртовых смесей с учетом массопередачи.

2.3.1 Решение уравнений Стефана - Максвелла для трехкомпонентной смеси.

2.3.2 Аналитическое решение уравнений массопередачи

E.H. Константинова для трехкомпонентной смеси.

2.3.3 Разработка кинетических моделей замкнутой ректификации многокомпонентных спиртовых смесей.

ГЛАВА 3 Выбор кинетической модели для исследования процесса замкнутой ректификации спиртовых смесей.

3.1 Сравнение математических моделей процесса замкнутой ректификации спиртовых смесей.

3.2. Идентификация математических моделей замкнутой ректификации спиртовых смесей по экспериментальным данным.

3.2.1 Описание экспериментальной установки.

3.2.2 Методика проведения эксперимента на стендовой установке.

3.2.3 Проверка адекватности математических моделей замкнутой ректификации спиртовых смесей реальному процессу.

ГЛАВА 4 Анализ общих закономерностей процесса разделения спиртовых смесей методом замкнутой ректификации.

4.1. Исследование влияния величины отбираемых порций дистиллята на состав получаемого продукта.

4.2. Анализ влияния величины интервала времени между отборами дистиллята на состав получаемого продукта.

4.3. Определение областей с экстремальным содержанием примесей при замкнутой ректификации спиртовых смесей.

ГЛАВА 5 Разработка рекомендаций по совершенствованию процесса замкнутой ректификации спиртовых смесей и внедрение результатов работы.

5.1 Сравнение способов разделения спиртовых смесей периодической и замкнутой ректификацией.,.

5.2 Разработка рациональной стратегии ведения процесса замкнутой ректификации при разделении спиртовых смесей.

5.3 Разработка схемы разделения спиртовых смесей в двухсекционной колонне с промежуточной емкостью.

5.4 Внедрение результатов работы.

ВЫВОДЫ.

Актуальность темы. В Российской Федерации производство этилового спирта является одной из основных отраслей пищевой промышленности. На крупных спиртовых и ликеро - водочных заводах получение пищевого ректификованного спирта осуществляется непрерывным способом /1/. Однако в связи с появлением малых предприятий все большее распространение получают установки периодического действия. Качество спирта, производимого на таких установках, не всегда удовлетворяет требованиям ГОСТа /2/ из-за сложности управления периодическим процессом и необходимости изменения во времени параметров технологического режима.

Повысить качество продукции и облегчить управление процессом возможно при разделении спиртовых смесей по схеме замкнутой ректификации. Режим замкнутой ректификации является предельным режимом периодического процесса, так как колонна работает при бесконечном флегмовом числе, а дистиллят отбирается дискретно из рефлюксной емкости через определенные интервалы времени. Это увеличивает движущую силу процесса, а, следовательно, повышает разделительную способность колонны. Управление процессом при бесконечном флегмовом числе проще, чем при обычной периодической ректификации.

Несмотря на указанные достоинства, процесс замкнутой ректификации не нашел широкого применения, так как имеет специфические особенности и недостаточно глубоко изучен.

Эффективными методами получения информация для совершенствования технологических процессов являются методы химической кибернетики /3/. Основу современного кибернетического подхода к решению технологических проблем составляет системный анализ /4-6/. Этот метод исследования позволяет выявлять и изучать элементы, оказывающие наиболее существенное влияние на функционирование технологической установки и осуществлять интеграцию получаемой информации для разработки оптимальной схемы как с точки зрения ее структуры, так и с точки зрения режима ее работы. Основополагающим методом познания при системном анализе является метод математического моделирования /3,7/.

Современный уровень развития вычислительной техники, а также достижения в области теории термодинамического равновесия неидеальных смесей и теории многокомпонентной массопередачи позволяют использовать этот метод для изучения процесса замкнутой ректификации спиртовых смесей.

В связи с изложенным, актуальной задачей является разработка комплекса математических моделей различного уровня сложности для моделирования процесса замкнутой ректификации, а также анализ закономерностей и показателей процесса при разделении спиртовых смесей.

Работа выполнена в соответствии с тематическим планом госбюджетных НИР Кубанского государственного технологического университета, а также в рамках гранта «Разработка теории тепломассообмена в многокомпонентных смесях и ее интеграция с групповыми моделями парожидкостного равновесия переработки вторичного сырья пищевой промышленности» (г/б 2.10.012).

Цель работы. Разработка математических моделей стационарного и нестационарного режимов замкнутой ректификации спиртовых смесей, исследование закономерностей процесса на основе численного эксперимента и разработка рекомендаций по его совершенствованию.

Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что: разработаны математические модели стационарного и нестационарного режимов замкнутой ректификации многокомпонентных спиртовых смесей: а) базирующиеся на концепции «теоретической тарелки»; б) с учетом кинетики массопередачи на действительной тарелке; усовершенствован метод независимого определения содержаний примесей, согласно которому смесь из п компонентов рассматривается как совокупность п-2 трехкомпонентных систем вода - этанол - примесь; для случая трехкомпонентной смеси разработан метод численно - аналитического решения краевой задачи массообмена на ректификационной тарелке, сформулированной в виде системы дифференциальных уравнений в частных производных с использованием уравнений многокомпонентной диффузии Стефана-Максвелла; получено аналитическое решение уравнений многокомпонентной массопередачи E.H. Константинова для ректификационной тарелки в случае трехкомпонентной смеси; установлена необходимость учета кинетики массообмена при математическом моделировании режима замкнутой ректификации многокомпонентных спиртовых смесей и выбрана приемлемая для этой цели модель массопереда-чи; обоснована целесообразность применения метода замкнутой ректификации при разделении спиртовых смесей с различным содержанием этанола в широком диапазоне изменения конструктивных и технологических параметров (числа тарелок, объема порций отбираемого дистиллята, интервалов времени между отборами); доказано преимущество получения высококачественного спирта методом замкнутой ректификации по сравнению с обычной периодической ректификацией.

Практическая ценность работы заключается в том, что: разработанные математические модели замкнутой ректификации спиртовых смесей реализованы в виде компьютерных программ на алгоритмическом языке FORTRAN-77, которые могут быть использованы для проектных и поверочных расчетов; предложена рациональная стратегия ведения процесса замкнутой ректификации при разделении смесей с различным содержанием спирта; обоснована целесообразность получения сортового спирта в двухсекционной колонне с промежуточной емкостью; разработанные математические модели и рекомендации по совершенствованию процесса получения спирта методом замкнутой ректификации переданы научно - технической фирме «ВАНД» для использования при проектировании установок периодического действия.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены на международной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии и оборудование для пищевой промышленности» (г. Воронеж, 1997), на международной научной конференции «Рациональные пути использования вторичных ресурсов АПК» (г. Краснодар, 1997), на Всероссийской студенческой научной конференции с международным участием «Студенты России - пищевой промышленности XXI века» (г. Краснодар, 1998), на 2-ой межрегиональной научно- практической конференции «Пищевая промышленность-2000» (г. Казань, 1998), на 2-ой международной научнопрактической конференции «Продовольственный рынок и проблемы здорового питания» (г. Орел, 1999), на международной научно - практической конференции «Продовольственная индустрия юга России. Экономически безопасные энергосберегающие технологии хранения и переработки сырья растительного и животного происхождения» (г. Краснодар, 2000), на международной научной конференции «Прогрессивные пищевые технологии - третьему тысячелетию» (г. Краснодар, 2000).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 научных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка используемой литературы и приложений. Работа изложена на 168 страницах, содержит 17 таблиц и 58 рисунков.

выводы

1. Установлено, что моделирование кинетики замкнутой ректификации спиртовых смесей с использованием модели, базирующейся на решении уравнения многокомпонентной диффузии Стефана- Максвелла, и модели, основанной на аналитически решенных уравнениях массопередачи E.H. Константинова, дает сопоставимые результаты. При этом затраты машинного времени при использовании последней на три порядка меньше.

2. Доказана адекватность реальному процессу замкнутой ректификации спиртовых смесей математической модели, базирующейся на концепции «теоретической тарелки», и кинетической модели, использующей уравнения массопередачи E.H. Константинова. Выявлено, что первая модель дает завышенную четкость разделения колонны по сравнению со второй, но требует на порядок меньших затрат машинного времени. Рекомендовано применять модель по теоретическим тарелкам на стадии исследования общих закономерностей процесса, а конечные результаты уточнять по кинетической модели.

3. С использованием модели стационарного режима замкнутой ректификации установлено, что для минимизации потерь спирта отбор дистиллята необходимо производить как можно меньшими порциями.

4. С помощью модели нестационарного режима замкнутой ректификации выявлено, что время достижения одинаковой степени отклонения от стационарного состоя-бия не пропорционально объему отбираемых порций дистиллята: при уменьшении объема отбираемых порций в N раз, это время сокращается менее чем в N раз. Это свидетельствует о том, что имеются оптимальные значения параметров: объема порций и интервала времени между отборами.

5. Установлено, что методом замкнутой ректификации можно получать ректификованный спирт в колоннах, разделительная способность которых превышает 20 теоретических тарелок. При этом обнаружено, что увеличение числа тарелок в колонне не приводит к увеличению выхода сортового спирта, а ведет к перераспределению спирта по сортам в сторону увеличения количества высших сортов.

6. Разработаны следующие рекомендации по рациональной стратегии ведения процесса замкнутой ректификации при разделении спиртовых смесей:

- с содержанием 35 % об. отбор дистиллята производить порциями по 0,625 % от объема навалки через каждые 0,25 часа при отборе ЭАФ и 0,5 часа при получении сортового спирта;

- с содержанием 50 % об. отбор дистиллята производить порциями по 1,25 % от объема навалки через каждые 0,5 часа при отборе ЭАФ и 1,0 час при получении сортового спирта;

- с содержанием 88 % об. отбор дистиллята производить через каждый час порциями по 2,5 % от объема навалки при сбросе ЭАФ и по 1,25 % от объема навалки при получении сортового спирта;

- по достижении в кубе колонны концентрации этанола 6-10 % об. производить 1-2 сброса жидкости с четвертой снизу тарелки; одновременно рекомендуется постепенно снижать объем порций дистиллята вплоть до 0,3125 % от объема навалки при пропорциональном сокращении интервала времени между отборами.

7. Подтверждено наличие в колонне, работающей в режиме замкнутой ректификации, устойчивых по высоте зон с максимальным и минимальным содержанием альдегидов и эфиров. Показано, что с увеличением отбора дистиллята численные значения максимумов увеличиваются, а минимумов уменьшаются, и отбор спирта целесообразно проводить из зоны с минимальным содержанием примесей.

8. Доказана конкурентоспособность способов получения спирта путем последовательного отбора порций дистиллята и в двухсекционной колонне с промежуточной емкостью между секциями. Для сокращения времени процесса разделения рекомендован второй способ.

1. Стабников В.Н. Перегонка и ректификация этилового спирта М.:Пшцевая пром-сть, 1969. 456 с.

2. ГОСТ 5962-67 «Спирт этиловый ректификованный пищевой»,- М.: Изд-во стандартов.

3. Кафаров В.В. Методы кибернетики в химии и химической технологии,- М.: Химия, 1968.380 с.

4. Свихунов А.Г. Основные закономерности системного анализа в химической технологии //Химическая пром-сть. 1978.№ 7.С.67-69.

5. Кафаров В.В., Дорохов И.Н. Системный анализ процессов химической технологии. Основы стратегии. М.:Наука, 1976.500 с.

6. Кафаров В.В., Дорохов И.Н. Системный анализ процессов тепло и массоперено-са //Инж.-физ. журн. 1980.Т.39.№№.С.396-415.

7. Кафаров В.В., Ветохин В.Н., Бояринов А.И. Программирование и вычислительные методы в химии и химической технологии,- М.:Наука, 1972.487 с.

8. Стабников В.Н., Ройтер И.М., Процюк Т.Б. Этиловый спирт,- М.: Пищевая пром-сть, 1976.272 с.

9. Технология спирта/ Под ред. Смирнова В.А.-М.:Лег. и пищ. пром-сть, 1981.416с.

10. Маринченко В.А., Матюшов В.Д., Швец В.Н. Технология спирта из мелассы,- Киев: Вшца школа, 1975.283 с.

11. Справочник работника спиртовой промышленности / Под ред. Рудницкого П.В.Киев: Техника, 1972.377 с.

12. Климовский Д.Н., Стабников В.Н. Технология спирта,- М.: Пшцепромиздат, 1960.218 с.

13. Фертман Г.И., Шульман М.С. Физико-химические основы производства спирта. -М.: Пшцепромиздат, 1960.237 с.

14. Менделеев Д.И. Основы фабрично-заводской промышленности,- Петербург, 1887.

15. Дорошевский А.Г. Исследования в области водно-спиртовых растворов. Ученые записки императорского московского университета. Вып. XXIX, М.: 1911.

16. Коновалов Д.П. ЖРФХО, Т.ХУ1,1884.

17. Вревский М.С. ЖРФХО, Т.ХУП,XVIII, 1910-1911/18