автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Разработка научно-обоснованной ресурсосберегающей технологии и аппаратов утилизации отходов производства этанола

дяувд ВАК России

......., . M il Ж..Ж

.'.у, учзную степеньДО К \ О

■ г it

_паук

хупраЕ\е- т -АХ России

7*

Jj

г/303

Тамбовский государственный технический университет Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина.

АРЗАМАСЦЕВ Александр Анатольевич

РАЗРАБОТКА НАУЧНО-ОБОСНОВАННОЙ РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩЕЙ ТЕХНОЛОГИИ И АППАРАТОВ УТИЛИЗАЦИИ ОТХОДОВ ПРОИЗВОДСТВА ЭТАНОЛА

Специальности:

05.17.08 - Процессы и аппараты химической технологии; . 05.18.18 - Технология биологически активных веществ

Диссертация

на соискание ученой степени доктора технических наук

К

\

Тамбов - 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ........................................................................ 7

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ

РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ ПРОЦЕССОВ И АППАРАТОВ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ДИССЕРТАЦИИ....................................2 6

1.1. Существующие подходы к оптимальному проектированию и оптимизации ресурсосберегающих технологических процессов и аппаратов................................. 27

1.2. Объекты исследований ................................. 33

1.2.1. Проектируемый технологический процесс 33

1.2.2. Отход производства этанола .................. 35

1.2.3. Биообъекты, используемые для организации процесса ..............................................38

1.3. Постановка задач оптимизации для проектируемого процесса.............................. 4 0

1.4. Представление комплексного процесса в виде трехуровневой иерархической системы...... 4 9

1.5. Цель и основные задачи диссертации ...... 53

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.................. 57

2.1. Экспериментальные установки и стенды и их характеристики............................................. 57

2.1.1. Экспериментальная установка для исследования кинетики процессов............ 58

2.1.2. Экспериментальные установки для исследования разделения суспензий методом термофлотации.....................................65

2.1.3. Стенд для отладки технологии трассерного

эксперимента в нестационарных условиях... 67

2.2. Кинетика утилизации отходов производства этанола............................................................... 70

2.2.1. Кинетика ассимиляции органических веществ и роста биомассы........................... 7 0

2.2.2. Кинетика потребления кислорода

в реакторе...................................................... 93

2.3. Особенности кинетики процесса, обусловленные явлениями саморегулирования

и самоадаптации................................................10 9

2.3.1. Саморегулирование кислотности среды...... 110

2.3.2. Саморегулирование температуры.................. 123

2.3.3. Саморегулирование различных факторов может приводить к самоадаптаций

объектов.......................................................... 12 9

2.4. Концентрирование суспензии методом термофлотации................................................... 131

- . Выводы по главе 2....................-................".....................135

ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ, ОПТИМАЛЬНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ФЕРМЕНТАЦИИ...................................................... 137

3.1. Постановка задачи оптимального проектирования................................................ 137

3.2. Математические модели, предназначенные

для решения задач оптимального проектирования процесса.............................. 142

3'. 2.1. Модель рабочей секции биореактора...... 14 2

3.2.2. Модель системы: реактор - отстойник-

рецикл............................................................ 14 6

3.2.3. Алгоритм секционирования аппаратов ¡в

химико-технологических процессах......... 14 8

3.3. Решение задачи оптимального проектирования................................................ 151

3.4. Исследование гидродинамики рабочих

секций барботажного реактора..................... 153

3.5. Моделирование саморегулирования

рН среды в реакторах.................................... 156

3.5.1. Модель в виде реакций гипотетического объекта с отрицательной обратной связью 15 6

3.5.2. Феноменологическая модель саморегулирования рН .............................. 163

3.5.3. Математическая модель, использующая свойства карбонатной буферной системы 166

3.5.4. О применимости термина "величина рН" для объектов с малыми геометрическими размерами..................................................... 159

3.5.5. Реакцию процесса в отношении рН среды ' можно считать проявлением способности

объекта к самоадаптации........................... 174

3.6. Моделирование саморегулирования температуры в биореакторах........................... 177

3.6.1. Модель саморегулирования температуры

в реакторе (модель 1) ........................... 17 9

3.6.2. Модель саморегулирования температуры в реакторе (модель 2). Исследование модели и объяснение основных феноменов 191

3.6.3. Реакцию процессов в отношении изменений температуры можно считать проявлением способности объектов

к самоадаптации.......................................... 210

3.7. Оптимизация технологического процесса.

Задачи ресурсо- и энергосбережения............ 212

3.7.1. Постановка задач оптимизации.................. 213

3.7.2. Математическая модель реактора, предназначенная для решения

задач оптимизации....................................... 215

3.7.3. Решение задач оптимизации........................ 217

Выводы по главе 3......................................................219

ГЛАВА 4. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ТЕРМОФЛОТАЦИОННОГО РАЗДЕЛЕНИЯ

СУСПЕНЗИИ...................................................... 220

4.1. Экономическое обоснование термофлотационного концентрирования суспензий........................... 220

4.2. Физико-химические основы метода............... 223

4.3. Математическая модель процесса термофлотационного разделения суспензий 230

.4.4. Идентификация модели и проверка ее

адекватности реальному процессу.................. 236

4.5. Исследование процесса с помощью математической модели................................. 239

4.6. Оптимизация энергетических ресурсов для

процессов разделения и сушки.................. 242

Выводы по главе 4 ................................................ 244

ГЛАВА 5. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОКОНЧАТЕЛЬНОЙ

ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД.............................. 2 45

5.1. Основные предпосылки ................................. 245

5.2. Метод исследования гидродинамической структуры сооружений биологической

очистки вод в нестационарных условиях... 24 6

5.3. Математическая модель процесса биологической очистки вод в аэротенке... 263

5.4. Идентификация модели, проверка ее адекватности и исследование процесса...... 2 64

Выводы по главе 5 ................................................... 266

ГЛАВА б. СПОСОБЫ ОРГАНИЗАЦИИ ПРОЦЕССОВ,

ПОСТРОЕННЫЕ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ОПТИМИЗАЦИИ................................................... 2 67

6.1.Системы регулирования параметров процесса 2 67

6.1.1. Система поддержания оптимальных режимов в процессе утилизации отходов производства этанола.............................. 2 67

6.1.2. Реактор с тепловым затвором и его технические возможности ........................... 271

6.1.3. Система регулирования температурного режима в процессе очистки вод.................. 2 75

6.1.4. Устройство для регулирования процесса биохимической очистки сточных вод ...... 281

6.1.5. Устройство для регулирования рН

среды в биохимическом реакторе.................. 287

6.2. Способ организации комплексного процесса 2 92

6.3. Конструкция термофлотатора для концентрирования суспензий........................... 294

Выводы по главе 6 ................................................... 300

Основные выводы и результаты работы.....................301

Литература............................................................... 303

Приложения............................................................... 330

ВВЕДЕНИЕ

Химическая технология является одним из приоритетных направлений научно-технического развития как в нашей стране, так.и за рубежом. Об этом свидетельствует большое количество новых научных и прикладных разработок, международных научных программ, фондов, а также постоянно возрастающее количество изданий и публикаций по данному вопросу. Перспективы данного направления тем более значимы, что в целом ряде случаев удается совместить процессы основной химии с биохимическими и создать комплексный технологический процесс, имеющий обычло более -низкую энергоемкость и меньшее количество отходов, т.е. одновременно с организацией технологии решать проблемы ресурсосбережения.

Современный .этап в разработке подобных процессов характеризуется приоритетным развитием следующих основных направлений (Виестур с соавт. 1981, Бекер с соавт. 1990, Винаров с соавт. 1979-1997):

- необходимостью использования экономических критериев при оптимальном проектировании и эксплуатации процессов и аппаратов, что особенно важно при переходе к рыночным отношениям;

- широкомасштабным использованием для выработки целевых продуктов органических катализаторов- ферментов, представляющих собой биологически активные вещества и их носителей - клеток микроорганизмов;

- использованием современных средств исследования процессов, автоматизированного проектирования и оптимизации оборудования, базируемых на применении методов математического моделирования и вычислительной техники;

- поиском "тонких" явлений и закономерностей, которые могут быть использованы для построения технических систем, функционирующих на основе бионических принципов.

Отход производств этанола из мелассы- мелассная послеспиртовая барда является комплексным субстратом, содержащим органические вещества- стимуляторы роста микроорганизмов. Существующие в настоящее время технологически е процессы утилизации этого отхода не позволяют достигать высоких степеней его превращения в целевой продукт (биомассу) и отличаются высокой энергоемкостью.

Таким образом, разработка научных основ и проектирование нового технологического процесса и аппаратов; при использовании указанных подходов и решающего проблемы ресурсосбережения имеют актуальное научное и практическое значение.

Цель работы. Разработать научные основы и осуществить оптимальное проектирование и оптимизацию процессов и аппаратов ресурсосберегающей технологии утилизации отходов производства этанола.

Данная цель потребовала решения следующих основных ^дач:

- экспериментальных исследований кинетических закономерностей утилизации отхода производства этанола в биореакторе и потребления кислорода в этом процессе;

особенностей кинетики,! связанных с саморегулированием кислотности и температуры среды в биореакторе; термофлотационного разделения микробных суспензий/ гидродинамической структуры потоков в секциях барботажного биохимического реактора;

исследования физико-химических особенностей и разработки математических моделей основных технологических процессов: ферментации, термофлотационного разделения суспензий и окончательной очистки сточных вод;

- решения задач оптимального проектирования и оптимизации режимов работы технологического оборудования с учетом постановок задач, использующих экономические критерии.

Научная новизна работы заключается в создании научных основ и разработке ресурсосберегающей технологии и аппаратов для утилизации отходов производства этанола.

Впервые экспериментально изучены кинетика потребления 'субстрата и роста концентрации биомассы при утилизации отхода производства этанола микроорганизмами рода Pseudomonas, а также кинетика потребления кислорода в этом процессе; исследованы особенности кинетики, связанные с саморегулированием pH среды и температуры в биореакторе; экспериментально доказана способность к самоадаптации для указанных объектов и сформирована методология использования этих результатов для целей ресурсосбережения.

Разработаны новые математические модели процессов и аппаратов: барботажного биохимического реактора, учитывающая зависимость гидродинамической структуры потоков в аппарате и массопередачи - в системе газ-

жидкость от расхода газа, подаваемого на аэрацию (разработана модель); процесса очистки сточных вод (разработана модель); саморегулирования температуры и рН среды в биореакторах (исследованы механизмы и разработаны модели); с помощью этих моделей объяснена феноменология различных видов саморегулирования.

Впервые исследован механизм процесса термофлотации и разработана математическая модель аппарата для его осуществления;

Поставлены и решены задачи оптимального проектирования и оптимизации разрабатываемого процесса с привлечением экономических критериев: приведенных затрат, потребления энергии и степени конверсии отхода и использованием способности объектов к самоадаптации.

Разработаны новые методики: исследования гидродинамической структуры химико-технологических объектов в нестационарных условиях; исследования кинетики потребления кислорода в биореакторе; оптимального секционирования аппарата. _ •

Практическая ценность. Выполненные теоретические и экспериментальные исследования позволили предложить эффективные методы решения важной народнохозяйственной проблемы- организации ресурсосберегающих процессов, их оптимального проектирования, исследования, оптимизации, а также конструкции аппаратов и системы регулирования. Разработки внедрены на Опытно-экспериментальном биохимическом заводе г. Рассказово, Арженском суконном комбинате, отдельные алгоритмы внедрены в производство в Инженерном центре при Тамбовском опытном заводе химического машиностроения и производственном объединении- "Пигмент". Математические модели, алгоритмы, про-

граммы и методики использовались в учебном процессе ТИХМа, ТГПИ, ТГУ, ТГТУ, а также для написания учебных пособий.

Апробация работы. Основные теоретические и экспериментальные результаты обсуждались на республиканской научной конференции по сушке и гранулированию продуктов микробиологического синтеза (Тамбов 1981), Всесоюзной научно-технической конференции по синтезу и промышленному применению красителей (Рубежное 1981), XX, XXI, XXII, XXIII, XXIV, XXV научно-технических конференциях ТИХМа (Тамбов 1982-1988), III,IV,V,VI Всесоюзных научно-технических конференциях молодых исследователей и конструкторов химического машиностроения (Краснодар 1981, Полтава 1983, Северодонецк 1986, Зе-леногорск 1988), Всесоюзной научно-технической конференции "Реахимтехника-1" (Днепропетровск 1982), ' II Всесоюзном научно-техническом совещании по процессам и аппаратам в основной химии (Сумы 1982), Всесоюзной научно-технической конференции по.теории и практике имитационного моделирования (Пенза 1982), II Всесоюзной научно-технической конференции по гидромеханическим процессам разделения неоднородных смесей (Москва 1983), III Всесоюзной научной конференции "Химтехника-83" (Навои 1983), VI,VII,VIII областных конференциях по спектроскопии (Тамбов 1983,1985,1987), II Всесоюзной научно-технической конференции по проблемам разработки автоматизированных систем наблюдения, контроля и оценки состояния окружающей среды (Казань 1983), Всесоюзной конференции по процессам и оборудованию для гранулирования продуктов микробиологического синтеза (Тамбов 1984), II Всесоюзной школе "Прикладные пробле-

мы управления макросистемами" (Москва 1987), III областной научно-технической конференции по охране окружающей среды (Тамбов 1987), 1,11 Всесоюзных научных конференциях по информатике и науковедению (Тамбов 1988, 1991), рабочем совещании СО АН СССР "Гидродинамика и процессы переноса в биореакторах" (Новосибирск 1989), Всесоюзном совещании-семинаре "Новейшие исследования в области теплофизических свойств" (Тамбов 1988), III, IV Международных школах молодых ученых "Автоматизация биотехнологических процессов и биологических экспериментов" (Варна, Болгария 1988, 1990), Втором Международном симпозиуме "ЛаборБио-89" (Пловдив, Болгария 1989), Заочной научно-технической конференции "Биотехника и биотехнология БиБ-90" (Тамбов 1990), Первой .Международной конференции "Моделирование и контроль в биотехнологических, экологических и биомедицинских системах" (Варна, Болгария 1990), XV Международном специализированном .симпозиуме (Рига 1991), Международном симпозиуме "Перемешивание в химических и биохимических реакторах" (Рига 1992), Международной конференции по химической технологии и биотехнологии АСНЕМА'94 (Германия, Франкфурт на Майне 1994), VI, VII и VIII Европейских конгрессах по биотехнологии (Флоренция, Италия 19 93, Ница, Франция 1995, Будапешт, Венгрия 1997), VI Международной конференции IFAC по использованию компьютеров в биотехнологии -(Гармиш, Германия 1995), Международном симпозиуме по чистым технологиям Clean Tech'96 (Лондон, Великобритания 1996), Международном симпозиуме по биотехнологии (Сидней, Австралия 1996), конференциях по естественным наукам, организованных Международной програм-

мой образования в области точных наук (Тамбов, 1997; Пенза, 1997), ежегодных конференциях преподавателей и аспирантов ТГУ (Тамбов, 1995-1997).

Новизна и оригинальность научных исследований, выполненных в диссертации, отмечены и поддержаны грантами международных научных фондов: грант Международного Научного Фонда (International Science Foundation), 19 93; грант Международного Научного Фонда

(International Science Foundation) в поддержку доклада на АСНЕМА'94 (Frankfurt am Main, Germany), 1994; грант Международного Научного Фонда (International Science Foundation) в поддержку докладов на 7-м Европейском конгрессе по биотехнологии. (Nice, France), 19 95; два гранта Международной программы образования в области точных наук (International Soros Science Education Programm) - Соросовский доцент, 1995-1997'.

Диссертация Состоит из введения, шести глав, списка литературы и приложений.

В первой главе приведен краткий анализ литературы по проблемам моделирования, оптимизации, оптимального проектирования и орга�