автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Совершенствование процесса брагоректификации с учетом массопередачи в многокомпонентных смесях

АЧМИЗ БАРИЧ МЕДЖИДОВИЧ г

\у

на правах рукописи

/

// 1 м-¥

г' /

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА БРАГОРЕКТИФИКАЦИИ С УЧЕТОМ МАССОПЕРЕДАЧИ В МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СМЕСЯХ

Специальность: 05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых производств

АВТОРЕФЕРАТ ДИССЕТРАЦИИ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИДАТА ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК

Краснодар - 2000

Работа выполнена в Кубанском государственном технологическом университете.

Научные руководители: доктор технических наук, профессор

E.H. Константинов; кандидат технических наук, доцент Т.Г. Короткова.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

М.А. Берлин;

кандидат технических наук, доцент П.П. Любченков.

Ведущая организация: Комитет по виноградарству и алкогольной

промышленности Администрации Краснодарского края

Защита диссертации состоится " 30 " июня 2000 года в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 063.40.01 при Кубанском государственном технологическом университете по адресу:

350072, Краснодар, ул. Московская, 2, корпус "А", конференц-зал. Отзывы на автореферат, заверенные печатью учреждения, просим направлять по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кубанского государственного технологического университета.

Автореферат разослан " 30 " мая 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

М.В. Жарко

AQüo па - А „ Л 4 я /Г)

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В Российской" Федерации" перерабатываются на" спирт большие объемы крахмало- и сахаросодержащего сырья. В основном, получение пищевого этилового спирта осуществляется на установках непрерывного действия с использованием традиционной технологии брагоректификации. Наиболее распространены брагоректификационные установки (БРУ) косвенного действия. В настоящее время возникли две задачи, стимулирующие дальнейшие исследования в области улучшения показателей работы БРУ. Первая задача -улучшение качества спирта, что обусловлено изменением условий потребительского рынка. Вторая - снижение удельных энергетических затрат, что связано с увеличивающейся стоимостью энергии и ее ограниченными ресурсами. Вместе с тем, развитие среднего и малого бизнеса привело к росту спроса на гибкие, простые в эксплуатации и не требующие больших капиталовложений установки брагоректификации малой и средней мощности. Перечисленным требованиям отвечают в большей степени установки не непрерывного, а периодического действия или установки, комбинирующие оба способа ведения процесса.

Современный уровень оснащения вычислительной техникой, последние достижения в области теории парожидкостного равновесия, развитая теория массопередачи в многокомпонентных смесях позволяют решать эти задачи, опираясь на методы математического моделирования. Исследование процессов брагоректификации методами математического моделирования требует комплексного решения вопросов теории расчета многокомпонентной ректификации, массопередачи в системах с примесными компонентами, а также адаптации к конкретному классу неидеальной смеси современных методов описания парожидкостного равновесия.

По сложившимся теоретическим представлениям о ректификации спиртосодержащих смесей они относятся к бинарной системе с примесными компонентами. Это позволяет определять независимо распределения спирта и воды по высоте колонны, а на следующем этапе рассчитывать независимо друг от друга профиль концентраций примесных компонентов по высоте колонны. Такой подход является приближенным, и возникает задача разработки эталонной модели, учитывающей взаимное влияние всех компонентов и тепловые эффекты на всех действительных тарелках колонны.

Работа финансировалась по гранту "Разработка теории тепломассообмена в многокомпонентных смесях и ее интеграция с групповыми моделями' йарожид-костного равновесия в технологии переработки вторичного сырья пищевой промышленности" (конкурс грантов Министерства образования Российской Федерации по фундаментальным исследованиям в области сельхозмашиностроения).

Цель настоящей работы состоит в pá3pá6oTKe математической модели ректификации спиртовых смесей, учитывающей массопередачу в многокомпонентных смесях, изменение расхода потоков паров и жидкости от тарелки к тарелке, влияние всех компонентов'tía парожидкостное равновесие, а также в применении этой Модели для совершенствования схемы и режима работы брагоректификаци-онных установок косвенного действия и разработки БРУ малой мощности. Научная новизна диссертационной работа заключается в том, что: на основе анализа данных по парожидкостному равновесию бинарных и трехкомпоненпшх смесей, содержащих компоненты, характерные для примесей, сопутствующих спирту, уточнены параметры группового взаимодействия модели UNIFAC; ''г" ' ' ■

на основе теории массопередачи в многокомпонентных смесях получены уравнения для расчета эффективности тарелки по примесным компонентам;

разработана1 Математическая модель ректификации спиртовых смесей, учи-тьшающая перекрестные эффекты массопередачи при определении эффективности'тарелки, парожидкостное равновесие по методу UNIFAC и изменение расходов потоков паров и жидкости от тарелки к тарелке (на основе применения уравнения теплового баланса на каждой действительной ступени разделения). В основу расчета положен релаксационный метод, для которого разработана методика расчета параметров потоков, покидающих действительную тарелку по данным о параметрах питающих тарелку потоков;

проанализированы особенности расчета ректификации многокомпонентных смесей с учетом массопередачи в многокомпонентных смесях и предложен метод, обеспечивающий надежную сходимость вычислений;

на основе численного эксперимента на идентифицированной математической модели разработана усовершенствованная технологическая схема ректификации спиртосодержащих смесей.

Практическое значение диссертационной работы заключается в том, что на основе исследований: ------------ ---------- ----------------

уточнены параметры взаимодействия для следующих групп, характерных для примесных и спиртовых компонентов рассматриваемых смесей: СНО-ОН, ОН-СНО, СН0-Н20, 1ЬО СНО, СООН-СНО, CHO-COOII, ссоо-он, ОН-ССОО;

разработаны программы расчета ректификации спиртовых смесей на IBM Pentium 200, рекомендовано использовать для бражной и эпюрационной колонн модель расчета по теоретическим тарелкам, а для спиртовой колонны - по действительным;

разработаны рекомендации по режиму работы бражной, эпюрационной и спиртовой колонн, а также усовершенствована технологическая схема брагорек-тификационной установки косвенного действия;

предложена технологическая схема установи! малой мощности комбинированного типа для разделения спиртосодержащих смесей, включающая браж-ную колонну непрерывного действия и спиртовую колонну периодического действия;

проведенные исследования использованы при внедрении комбинированных установок малой мощности.

Достоверность и надежность результатов доказана экспериментально и подтверждена при внедрении. Производственные испытания показали, что предложенные установки позволяют получать продукцию высокого качества при интенсивных режимах работы.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены на межрегиональной научно-практической конференции "Пищевая промышленность -2000" (г. Казань, 1996), Второй Всероссийской научно-теоретической конференции "Прогрессивные экологически безопасные технологии хранения и комплексной переработки сельхозпродукции для создания продуктов питания повышенной пищевой и биологической ценности" (г. Углич, 1996), ТЪе First European Congress Chemical Engineering Florence (Italy, 1997), на студенческой научно-технической конференции "Модернизация существующего и разработка новых видов оборудования для пищевой промышленности" (г. Воронеж, 1996), на международной научной конференции "Рациональные пути использования

вторичных ресурсов агропромышленного комплекса" (г. Краснодар, 1997), на международной научно-технической конференции "Прогрессивные технологии и оборудование для пищевой промышленности" (г. Воронеж, 1997), на международной научно-практической конференции "Пищевая промышленность - 2000" (г. Казань, 1998), на Всероссийской студенческой научной конференции с международным участием (г. Краснодар, 1998), на студенческой научно-технической конференции "Модернизация существующего и разработка новых видов оборудования для пищевой промышленности" (г. Воронеж, 1998).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 158'страницах, содержит 113 рисунков и 15 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе на основе материалов ранее проведенных исследований и данных, приведенных в литературных источниках, подчеркнуты особенности технологии получения спирта. Во-первых, спиртовые смеси относятся к смесям с большим числом примесных компонентов, до 100 и более. Во-вторых, к пищевому этиловому спирту предъявляются жесткие требования по содержанию примесей, отличающиеся на несколько порядков от требований в химической, нефтехимической и других отраслях промышленности. Содержание примесей в ректификованном спирте, получаемом в качестве продукта, исчисляется- миллиграммами на литр безводного спирта, поэтому при расчете процесса ректификации необходимо очень точное определение содержания примесей в дистилляте, кубовом остатке и боковых отборах. Решение этой задачи требует: во-первых, повышения надежности расчета парожидкостного равновесия и во-вторых, учета кинетики массопередачи в многокомпонентных смесях.

На основе анализа преимуществ и недостатков основных технологических схем БРУ, применяемых в промышленности, а также путей их усовершенствования выбрана в качестве основной типовая схема БРУ косвенного действия и выделены следующие задачи: определение оптимальной концентрации бражного

дистиллята; подбор места подачи питания и числа тарелок в эпюрационной колонне; определение мест отборов боковых потопов в спиртовой колонне.

Следует отметить, что переработка вторичных ресурсов пищевой промышленности имеет свои особенности. Вторичные ресурсы и такие нетипичные спиртовые смеси, как отходы винодельческого и консервного производства, разделяются различными способами. Например, на шшзаводах дрожжевые осадки перерабатываются на отпарных колоннах в спирт-сырец. Вместе с тем используются кубовые аппараты периодического действия. Указанные установки не позволяют получить пищевой спирт "высшей очистки" или '"экстра", который необходим для приготовления высококачественных напитков. Известны различные способы усовершенствования таких установок, связанные с увеличением числа тарелок ректификационной колонны или со специфическими технологическими методами. Однако существенных результатов эти меры не дают. Поэтому стоит задача создания установок периодического действия малой и средней мощности для получения высококачественного спирта.

В связи с тем, что точность расчета профиля концентраций примесных компонентов по высоте колонн определяется термодинамикой, то есть точностью описания парожидкостного равновесия, выполнен критический обзор методов расчета парожидкостного равновесия в многокомпонентных смесях и принят для моделирования метод иМБАС. Показано, что в литературе имеются обширные данные по равновесию в спиртовых смесях, которые могут быть использованы для корректировки параметров модели ШПРАС. Последнее явилось одной из задач настоящего исследования.

Рассмотрены известные методы описания массопередачи в многокомпонентных смесях. Показано, что можно ожидать значительного влияния перекрестных эффектов, характерных для многокомпонентной массопередачи, на распределение концентраций примесных компонентов. Исходя из необходимости обеспечения высокой надежности сходимости вычислений при комплексном учете неидеальности смеси и массопередачи в многокомпонентных смесях, выбрана релаксационная модель, которая принята за основу при разработке математической модели процесса ректификации. Отмечено, что для реализации этой модели необходимо разработать модель однократного испарения с учетом массопередачи.

Вторая глава посвящена -математическому моделированию процесса ректификации с учетом массопередачи в многокомпонентных спиртовых смесях, равновесия в неидеальных многокомпонентных смесях и тепломассообмена. Проведен анализ литературных данных по равновесию в спиртовых смесях на основе метода ЦЮТАС , а также материалов по распределению компонентов в колоннах. Показано, что равновесие в системе, состоящей из основных компонентов -этилового спирта и воды - описывается с высокой точностью. Однако, качественно неверно описывается, например, равновесие в системах альдегид - этиловый спирт для примесных компонентов пропионового, изомасляного и н-масляного альдегидов (рисунок 1). При расчете ректификационной колонны, который выполнен на модели, рассмотренной далее, их поведение соответствует поведению промежуточных примесей, имеющих экстремум по высоте колонны. Однако экспериментальные данные и накопленный опыт показывают, что выше названные примеси относятся к примесям головного характера и не имеют экстремума по высоте колонны. Большая погрешность наблюдается в ряде систем эфир - вода (рисунок 2). Также качественно не согласуются расчетные и экспериментальные данные по системам уксусная кислота - вода и муравьиная кислота-вода.

В результате анализа (рассмотрено 50 бинарных и 9 трехкомпонентных смесей) выделены те группы бинарного взаимодействия, для которых необходимо найти или уточнить энергетические параметры. Поиск этих параметров проводился на основе имеющихся экспериментальных данных с обеспечением минимума суммы квадратов отклонений расчетных значений от экспериментальных методом Зейделя-Гаусса. Получены их значения (таблица 1), которые использовались в дальнейших исследованиях.

Необходимые для моделирования уравнения расчета эффективности тарелки получены с использованием уравнений массопередачи в многокомпонентных смесях.

Н^&ц^-УР]) (1)

;=1

Таблица 1 - Групповые энергетические параметры бинарного взаимодействия

СН2 ОН н2о СНО ССОО СООН

1 2 3 4 5' 6

сн2 1 0.0 986.5 1318.0 677.0 232.1 663.5

он 2 156.4 0.0 353.5 210.0 -150.0 199.0

Н20 3 300.0 -229.1 0.0 -30.0 72.87 -14.09

сно 4 505.7 550.0 185.0 0.0 1691.0 1200.0

ссоо 5 114.8 450.0 200.8 -285.3 0.0 660.2

соон 6 315.3 -151.0 -66.17 -500.0 -256.3 0.0

Примечание — Жирным шрифтом выделены найденные и уточненные параметры.

Предварительно была оценена доля сопротивления массопередаче в паровой фазе, которая составила от 86 до 96 % от общего сопротивления в зависимости от концентрации спирта, поэтому в первом приближении использовалось допущение о том, что основное сопротивление массопередаче оказывает газовая фаза. Если учесть, что концентрации примесных компонентов (;') пренебрежимо малы, то из уравнения (1) получим

=У*{К1 ,\У\ +КЦУ2)-У{К,,\У\ +К&Уг)> (2)

(3)'

Мг=К1г(у1-у2). .....£4)

Интегрирование соотношений (3) и (4) с граничным условием:

р = 0 , У\ = >'!„ , У2 = у2н и подстановка результата в уравнение (2) даст

где

А =

в 4 <7

'ешая обыкновенное дифференциальное уравнение (5), получим

У>-

в

У, ~у\ = А_^/с{^{-АР)~ещ{-КпР10)}+(уы -д^ехр (-АГ). (6)

Если поверхность массообмена на тарелке равна поверхности тарелки, то при Г = ГТ У1 = у;к.

У ¡к ~У* = С |ехр(-Л ) - ехр(-.К 12К,. /О) +(у1н -^)ехр(-ЛРт)}. (7)

Путем простых алгебраических преобразований можно вычислить эффективность тарелки

Е. = У^У^ = 1 -схр{-АРг) + Н{ехр(-ЛГт)-ехр(-*,2^т Ю)}, (8) У/ -Уы ' '

(^¡д-^аИи'-Уы)

где Я=------ -1-

А2

—1 рассчитывается значение

Уравнение (8) дает

=1-ехр(-ЛГ12^т Ю). Если известна эффективность тарелки £1 для этилового спирта, находится вели/ N 0,5

К

чина К,7РГЮ и по соотношению —— =

ки

к^/с. ■

Полученные уравнения использовались при расчете колонн по действительным тарелкам. Для этого была разработана модель однократного испарения (ОИ), учитывающая эффективность массопередачи на ректификационной тарелке. ...■■•" Материальный баланс тарелки

Lj+1+Gн=GJ+LJ. (9)

Баланс по г'-му компоненту

¡'^¡Ху^+О^у^ =ь]хЦ + с]Уи- 0°)

Действительная концентрация г'-го компонента в парах, покидающих ]-ю тарелку. •■ . ■

у и =Укн +Еи(уи~Уи-1):.; ... X11)

Уравнение теплового баланса

£ + С>]-\1 С,у-1 = Ь]1 ¿,у + ■

Уравнение равновесия

у и ~ кихи-

где

к- ■ ■ "'.У р - '

(13)

(14)

Упругость паров /-го компонента Р° рассчитывали по уравнению Антуана.

В,

Ч т+с,

(15)

Коэффициент активности у г-го компонента рассчитывали по уравнению иМРАС.

1пу,=1пу,сот6+1пу,.га.

Комбинаторная часть выражена формулой Гуггенгейма-Ставермана:

А ф,

'пу,- сотЬ = 1П + Г?/ 1п— + /,- - ~2иХ111 '

- ^г ]

1, = Нп-я,Пп-1); = 0,=

(16)

(17)

(18)

Г1

(19)

У 1

к к Остаточная (энергетическая) часть коэффициента активности представлена

суммой вкладов групп, входящих в молекулу (':

_"7>ТГ/«= Ху«(1ЛГа-1ПГ«). . (20)

ее г грул п ы

Коэффициент активности группы Гк зависит от группового состава раствора и температуры и определяется по выражению

1п Гк =йк

1-1п Х0«^«* -Е

чУкт

т Е^Лдая

(21)'

Поверхностная доля б т группы т

п

Параметр группового взаимодействия \утп рассчитывается по выражению.

V«» • . (23)

Обозначим через - долю конденсации нау-й тарелке.

(24)

Подставив уравнение (13) в (11), полученный результат и выражение (24) в уравнение (10), получим расчетное уравнение для определения состава жидкости, стекающей с у-й тарелки.

. .... 2 (26)

Совокупность уравнений материального баланса (9)—(10), теплового баланса (12), уравнения равновесия (13), эффективности /-го компонента (8), уравнения Антуана (15) и уравнения ЦМРАС (16) + (23) представляет собой матема-тиическую модель процесса ОИ на одной действительной тарелке с учетом эффективности последней.

Последовательность расчета по действительным тарелкам такая же, как и по теоретическим. Рассчитывается состав жидкости на тарелке по уравнению

(25). Полученный состав нормируется к единице. После этого определяется температура кипения жидкости на тарелке ^. Константы фазового равновесия ку

«

запоминаются, а полученный состав равновесных паров у у нормируется к единице, затем рассчитывается приращение концентрации ;'-го компонента на та' 71

релке Ауу с последующей нормировкой ^Г у^ = 0. Такой подход объясняется

/=1 ' л,-.-

тем, что собственная движущая сила ¿-го компонента (особенно это относится к промежуточным примесям) может оказаться равной нулю.

Луи + , (27)

где В - по уравнению (5).

После этого определяются конечные значения состава паров, покидающих тарелку.

У,:/ (28)

Затем вычисляется эффективность примесных компонентов и воды на тарелке Еу по уравнению (8). Для обеспечения соблюдения материального баланса по

1-му компоненту состав паров, покидающих тарелку, находится из покомпонентного материального баланса тарелки по уравнению (10). Из теплового баланса (12) определяется расход паров, покидающих тарелку. Величина доли конденсации уточняется после определения из общего материального баланса тарелки

(уравнение 9) расхода жидкости, покидающей тарелку, по - (24). Уточняется состав жидкости на тарелке x¡ j по уравнению (25), в которое подставляются константы фазового равновесия кц, найден-ные при расчете температуры кипения

на тарелке. Затем состав нормируется к единице и т.д. Процедура повторяется до тех пор, пока относительное изменение температуры кипения на тарелке последующего и предыдущего расчетов не станет меньше 0,001. В итоге обеспечивается соблюдение материального и теплового балансов на тарелке с машинной точностью и достигается сокращение времени счета на порядок. В результате расчетов было обнаружено, что рассчитанные значения концентраций /'-го компонента в жидкости г у и в парах уц могут оказаться отрицательными или

больше единицы. Для устранения таких возможных ситуаций полученные отрицательные значения концентраций /-го компонента принимаются равными нулю, а значения больше единицы приравниваются к единице. Описанные ситуации характерны на начальной стадии вычислений и могут продолжаться до тех пор, пока не стабилизируются мольные потоки паров и жидкости по колонне и температуры кипения на тарелках.

В третьей главе приведены результаты оптимизации технологической схемы и режима работы БРУ, косвенного действия на основе численного эксперимента. С помощью идентифицированной математической модели проведен численный эксперимент по исследованию работы отдельных колонн и схемы в целом. С целью идентификации были сняты данные эксплуатации БРУ косвенного действия на А/О Ректинал (г. Краснодар).

Идентификация модели проведена по данным собственного эксперимента и с использованием широко представленных в литературе экспериментальных данных. Процедуре идентификации предшествовало сравнение моделей по действительным и теоретическим тарелкам для условий работы трех колонн: браж-ной, эпюрационной и спиртовой. Упрощенная модель не учитывает эффектов многокомпонентной массопередачи. Между тем, для анализируемых водно-спиртовых смесей с примесными компонентами они существенны.

В качестве примера на рисунке 3 приведена зависимость эффективности тарелки от концентрации этилового спирта для лекголетучего компонента уксусно-этилового эфира и труднолетучего компонента изоамилового спирта. Во всем диапазоне концентраций эффективность для уксусноэтилового эфира ниже, чем для этилового спирта, и уменьшается с ростом концентрации этанола. Это связано с тем, что коэффициент диффузии в смеси уксусноэтиловый эфир - этанол ниже, чем в смеси уксусноэтиловый эфир - вода. Перекрестные эффекты относительно слабы, так как величина А почти не отличается от величины ЛГ12, а коэффициент Н мал. Поэтому третий член суммы в правой части уравнения (В), отражающий перекрестный эффект, незначителен.

Иная картина наблюдается для эффективности изоамилола (рисунок 3). В области концентраций этанола 0,2-ь 0,3 моль/моль эффективность изоамилола сначала резко возрастает до бесконечности, в диапазоне концентраций 0,24 •*■ 0,25 моль/моль функция терпит разрыв, эффективность падает до минус со, а затем вновь возрастает до обычной величины. Этот эффект объясняется тем, что при низких концентрациях этанола (до 0,25 моль/моль) изоамилол является легколетучим компонентом, а при более высоких - труднолетучим. В области концентраций этанола 0,24 + 0,25 моль/моль величина собственной движущей силы

(у/ стремится к нулю и меняет знак. Поэтому величина Я в уравнении.(8)

очень велика. В этой области концентраций перекрестные эффекты существенно больше основных. ~~ ~ ~ ~~~ ~ - — - - - -.....

На рисунке 4 представлен профиль концентраций изоамилола по высоте бражной колонны, рассчитанный по модели теоретических тарелок и по модели с учетом массопередачи. Расхождение между результатами незначительно, а качество конечных продуктов практически совпадает. Между тем, затраты машинного времени на расчет по действительным тарелкам в 20 раз выше, чем по теоретическим. Поэтому расчет бражных колонн рекомендуется проводить, используя модель теоретической тарелки.

Для расчета по теоретическим тарелкам необходимо знание коэффициента

И-г

полезного действия колонны т)к = —-, где N т и N д - число теоретических и

действительных тарелок колонны, соответственно. Этот коэффициент и является параметром идентификации для бражной колонны. Этот параметр оказался равным 0,33.

Аналогичный вывод получен для эпюрационной колонны. Несмотря на то, что распределение эфиров по высоте колонны при расчете по точной и упрощенной моделям различается заметно, составы продуктов при этом оказываются пракппески одинаковыми. Данные рисунка 4 отвечают колонне с 40 тарелками при подаче исходной смеси, как на действующей установке на 20-ю снизу тарелку. Параметр идентификации т)к оказался равным 0,5.

Сравнение результатов расчета спиртовой колонны показало, что для различных составов эиюрата (как по этанолу, так и по примесным компонентам) качество пастеризованного спирта всегда хуже при расчете с учетом массопередачи в многокомпонентных смесях (МКС) по сравнению с расчетом по теоретическим тарелкам. В ректификованном спирте несколько увеличено количество альдегидов, значительно больше эфиров, кислот и высших спиртов. Причем результат, полученный для эшората с ху = 42 об. % с использованием концепции

теоретической тарелки, соответствует сорту "спирт высшей очистки", а при расчете по дёйствительным тарелкам - только первому сорту. Представляет интерес сравнить результаты расчета по действительным тарелкам, но с одинаковой эффективностью по всем компонентам (т.е. без учета эффектов взаимодействия).

е •Я

/А

/

'/7

У

>

V/

§ ®

й я

2-2

х а

х о

я О

Ш Л

ч с

.О о

100 90 80 70 60 .50 40 30 20 10 о

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Содержание н-масляного альдегида. в жидкой фазе, мол %

4

1 ч / /

Г,, ' 1 1

V 1 1

7 N 1

/ ч

/

/

/

/

10 20 30 40 80 60 70 80 90 100 Содержание этилацетата в жидкой фазе, мол %

о

Рисунок 1 - Диаграмма фазового равновесия Рисунок 2-Диаграмма фазового равновесия н-масляный альдегид - этиловый спирт этилацетат - вода

• - экспериментальные данные; — - расчетная кривая по предлагаемым параметрам; . ! к ---расчетная кривая по параметрам ЦШРАС.

Концентрация этанола, моль/моль Концентрация изоамилола, об."/.

Рисунок 3 - Зависимость эффективности Рисунок 4 - Профиль концентраций изоамилола

тарелки от концентрации этилового по высоте бражной колонны спирта

1 - этиловый спирт; 1 - расчет по модели теоретических тарелок;

2 - уксусноэтиловый эфир; 2-расчет по модели действительных тарелок.

3 - изоамиловый спирт.

Оказалось, что состав спирта в этом случае значительно ближе к составу, полученному по модели теоретических тарелок. Таким образом, учет многокомпонентной массопередачи необходим при моделировании спиртовой, колонны. Этот вывод следует и из рассмотрения расчетных профилей распределения альдегидов, эфиров и этилового спирта, уксусноизоамилового, изовалерианоэтило-вого эфиров и валерианового альдегида.

Интересно отметить, что места отборов боковых потоков выбираются пра-. вильно независимо от использованной модели. Они,'видимо, полностью определяются термодинамикой. Но величина максимальной концентрации всегда ниже при расчете с учетом массопередачи в МКС. Поэтому с боковыми отборами отводится меньшее количество примесей и их больше в дистилляте.

Параметрами идентификации для спиртовой колонны являются коэффициенты массоотдачи в бинарной системе спирт - вода (Р*2 и (З^). Если же учесть, что основное сопротивление массопередаче для этой смеси сосредоточено в паровой фазе ^(3* » р-у|, то остается параметр - коэффициент массопередачи. Для остальных пар Кц рассчитывается из выражения

С использованием идентифицированных математических моделей был проведен численный эксперимент, направленный на совершенствование технологической схемы БРУ косвенного действия и определение оптимального режима ее работы.

Отечественные брагоректификационные установки размещаются в зданиях, а потоки бражного дистиллята, эпюрата и флегмы движутся самотеком. Из-за экономии высоты здания при ограничениях на число тарелок в каждой из колонн бражной дистиллят подается в среднюю часть'эпюрационной колонны, из которой эшорат стекает на 16 тарелку (считая снизу) спиртовой колонны. Конденсаторы и дефлегматоры устанавливаются-выше колонн.

Применение насосов для подачи жидких потоков позволяет, во-первых, устанавливать конденсаторы на небольшой высоте и исключить строительство высоких зданий и, во-вторых, подавать питание в колонны на оптимальном уровне.

В этом случае при оптимизации работы установки номера тарелок ввода питания должны быть включены в число параметров оптимизации.

Оптимизация работы спиртовой установки имеет специфику, заключающуюся в том, что на область изменения параметров оптимизации накладывается ' очень жесткое ограничение второго рода на качество ректификованного спирта.

По результатам анализа работы бражной колонны сделаны следующие выводы: 1) целесообразно использовать бражную колонну с укрепляющей частью, так как это ведет к значительному повышению концентрации спирта в бражном дистилляте при незначительном увеличении затрат острого пара; 2) число теоретических тарелок в укрепляющей части больше трех практически не приводит к увеличению концентрации спирта в бражном дистилляте; 3) оптимальным является флегмовое число, равное двум.

Эти выводы справедливы, когда получают спирт-сырец как конечный продукт. В случае схемы БРУ косвенного действия следует рассмотреть работу последующих колонн. С ростом крепости бражного дистиллята качество эпюрата как по альдегидам, та,к и по эфирам ухудшается независимо от номера тарелки питания. Увеличение процента отбора эфироальдегидной фракции (ЭАФ) улучшает качество эпюрата для обоих вариантов работы эпюрационной колонны, но при этом увеличиваются потери спирта с ЭАФ. Но даже этот прием нецелесообразен, так как при подаче бражного дистиллята в середину колонны с высокой его концентрацией качество эпюрата значительно хуже, чем эпюрата, полученного при подаче бражного дистиллята на верхнюю тарелку эпюрационной колонны с низкой его концентраций и меньшим отбором ЭАФ.

Из анализа работы эпюрационной колонны можно сделать следующие выводы: 1) оптимальным значением концентрации бражного дистиллята является 40+45 об. %.; 2) подачу бражного дистиллята целесообразно производить на верхнюю тарелку эпюрационной колонны;'3) выгоднее закрытый обогрев низа эпюрационной колонны, чем ввод в низ ее острого водяного пара.

При анализе работы спиртовой колонны рассматривались два возможных варианта: 1) спирт-ректификат отбирается традиционно сбоку; 2) отбор спирта-ректификата производится сверху, а с тарелки, с которой отбирался пастеризованный спирт, производится дополнительный боковой отбор. Оказалось, что

при четком удалении ЭАФ в эпюрационной колонне, что происходит при оптимальном режиме ее работы, указанном выше, применяемая повсеместно пастеризация спирта нецелесообразна. Отбор спирта должен производиться с верхней тарелки спиртовой колонны, а сложные эфиры совместно с альдегидами в количестве 0,5 % от произведенного спирта отбираться на 5 тарелок ниже. При этом нецелесообразна рециркуляция этой ЭАФ в эпюрационную колонну.

Отбор эфироальдегидной фракции не с верху спиртовой колонны объясняется тем, что даже при эффективной работе эпюрационной колонны в эшорат попадают те эфиры и альдегиды, которые в спиртовой колонне являются труднолетучими по отношению к спирту при высоких концентрациях последнего.

Следует отметить, что в модели не учтено возникновение головной фракции в самой колонне в результате эфирообразования или окисления спиртов в альдегиды, которое приводит к снижению качества получаемого спирта. Для окончательной очистки спирта от этих компонентов исследована работа колонны до-очистки. В связи с тем, что в колонне доочистки разделение проводится при очень высоких концентрациях спирта, примеси по отношению к этанолу четко разделяются на труднолетучие (хвостовая фракция) и легколетучие (головная фракция). В этой колонне, работающей на закрытом обогреве, спирт подается на верхнюю тарелку. Отбор головной и хвостовой фракций в количестве 1-й,5 % от произведенного спирта осуществляется из конденсатора - дефлегматора и куба соответственно. Отбор очищенного спирта производится из средней части колонны.

В четвертой главе описаны результаты внедрения в производство. Внедрение реализовано в двух направлениях.

Результаты, изложенные в третьей главе, использованы для разработки рекомендаций по совершенствованию БРУ Л/О "Ректинал", которые приняты к внедрению.

Для получения спирта марок "ЭКСТРА" и "ЛЮКС" устанавливается четвертая ректификационная колонна.

В последнее время стали строиться брагоректификационные установки малой производительности. По целому ряду причин в этих установках целесообразно использовать периодический процесс: во-первых, из-за отсутствия отече-

ственных и дороговизны импортных систем управления малотоннажными производствами, во-вторых, из-за возможности использования менее квалифицированной рабочей силы, в-третьих, из-за перебоев в энергоснабжении. Но самой главной причиной является многофункциональность, то есть возможность переработки в периодическом процессе различного по качеству и количеству спиртосодержащего сырья, в том числе вторичных ресурсов виноделия и консервной промышленности, а также скоропортящегося сахаросодержащего сельхозсырья.

Результаты проведенного исследования брагоректификационной установки косвенного действия использованы при разработке схемы БРУ периодического действия путем применения известного принципа, согласно которому все стадии непрерывного процесса, протекающие одновременно, но в разных областях пространства должны быть разобщены во времени, но протекать в одной области пространства. Долговременное кипячение бражки с содержащимися в ней дрожжами приводит к ухудшению качества спирта. Поэтому на первой стадии целесообразно использовать непрерывную бражную колонну. Последующие опера--ции можно осуществлять периодически, последовательно проводя эпюрацию, . получение пастеризованного спирта, а в заключительный период времени - си, вушных спиртов и масел. Дальнейшее улучшение качества ректификованного спирта требует дополнительной переработки уже полученного пастеризованного спирта. Проведенные исследования использованы при внедрении комбинированных установок малой мощности на ТОО «777» и СПК Агрофирмы «ЮР-АН».

ВЫВОДЫ

1. Разработана математическая модель ректификации спиртовых смесей, учитывающая перекрестные эффекты массопередачи при определении эффективности * тарелки, паро-жидкостное равновесие по методу ЦЫП7АС и изменение расходов потоков паров и жидкости от тарелки к тарелке (на основе применения уравнения теплового баланса на каждой действительной ступени разделения). В основу расчета положен релаксационный метод, для которого разработана методика расчета параметров потоков, покидающих действительную тарелку по данным о параметрах питающих тарелку потоков.

2. Уточнены параметры группового взаимодействия модели ЦМРАС для примесных компонентов, сопутствующих спирту, на основе экспериментальных

данных по парожидкостному равновесию, приведенным в литературе для бинарных и трехкомпонентных смесей.

- 3. Получены уравнения для расчета эффективности тарелки по примесным компонентам на основе теории массопередачи в многокомпонентных смесях.

4. Проанализированы особенности расчета ректификации многокомпонентных смесей с учегом массопередачи в многокомпонентных смесях и предложен метод, обеспечивающий надежную сходимость вычислений.

5. Разработаны программы расчета ректификации спиртовых смесей, на IBM Pentium 200,.Рекомендовано использовать для расчета бражной и эпюрационной колонн модель расчета по теоретическим тарелкам, а для спиртовой колонны -по действительным.

6. На основе численного эксперимента на идентифицированной математической модели ректификации спиртовых смесей разработаны рекомендации по режиму {заботы бражной, эпюрационной и спиртовой колонн, а также усовершенствована технологическая схема брагоректификационной установки косвенного действия.

7. Предложена технологическая схема установки малой мощности комбинированного типа для разделения спиртосодержащих смесей, включающая бражную колонну непрерывного действия и спиртовую колонну периодического действия.

8. Проведенные исследования использованы при внедрении комбинированных установок малой мощности.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Константинов E.H., Короткова Т.Г., Ачмиз Б.М. Повышение эффективности процесса получения спирта - сырца // Тез. докл. межрегиональной' научно-практической конф. "Пищевая промышленность - 2000", Казань, 1996, 58 июня. С. 206-207.

2. Ачмиз Б.М., Мамин В.Н., Константинов E.H. Совершенствование брагоректификационной установки для получения этилового спирта из вторичных ресурсов пищевой промышленности // Тез. докл. межрегиональной научно-практической конф. "Пищевая промышленность - 2000", Казань, 1996, 5-8 июня. С. 204-206.

3. Константинов E.H., Короткова Т.Г., Ачмиз Б.М. Повышение качества пищевого спирта брагоректификационной установки косвенного действия // Тез. докл. Второй Всероссийской научно-теоретической конференции "Прогрессивные экологически безопасные технологии хранения и комплексной переработки сельхозпродукции

для создания продуктов питания повышенной пищевой и биологической ценности", Углич, 1996, 1-4 октября, 4.1. С. 264-265.

4. Ачмиз Б.М., Мамин В.Н., Константинов E.H. К определению размеров ректификационной колонны для получения спирта из вторичных ресурсов виноделия //Изв. вузов. Пищевая технология, 1996. № 3-4. С. 82-83.

5. Константинов E.H., Короткова Т.Г., Ачмиз Б.М. Моделирование процесса ректификации для непрерывных установок получения пищевого спирта //Изв. вузов. Пищевая технология, 1996. № 5-6. С. 55-59.

6. Konstantinov Eu.N., Korotkova T.G., Achmiz B.M. Effect of raulticomponent masstransfer on the rectification calculation with allowance to heat balance //The First European Congress Chemical Engineering Florence (Italy) May 4-7, 1997. Event 601 of EFCE.

7. Ачмиз Б.М. Расчет брагоректификации с использованием уравнений массопередачи в многокомпонентных смесях //Тез. докл. на студенческой научно-технической конференции "Модернизация существующего и разработка новых видов оборудования для пищевой промышленности", выпуск 6, Воронеж, 1996. С. 11-13.

8. Короткова Т.Г., Ачмиз Б.М. Метод расчета многокомпонентной ректификации спиртовых смесей с учетом массопередачи и тепловых эффектов //Тез. докл. Международной научно-технической конференции "Прогрессивные технологии и оборудование для пищевой промышленности", Воронеж, 1997,17-20 сентября. С. 185-187.

9. Константинов E.H., Короткова Т.Г., Ачмиз Б.М. Оптимизация работы брагоректи-фикационной установки косвенного действия //Тез. докл. Международной научной конференции "Рациональные пути использования вторичных ресурсов АПК", Краснодар, 1997,23-26 сентября. С. 183. ■ - .....

10. Константинов E.H., Ачмиз Б.М. Учет массопередачи в многокомпонентных смесях при расчете бражной колонны //Сб. научных трудов "Совершенствование процессов пищевой промышленности. Технология и процессы пищевых производств", Краснодар, 1997.4.2. С.13-18.

11. Ачмиз Б.М., Короткова Т,Г-> Смирный В.А. Исследование работы бражной колонны методом математического моделирования //Сб. научных трудов "Совершенствование процессов пищевой промышленности. Технологая и процессы пищевых производств", Краснодар, 1997.4.2. С- 4-1?. _ ,

12. Константинов E.H., Короткова Т.Г., Ачмиз Б.М., Причко В.А. Повышение качества этилового спирта в брагоректификационных установках косвенного действия //

Тез. докл. межрегиональной научно-практической конф. "Пищевая промышленность - 2000", Казань, 1998, 2-5 июня. С. 96-97.

13. Причко В.А., Ачмиз Б.М. Идентификация математических моделей ректификационных колонн БРУ // Тез. докл. на Всероссийской студенческой научной конференции с международным участием "Студенты России - пищевой промышленности XXI века", г. Краснодар, 1998, 19-22 мая. С. 137-138.

14. Ачмиз Б.М., Короткова Т.Г., Константинов E.H. Моделирование брагоректифика-иионной установки косвенного действия // Сб. научных трудов "Модернизация существующего и разработка новых видов оборудования для пищевой промышленности", выпуск 8, Воронеж, 1998. С. 108-109.

Основные условные обозначения: N ¡- поток 1-го компонента, кмоль/(м2'с); х¡j,ytj- мольная доля i-го компонента наj-й тарелке в жидкой и паровой фазах; K, j - коэффициент массопередачи в бинарной

смеси, состоящей из компонентов i и у; F- поверхность массообмена; L JtG j - мольный поток жидкости и пара на у-й тарелке, эффективность i-ro компонента на у'-й тарелке; Ij ,1(у - энтальпия жидкости и пара; kj j — константа фазового равновесия

i-ro компонента на у-й тарелке; Р° - упругость паров г'-го компонента, мм. рт. ст.; Р

- давление в аппарате (принято равным 760 мм.рт.ст.); у - коэффициент активности г'-го компонента; Т - температура, К; - константы Антуана i-ro компонента; г

- координационное число решетки (принято равным 10); /, - фактор объемности молекулы ¡'-го компонента; Ф/, 0/ - объемная и поверхностная доли /-го компонента; г,, q, -вандерваальсовы объем и площадь поверхности молекулы /; Rk,Qk~ групповые параметры объема и поверхности; v^ - число групп к в молеку- ле /; Г¡,, Г^Р

- остаточные коэффициенты активности группы к в растворе и в компоненте /; Хт -мольная доля группы т в смеси; атп - разность энергий взаимодействия групп тп и пт,К(атп *апт).

Индексы:

п - число компонентов в смеси; * относится к равновесному составу; 1 и 2 - этиловый спирт и вода; н, к - концентрация на входе и выходе из тарелки; т-тарелка; х,у- жидкая и паровая фазы; /-питание.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 Литературный обзор.

1.1 Анализ основных технологических схем, применяемых в промышленности. Их преимущества и недостатки.

1.2 Пути усовершенствования технологических схем брагоректификационной установки.

1.3 Методы расчета парожидкостного равновесия в многокомпонентных смесях.

1.4 Массопередача в многокомпонентных смесях.

1.5 Методы расчета ректификации многокомпонентных смесей.

ГЛАВА 2 Математическое моделирование процесса ректификации с учетом массопередачи в многокомпонентных спиртовых смесях.

2.1 Предсказание равновесия жидкость-пар в многокомпонентных спиртовых смесях на основе метода ТЛЧШАС.

2.2 Разработка уравнений для расчета эффективности тарелки ректификационной колонны для примесных компонентов с учетом массопередачи в многокомпонентных смесях.

2.3 Учет массопередачи в многокомпонентных смесях при расчете колонн с использованием релаксационного метода.

ГЛАВА 3 Оптимизация технологической схемы и режима работы брагоректификационной установки косвенного действия на основе численного эксперимента.

3.1 Методика проведения эксперимента и обработки экспериментальных данных.

3.2 Идентификация модели по данным эксперимента.

3.3 Разработка рекомендаций по совершенствованию-технологической схемы БРУ косвенного действия и по технологической схеме установки периодического действия с бражной и ректификационной колоннами.

ГЛАВА 4 Внедрение результатов исследований.

ВЫВОДЫ.

В Российской Федерации перерабатываются на спирт большие объемы крахма-ло- и сахаросодержащего сырья. В основном, получение пищевого этилового спирта осуществляется на установках непрерывного действия с использованием традиционной технологии брагоректификации. Наиболее распространены брагоректификацион-ные установки (БРУ) косвенного действия. В настоящее время возникли две задачи, стимулирующие дальнейшие исследования в области улучшения показателей работы БРУ. Первая задача - улучшение качества спирта, что обусловлено изменением условий потребительского рынка. Вторая - снижение удельных энергетических затрат, что связано с увеличивающейся стоимостью энергии и ее ограниченными ресурсами. Вместе с тем, развитие среднего и малого бизнеса привело к росту спроса на гибкие, простые в эксплуатации и не требующие больших капиталовложений установки брагоректификации малой и средней мощности. Перечисленным требованиям отвечают в большей степени установки не непрерывного, а периодического действия или установки, комбинирующие оба способа ведения процесса.

Современный уровень оснащения вычислительной техникой, последние достижения в области теории парожидкостного равновесия, развитая теория массопередачи в многокомпонентных смесях позволяют решать эти задачи, опираясь на методы математического моделирования. Исследование процессов брагоректификации методами математического моделирования требует комплексного решения вопросов теории расчета многокомпонентной ректификации, массопередачи в системах с примесными компонентами, а также адаптации к конкретному классу неидеальной смеси современных методов описания парожидкостного равновесия.

По сложившимся теоретическим представлениям о ректификации спиртосодержащих смесей они относятся к бинарной системе с примесными компонентами. Это позволяет производить определение распределения спирта и воды по высоте колонны, а на следующем этапе рассчитывать независимо друг от друга профиль концентраций примесных компонентов по высоте колонны. Такой подход является приближенным, и возникает задача разработки эталонной модели, учитывающей взаимное влияние всех компонентов и тепловые эффекты на всех действительных тарелках колонны.

Работа финансировалась по гранту "Разработка теории тепломассообмена в многокомпонентных смесях и ее интеграция с групповыми моделями парожидкостного равновесия в технологии переработки вторичного сырья пищевой промышленности" (конкурс грантов Министерства образования Российской Федерации по фундаментальным исследованиям в области сельхозмашиностроения).

Цель настоящей работы состоит в разработке математической модели ректификации спиртовых смесей, учитывающей массопередачу в многокомпонентных смесях, изменение расхода потоков паров и жидкости от тарелки к тарелке, влияние всех компонентов на парожидкостное равновесие, а также в применении этой модели для совершенствования схемы и режима работы брагорекгификационных установок косвенного действия и разработки БРУ малой мощности.

Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что: на основе анализа данных по парожидкостному равновесию бинарных и трех-компонентных смесей, содержащих компоненты, характерные для примесей, сопутствующих спирту, уточнены параметры группового взаимодействия модели ШПРАС; на основе теории массопередачи в многокомпонентных смесях получены уравнения для расчета эффективности тарелки по примесным компонентам; разработана математическая модель ректификации спиртовых смесей, учитывающая перекрестные эффекты массопередачи при определении эффективности тарелки, парожидкостное равновесие по методу ТЖШАС и изменение расходов потоков паров и жидкости от тарелки к тарелке (на основе применения уравнения теплового баланса на каждой действительной ступени разделения). В основу расчета положен релаксационный метод, для которого разработана методика расчета параметров потоков, покидающих действительную тарелку по данным о параметрах питающих тарелку потоков; проанализированы особенности расчета ректификации многокомпонентных смесей с учетом массопередачи в многокомпонентных смесях и предложен метод, обеспечивающий надежную сходимость вычислений; на основе численного эксперимента на идентифицированной математической модели разработана усовершенствованная технологическая схема ректификации спиртосодержащих смесей.

Практическое значение диссертационной работы заключается в том, что на основе исследований: уточнены параметры взаимодействия для следующих групп, характерных для примесных и спиртовых компонентов рассматриваемых смесей: СНО-ОН, ОН-СНО, СН0-Н20, Н20-СН0, СООН-СНО, СНО-СООН, ССОО-ОН, ОН-ССОО; разработаны программы расчета ректификации спиртовых смесей на IBM Pentium 200, рекомендовано использовать для бражной и эпюрационной колонн модель расчета по теоретическим тарелкам, а для спиртовой колонны - по действительным; разработаны рекомендации по режиму работы бражной, эпюрационной и спиртовой колонн, а также усовершенствована технологическая схема брагоректификаци-онной установки косвенного действия; предложена технологическая схема установки малой мощности комбинированного типа для разделения спиртосодержащих смесей, включающая бражную колонну непрерывного действия и спиртовую колонну периодического действия; проведенные исследования использованы при внедрении комбинированных установок малой мощности.

Достоверность и надежность результатов доказана экспериментально и подтверждена при внедрении. Производственные испытания показали, что предложенные установки позволяют получать продукцию высокого качества при интенсивных режимах работы.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены на межрегиональной научно-практической конференции "Пищевая промышленность - 2000" (г. Казань, 1996), Второй Всероссийской научно-теоретической конференции "Прогрессивные экологически безопасные технологии хранения и комплексной переработки сельхозпродукции для создания продуктов питания повышенной пищевой и биологической ценности" (г. Углич, 1996), The First European Congress Chemical

Engineering Florence (Italy, 1997), на студенческой научно-технической конференции "Модернизация существующего и разработка новых видов оборудования для пищевой промышленности" (г. Воронеж, 1996), на международной научной конференции "Рациональные пути использования вторичных ресурсов агропромышленного комплекса" (г. Краснодар, 1997), на международной научно-технической конференции "Прогрессивные технологии и оборудование для пищевой промышленности" (г. Воронеж, 1997), на международной научно-практической конференции "Пищевая промышленность - 2000" (г. Казань, 1998), на Всероссийской студенческой научной конференции с международным участием (г. Краснодар, 1998), на студенческой научно-технической конференции "Модернизация существующего и разработка новых видов оборудования для пищевой промышленности" (г. Воронеж, 1998).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 печатных работ /135-148/.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 158 страницах, содержит 113 рисунков и 15 таблиц.