CC BY
43
5. Savage S.B. Granular Flows down rough Inclines-Review and Extension // Mechanics of granular Materials. Elsevier Science Publishers. - Amsterdam, 1983. - P. 261-282.
6. Hutter K., Scheiwiller T. Rapid plane flow of granular materials down a chut // Mechanics of granular materials. Elsevier Sience Publishers B.V. - Amsterdam, 1983. - P. 283.
7. Denes B., Szepvolgy J., Bogner P., Folder T., Gyenis J.
Computer Tomograph Measurements in Shear and Gravity Particle Flows
EFFECTS OF SEPARATION AND MIXING NONUNIFORM PARTICLES IN LATERAL BLOW GRAVITY FLOWS OF GRANULAR MATERIALS
A.N. KUDI, O.O. IVANOV, V.N. DOLGUNIN
Tambov State Technical University,
106, Sovetskaya st., Tambov, 392000; fax: (4752) 63-10-19, e-mail: ioo_c4@rambler.ru
In order to reveal more accurately physical mechanisms of aeration influence on particle segregation in gravity flows the mathematical modeling of segregation dynamics was carried out. This modeling has taken into account the fluxes of nonuniform particles in consequence of convection, quasidiffusional mixing, segregation and quasidiffusional separation (migration). The results of the mathematical modeling were comprised with experimental data. The comparison has shown that these results are quite satisfactory. It is found out that the quasidiffusional separation (migration) is one more basic segregation mechanism in aerated gravity flows of granular materials.
Key words: granular materials, gravity flow, the effects of separation and mixing, segregation, migration.
// 4-th World Congress of Particle Technology, Full text of paper in CD-Rom. - Sydney, Australia, 2002.
8. Dolgunin V.N., Ukolov A.A. Segregation modeling of particle rapid gravity flow //Powder Technology. -1995. -V. 83. - P. 95.
9. Романков П.Г., Курочкина М.И. Гидродинамические процессы химической технологии. - Л.: Химия, 1974. - 288 с.
Поступила 19.05.08 г.
663.551.4
АНАЛИЗ КРИВЫХ ОСТАТКА ПРОЦЕССА ПОСТЕПЕННОЙ ПЕРЕГОНКИ СМЕСИ ЭТАНОЛ-ВОДА-Н-ГЕКСАНМЕТОДАМИ ФИЗИЧЕСКОГО И МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
Е.В. ЧЕРЕПОВ\ В.В. АРТАМОНОВА1, Е.Н. КОНСТАНТИНОВ2, Т.Г. КОРОТКОВА2
1 Майкопский государственный технологический университет,
352700, г. Майкоп, ул. Первомайская, 191; электронная почта:popova@maykop.ru 2 Кубанский государственный технологический университет,
350072, г. Краснодар, ул. Московская, 2; электронная почта: intrel@kubstu.ru
Выполнено экспериментальное исследование и математическое моделирование процесса постепенной перегонки смеси этанол-вода-к-гексан. Установлено, что при использовании метода NRTL разработанная математическая модель корректно прогнозирует результаты эксперимента. На основе анализа температур кипения кубового остатка в процессе перегонки выявлено наличие трех областей процесса: область практически постоянной температуры при отгонке к-гексана из гетерогенной жидкости, переходная область от двухфазной жидкости к однофазной с резким изменением температуры кипения и область разделения гомогенной смеси. Выполнен анализ кривых остатка на треугольных диаграммах.
Ключевые слова: кривые остатка, постепенная перегонка, тройной гетероазеотроп, равновесие пар-жидкость-жид-кость, метод NRTL, математическое моделирование.
В странах с большими объемами производства зерна в качестве сырья для выработки пищевого спирта и биоэтанола используются злаковые культуры и крупяные продукты. Перспективным является зерно сорго [1, 2], которое возделывается в России пока в ограниченных объемах. При выработке биоэтанола с технологической и экономической точек зрения целесообразно совместно подвергать процессу ректификации спиртовые и углеводородные смеси [3]. При этом получается бензанол с содержанием воды порядка 0,2% об. с низкой концентрацией в нем этанола - на уровне 7% об. Эта концентрация отвечает требованиям ГОСТ Р 52201-2004 «Этанольное моторное топливо для автомобильных двигателей с принудительным зажиганием. Бензанолы», согласно которому в бензанолах допускается концентрация этанола от 5 до 10% об. Одна-
ко с экономической точки зрения предпочтительнее концентрация 10% об. Повышения содержания этанола до 10% об. без увеличения содержания воды можно достичь при использовании абсолютного спирта. Известна [4, 5] технология получения абсолютного спирта азеотропной ректификацией с использованием бензола. Математическое моделирование этого процесса обеспечивает высокую степень сходимости производственного и расчетного режимов [6]. Однако применение бензола нежелательно по условиям безопасности жизнедеятельности. В связи с этим представляет интерес исследование вопроса о замене бензола на гексано-вую фракцию при получении абсолютного спирта. Разработке технологии совместной ректификации спиртовых и углеводородных смесей с одновременным получением в качестве промежуточного продукта абсолют-
ного спирта предшествовали экспериментальное и теоретическое исследование процесса разделения смеси этанол-вода-к-гексан методом постепенной перегонки, оценка точности моделирования процесса и анализ вида кривых остатка.
Кривые остатка, полученные при постепенной перегонке неидеальных тройных смесей, образующих азеотропы [7], так же как при идеальной периодической ректификации [8] используются для оценки областей состава получаемого продукта.
При выработке абсолютного спирта на верхней тарелке дегидратационной колонны и в конденсаторе тройная гетероазеотропная смесь расслаивается [4, 5]. Для моделирования этого процесса необходимы надежные данные по равновесию смеси этанол-во-да-к-гексан. Такие данные, полученные экспериментально при расслаивании в системе жидкость-жидкость, приведены в работе [9], для описания равновесия в этой системе рекомендован метод ККТЬ.
В настоящей работе проверена применимость этого метода для системы пар-жидкость-жидкость процесса постепенной перегонки смеси, состоящей из к-гексана по ТУ 2631-003-05807999-98, дистиллированной воды по ГОСТ 6709-72 и ректификованного спирта крепостью 96,7% об. по ГОСТ Р 51652-2000. Согласно Шрейнемакерсу, постепенная перегонка выполняется при условиях, что жидкая и паровая фазы находятся в равновесии, а отбор пара производится бесконечно медленно [7]. Максимально соблюдая эти условия, перегонку проводили на типовой лабораторной установке, состоящей из плоскодонной колбы, каплеуловите-ля, конденсатора-холодильника, алонжа и приемной колбы. После смешения гексана, воды и спирта (табл. 1) полученная исходная смесь расслоилась на две фазы: легкую (гексановую) и тяжелую (спирто-вод-ную). Перегонку вели медленно, дважды отбирая по 50 см3 конденсата смеси и измеряя температуру кипения кубового остатка (табл. 2). Состав кубового остатка и полученных конденсатов пара после охлаждения до 20°С и расслаивания анализировали на хроматографе Кристалл 2000М в проблемно-исследовательской лаборатории Северо-Кавказского научно-исследова-
Таблица 1
Компонент смеси Опыт 1 Опыт 2
Количество, см3 Концентрация, % об. Количество, см3 Концентрация, % об.
Этанол 96,7% об. 50 32,23 58 37,4
Вода 50 34,44 47 32,6
н-Гексан 50 33,33 45 30
Всего 150 100 150 100
Количество кубового остатка, см3
Температура кипения, °С
150
100
50
Эксперимент Расчет
Опыт 1 Опыт 2 Опыт 1 Опыт 2
57,5 57,5 57,7 57,6
74 76 57,7 64,2
88,5 86,5 88,5 86,4
тельского института садоводства и виноградарства Россельхозакадемии (Краснодар). Результаты анализов в опытах 1 и 2 приведены соответственно в табл. 3 и 4.
Таблица 3
Количество фазы, см3 Компонент Содержание, % об.*
Легкая Тяжелая Легкая Тяжелая
Конденсат пара 50 мл (I фракция)
47,5 2,5 Этанол Дистиллирован- 5,788 70,942
ная вода 11,408 15,966
н-Гексан 82,804 13,092
Конденсат пара 50 мл (II фракция)
2 48 Этанол Дистиллирован- 5,418 86,577
ная вода 5,956 9,689
н-Гексан 88,626 3,734
Кубовый остаток
Не расслаивается, 50 Этанол 8,3456/7,942
Дистиллирован-
ная вода 91,652/92,057
н-Гексан 0,0024/0,001
* Числитель - анализ 1, знаменатель - анализ 2.
Таблица 4
Количество фазы, см3 Компонент Содержание, % об.*
Легкая Тяжелая Легкая Тяжелая
Конденсат пара 50 мл (I фракция)
47,5 2,5 Этанол Дистиллирован- 7,191 50,639
ная вода 8,538 37,151
н-Гексан 84,271 12,210
Конденсат пара 50 мл (II фракция)
Не расслаивается, 50
Не расслаивается, 50
Этанол
Дистиллированная вода н-Гексан Кубовый остаток Этанол
Дистиллированная вода н-Гексан
74,435/78,251
19,214/14,849
6,351/6,900
22,465
76,345
0,0119
Таблица 2
* Числитель - анализ 1, знаменатель - анализ 2.
Полученная при обработке опытных данных и моделировании зависимость температуры кипения смеси от количества кубового остатка удовлетворительно описывает данные опыта (рис. 1). Температура кипения исходной смеси составила 57,5°С. При перегонке на кривой температур кипения наблюдалось три участка. На первом участке температура кипения, составы легкой и тяжелой жидких фаз оставались практически постоянными. В связи с этим создавалось впечатление, что процесс протекает по ноде. Между тем, как видно из треугольной диаграммы (рис. 2), состав кубового остатка изменяется от точки «а» до точки «Ь», т. е. переходит от ноды с температурой кипения 57,6°С к ноде с температурой кипения 57,63°С. При этом количество тяжелой фазы изменяется незначительно, а количество
Количество кубового остатка, см3 1 □ - опыт 1; 2 • - опыт 2 □ • - экспериментальные данные
Рис. 1
легкой фазы уменьшается существенно за счет преимущественной отгонки к-гексана.
На втором участке при низкой концентрации к-гексана в диапазоне изменения количества кубового остатка от 105 до 95 см3 происходит резкое повышение температуры кипения. В конце этого участка наблюдалась однофазная бинарная смесь этанол-вода. Можно отметить, что во время опыта при количестве кубового остатка 100 см3 происходило резкое увеличение температуры кипения смеси, причина которого стала понятной по результатам математического моделирования. Это связано с переходом кубового остатка от двухфазной жидкой смеси к однофазной этанол-вода. На третьем участке изменение температур кипения характерно для бинарной смеси этанол-вода. Как видно из треугольной диаграммы (рис. 2), на третьем участке изменение состава кубового остатка идет по грани бинарной смеси этанол-вода, что связано с низкой растворимостью к-гексана в водяной фазе. В конце постепенной перегонки в кубовом остатке остается вода. Можно отметить, что состав паровой фазы в широком диапазоне изменения концентраций кубового остатка в гетерогенной области изменяется незначительно и находится вблизи состава тройного гетероазеотропа (рис. 2).
Этанол,
% мол.
Нода с минимальной температурой кипения Г=57,223°С "
Бинодальная кривая (изобара при Р =101,31 кПа)
Гетеро- 70 азеотроп^ Линия составов паровой фазы
Полученные в ходе эксперимента составы кубового остатка и температуры кипения удовлетворительно согласуются с результатами математического моделирования (рис. 3). Нами выполнены расчеты кривых остатка, проходящих через экспериментальные данные в опытах 1 и 2 (рис. 3, соответственно кривые 1 и 2), с целью проверки применимости метода ККГЬ для описания равновесия пар-жидкость-жидкость при сопоставлении экспериментальных и расчетных данных. Моделирование процесса постепенной перегонки проводили по алгоритму с использованием метода численного интегрирования Эйлера (рис. 4).
В качестве исходных данных приняты количество
/~10 - 0
&см, состав исходной смеси х{ см и шаг интегрирования по количеству отбираемой паровой фазы АО. По составу смеси проводили расчет равновесия пар-жид-кость-жидкость. Доля равновесных жидких фаз определялась по методу, изложенному в работе [10], температуру кипения равновесной жидкой фазы £см и состав паровой фазы у,■ рассчитывали по стандартному методу
[11]. В модели использовали ранее разработанный модуль трехфазного равновесия. Значения составов смеси х;,см, равновесных жидких фаз х’ и х”, паровой фазы у, и температуры кипения смеси £см выводились на печать. Затем рассчитывали на одном шаге интегрирования количества компонентов, отгоняемых с паровой фазой и оставшихся в кубовом остатке, а также количество и состав полученного кубового остатка. Процедуру расчета повторяли до полного испарения кубового остатка. Расчет коэффициентов активности проводили по методу ККГЬ по известным параметрам бинарного взаимодействия жидкость-жидкость.
Особенностью представленной модели являлся расчет расслаивания жидкости и учет фазового равновесия жидкость-жидкость и пар-жидкость на каждом шаге интегрирования. С использованием метода ККГЬ можно рассчитать по среднему составу жидкой смеси состав равновесного пара. Однако моделирование процесса постепенной перегонки как системы пар-жидкость привело к значительным погрешностям в ходе расчетных линий кривых остатка. Ранее было показано
[12], что даже для бинарной смеси расчет без учета рас-
10 20 30 40 50 60 70 80 90
о - экспериментальные данные (опыт 2)
Концентрация гексана, мол. дол. Экспериментальные данные азеотропов смеси этанол - вода - н-гексан: 1 - этанол - вода; 2, 3 - этанол - н-гексан; 4, 5 - этанол - вода - н-гексан; 6 - н-гексан - вода; • ■ - собственные экспериментальные данные
Рис. 2
Рис. 3
Рис. 4
слаивания приводит к расхождениям теории и эксперимента. Это объясняется тем, что на фазовой диаграмме у-х фактически имеется участок прямой линии, так как смесь расслаивается, а расчетным путем получается 5-образная кривая. Поэтому какие бы параметры бинарного взаимодействия между компонентами не брались, равновесие в системе пар-жидкость без учета расслаивания будет описано неточно.
Из рисунков 1, 2, 3 видно, что экспериментальные точки качественно правильно согласуются с расчетными данными. Таким образом, эксперимент по снятию кривых остатка внутри бинодальной кривой подтверждает возможность применения метода ККГЬ для расчета равновесия в системе пар-жидкость-жидкость для смесей с ограниченной взаимной растворимостью компонентов, которая имеет место в смесях этанол-во-да-углеводород при совместной ректификации углеводородных и спиртовых смесей.
На рис. 3 представлена более полная характеристика анализируемой смеси. Наряду с кривыми остатка 1 и
2 приведены азеотропы смеси этанол-вода-к-гексан
[13], расчетные кривые остатка и экспериментальные данные процесса постепенной перегонки. Видно, что экспериментальные значения азеотропов, в том числе и тройного (точки 4 и 5), имеют большой разброс. Это свидетельствует о сложности проведения эксперимента по определению состава азеотропных смесей. Например, для рассмотренной смеси этанол-вода-гексан в широком диапазоне изменения концентраций температура кипения в гетерогенной области изменяется на 1-1,5°С (рис. 2). Поэтому точное определение значений концентраций, которые отвечают минимуму температур, затруднительно.
Расчетное значение азеотропа хорошо изученной смеси этанол-вода соответствует ректификованному спирту крепостью 97% об., что отличается от известных литературных данных, но подтверждается данными ареометрического определения крепости выработанного нами спирта на стендовой установке периодического действия и в промышленных условиях на ОАО АПФ «Фанагория» и ООО «КХ Восход».
Приведенные в данной работе результаты используются нами в дальнейших исследованиях при моделировании схем получения абсолютного спирта с использованием к-гексана как компонента, образующего тройной гетероазеотроп с водой и спиртом, который может быть выделен в дегидратационной колонне в качестве дистиллята, что обеспечит получение абсолютного спирта в кубовом остатке.
ЛИТЕРАТУРА
1. Артамонова В.В. Обоснование технологии глубокой очистки пищевого спирта при переработке смеси злаковых культур, включающей зерно сорго: Дис.... канд. техн. наук. - Краснодар: Куб-ГТУ, 2008. - 118 с.
2. Ачегу З.А. Научное обоснование и разработка новой технологии получения биоэтанола: Дис. ... канд. техн. наук. - Краснодар: КубГТУ, 2010. - 150 с.
3. Пат. на ПМ 83015. Установка непрерывного действия для получения бензанола / Е.Н. Константинов, Т.Г. Короткова, З.А. Ачегу, А.В. Кикнадзе // БИПМ. - 2009. - № 14.
4. Цыганков П.С. Ректификационные установки спиртовой промышленности: расчет, анализ работы, эксплуатация. - М.: Легкая и пищевая пром-сть, 1984. - 336 с.
5. Стабников В.Н. Перегонка и ректификация этилового спирта. - М.: Пищевая пром-сть, 1969. - 456 с.
6. Сиюхов Х.Р., Черепов Е.В. Математическое моделирование технологической схемы получения абсолютного спирта азео-тропной ректификацией с бензолом // Изв. вузов. Пищевая технология. - 2010. - № 4. - С. 106-108.
7. Маленко Ю.И., Молоденко П.Я. Диаграммы трехкомпонентных азеотропных систем.-Л.: Изд-во Ленинград. ун-та, 1971. - 88 с.
8. Короткова Т.Г. Основы межфазного равновесия и моделирования разделения спиртово-углеводородных смесей с двойными и тройными азеотропами // Изв. вузов. Пищевая технология. -2010. - № 4. - С. 77-81.
9. Константинов Е.Н., Ачегу З.А., Кикнадзе А.В., Короткова Т.Г. Необычное явление скачкообразной инверсии фаз при моделировании равновесия в трехкомпонентных спиртово-углеводородных смесях // Изв. вузов. Пищевая технология. - 2008. - № 4. -С. 73-75.
10. Константинов Е.Н., Короткова Т.Г., Ачегу З.А., Кик-надзе А.В. Специфика термодинамического анализа и моделирова-
ния равновесия смесей практически нерастворимых друг в друге роткова, О.В. Мариненко, С.К. Чич и др. // Изв. вузов. Пищевая тех-
компонентов // Изв. вузов. Пищевая технология. - 2008. - № 4. - нология. - 2007. - № 1. - С. 65-67.
С. 96-98. 13. Черепов Е.В., Лобода А.В., Короткова Т.Г. Техноло-
11. Праусниц Дж. Машинный расчет парожидкостного рав- гия производства биоэтанола и абсолютного спирта для пищевой и
л /г V m-я Л1/ медицинской промышленности // Изв. вузов. Пищевая технология. -
новесия многокомпонентных смесей. - М.: Химия, 1971. - 216 с.
2010. - № 5-6. - С. 47-50.
12. Моделирование нестабильного состояния системы жидкость-жидкость многокомпонентных спиртовых смесей / Т.Г. Ко- Поступила 16.07.10 г.
ANALYSIS OF RESIDUE CURVES PROCESS GRADUAL DISTILLATION ETHANOL-WATER-N-HEXANE IN THE PHYSICAL AND MATHEMATICAL MODELING
E.V. CHEREPOV1, V.V. ARTAMONOVA1, E.N. KONSTANTINOV2, T.G. KOROTKOVA2
1 Maikop State Technological University,
191, Pervomaiskaya st., Maikop, 352700; e-mail:popova@maykop.ru
2 Kuban State Technological University,
2, Moskovskaya st., Krasnodar, 350072; e-mail: intrel@kubstu.ru
The experimental study and mathematical modeling of the gradual distillation of a mixture of ethanol-water-n-hexane. Found that when using the NRTL developed a mathematical model correctly predicts the results of the experiment. Based on the analysis of a boiling liquid waste residue in the distilling process revealed the presence of three areas of: the area is practically constant temperature distillation of n-hexane from a heterogeneous fluid, the transition region from the two-phase liquid-phase to a sharp change in boiling point and the region of separation of a homogeneous mixture. The analysis of the residue curves on the triangular diagram.
Key words: residue curves, the gradual distillation, triple heteroazeotrop, the equilibrium vapor-liquid-liquid, the method of NRTL, mathematic modeling.
ДИССЕРТАЦИОННЫЕ РАБОТЫ
Совершенствование технологии производства натурального ароматизированного кофе: Дис. ... канд. техн. наук (спец. 05.18.10) / Д.Е. Степанов; Куб-ГТУ. - 03.12.09 г.
Теоретически обоснована и разработана технология производства натурального ароматизированного кофе путем внесения в него ароматических веществ до измельчения с целью сокращения их потерь; проведено криоизмельчение ароматизированного кофе в среде азота с получением целевого продукта; выявлены закономерности изменений основных технологических параметров при обжарке кофе, влияющих на качество готового продукта; предложены оптимальные режимы проведения процесса обжаривания зерен кофе, при которых максимально сохраняются его нативные ароматические вещества.
Разработаны 5 новых товарных разновидностей кофе с использованием натуральных ароматизаторов: ванили, кориандра, кардамона, корицы и какаовеллы. На новые виды продукции получены санитарно-эпидемиологические заключения.
Результаты работы внедрены в лаборатории кофейной фабрики ООО ПФ «Кубань». Экономический эффект от внедрения и реализации предложенных разновидностей кофе составит 10373,331 р. на 1 т готовой продукции. За год при объеме производства в 5000 т экономический эффект составит 51 866 550 р.
Новизна технических и технологических решений подтверждена 5 патентами РФ. Результаты исследова-
ний рекомендованы к внедрению на предприятиях РФ и стран СНГ, производящих кофе.
Разработка технологии получения восстановленного ароматизированного чая: Дис.... канд. техн. наук (спец. 05.18.10) /Д.А. Бабич; КубГТУ. - 03.12.09 г.
Теоретически обоснована, экспериментально подтверждена и разработана новая технология получения ароматизированного восстановленного чая путем переработки отходов чайного производства, образующихся в процессе сортировки торговых сортов чая; впервые определены органолептические и физико-химические показатели восстановленного чая, полученного по разработанной технологии и ароматизированного СО2-экстрактами из листьев боярышника, брусники, березы, плодов и цветков боярышника.
Опытно-промышленные испытания предложенных купажей чая апробированы в условиях ООО «ФК» (Краснодар). На новые торговые наименования чайной продукции получены санитарно-эпидемиологические заключения.
Результаты работы внедрены в производственной лаборатории предприятия ООО «Югсервис» (Краснодар). Освоение новой технологии в условиях предприятия позволит сэкономить 20 тыс. р. на 1 т выпускаемого чая.
Новизна технических решений подтверждена патентом РФ на полезную модель. Результаты исследований рекомендованы к внедрению на предприятиях РФ и стран СНГ, производящих чай.
