Исследование процесса получения высококачественного этилового спирта методом периодической ректификации Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

нейтрали-ла 515 г/л, ой ступени

грация ще-! 17,6 кг/т) низким 1 син. ед. >ное масло л, взятой в пи рафини-15 кр. ед.,

к увеличе-до 77,5% ке, так как . Меньший эго масла в )й рафина-)дственных равляли на анения со-

Таблица 4

[НОГО Средние значе-5 ния

77,4 77,5

12 12 0.15 0,14

0,15 0,14

ленда циям шано 1000 голнитель-масла. ан предла-спользова-енного по ШЗ. Суть проводили гнтрацией 18 кг/т с •ока. При эго масла элем (кон-стической шие соап-X исследо-чного мас-)е количе-ютором в )ставаться одукт при

перемешивании подавали из реактора-турбулиза-тора смесь сырого масла со щелочью (500 г/л). После заполнения нейтрализатора в течение 10 мин в образовавшуюся смесь добавляли 50% воды, необходимой для коагуляции соапстока. Первично обводненную смесь перемешивали еще 7-10 мин до образования мелких хлопьев соапстока. Затем быстро вводили оставшееся количество воды и тут же прекращали перемешивание.

Установлено, что в случае рафинации смеси сырого и нейтрализованного масел при массовом соотношении 1:1 концентрированной щелочью или щелоче-карбамидной смесью с применением двухступенчатого обводнения образованной смеси выход рафинированного масла увеличивается от 64 до 68-69%. При этом цветность нейтрализованного масла достигла 14 кр. ед. (щелочной способ) и 10 кр. ед..(щелоче-карбамидный способ). Снижение потерь рафинированного масла связано с тем, что при очистке смеси нейтрализованного и сырого масел вследствие уменьшения количества трудно-гидратируемых и дегидратируемых фосфатидов улучшаются условия для формирования и осаждения плотного соапстока.

Всего в рафинационном цехе Чимбайского МПЗ было отрафинироеано 50,84 т сырого масла и выработано 31,46 т сырого рафинированного масла с выходом 62%. Его снижение с 69 до 62% объясняется тем, что в производственных условиях перед подачей сырого масла на нейтрализацию оно . не фильтровалось.

Таким образом, разработанный нами способ ' дробной рафинации хлопкового масла, извлеченного из низкосортных семян, обеспечивает значительное снижение потерь рафинированного масла вследствие получения плотного coancTOKat в связи с чем рекомендуется для промышленного внедрения на масло-жировых предприятиях Узбекистана.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ильясов А.Т., Пак В., Мирзаев А.Н. Рафинация высоко- : кислотного хлопкового масла. // Пищевая пром-сть, 1990.

—12. — С. 27*29.

2. Ильясов А.Т., Ураков P.M. Решение актуальных проблем рафинации идемаргаринизации хлопкового масла. — Ташкент, 1966. — 85 с.

3. Руководство по технологии получения и переработки растительных масел и жиров Т.2. Изд. 2-е. / Под общ. ред.

А,Г. Сергеева., — Л.: ВНИИЖ, 1973. — Ш с.

Поступила 25.10.99 г.

^ ...... .. . "... 663.55

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ -"С ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННОГО ЭТИЛОВОГО СПИРТА : Т МЕТОДОМ ПЕРИОДИЧЕСКОЙ РЕКТИФИКАЦИИ

Е.Д. УМРИХИН, Т.Г. КОРОТКОВА,

Е.Н. КОНСТАНТИНОВ

Кубанский государственный технологический университет

В производстве ректификованного пищевого спирта сегодня возрос интерес к созданию и внедрению периодически действующих установок малой передней мощности, обладающих достаточной эффективностью. Промышленность, ранее ориентированная на .производство крупногабаритного оборудования, не производит контактных устройств для малогабаритных установок, а их эффективность недостаточно исследована.

Вместе с тем, отделение примесей ректифика; цией является основной задачей производства пищевого этилового спирта. Несмотря на то, что теория ректификации многокомпонентных смесей, к которым относятся и спиртовые, разработана достаточно глубоко, теория ректификации спиртовых смесей продолжает интенсивно развиваться. Это связано с особенностями технологии получения спирта. Во-первых, в составе спиртовых смесей содержится до 100 и более примесных компонентов, различных по химической природе; во-вторых, хотя концентрация примесей не слишком велика, качество пищевого ректификованного спирта определяется именно их суммарным содержанием. Получить требуемое качество спирта на периодически действующих установках затруднительно, а использовать накопленный в непрерывной ректификации опыт в полной мере не удается. В связи с этим возникает задача исследования

процесса ректификации пищевого спирта на контактных тарелках периодически действующих установок и особенностей массопереноса примесных компонентов на них.

Распределение примесей по высоте колонны зависит в первую очередь от соотношения основных компонентов в спиртовых смесях — этилового спирта и воды. Поэтому решение задачи требует рассмотрения поведения бинарной смеси этанол— вода. Установлено, что эффективность тарелки для этой смеси очень сильно зависит от состава Ц] из-за изменяющихся в зависимости от него свойств компонентов, фазовых сопротивлений и: тангенса угла наклона касательной к равновесной кривой [2]. Кроме того, на эффективность тарелки существенное влияние оказывают неэквимоляр-ный массообмен и ее зависимость от состава имеет экстремальный характер, который большинство исследователей объясняют наличием термических эффектов [3~5].

При этом процесс ректификации рассматривается как массообменный, исходя из чего вводятся: различные механизмы термических эффектов, обусловленных градиентом температур контактирующих фаз. Большинство сходится во мнении,, что тепло, переданное в результате протекания, совместного тепломассообмена, может привести к испарению жидкой фазы и конденсации паровой. В [6] разработана математическая модель совместного тепломассообмена на колпачковых тарелках в бинарной смеси этанол—вода, а в [7] — в многокомпонентных спиртовых смесях при неэквимо-лярном переносе вещества. В математическое опи-

сание предложенной модели входят: уравнения кинетики массоотдачи, представленные уравнениями неэквимолярного переноса вещества; уравнения кинетики теплоотдачи, которые также учитывают неэквимолярность процесса; балансовые уравнения для границы раздела фаз; уравнения равновесия на границе раздела фаз и дифференциальные уравнения материального и теплового балансов для бесконечно малого участка межфазной поверхности.

С помощью этой модели установлено одновременное протекание при тепломассообмене процессов переохлаждения паров и перегрева жидкости, наличие большого суммарного поперечного потока, сравнимого с потоками спирта из жидкости в пар, приводящего фактически к конденсации паровой фазы. Обнаружено противоречие между явлением преимущественной конденсации за счет большого суммарного потока и тепловым балансом тарелки, который обусловливает практически эк-вимолярный перенос вещества. Разрешено противоречие уравнений тепломассообмена с фундаментальным уравнением теплового баланса путем учета в математической модели тепломассообмена термических эффектов. Подтверждено увеличение за счет термических эффектов эффективности тарелки по Мерфри в 'области малых и средних концентраций спирта. Показано, что совместный учет тепломассообмена и термических эффектов увеличивает эффективность массопередачи по примесям в той же мере, как и для основных компонентов в области малых и средних концентраций спирта. В дальнейшем модель расчета действительной тарелки была модифицирована с учетом влияния эффектов поверхностного натяжения [8], идентифицирована и использована для проектирования промышленной брагоректификационной установки периодического действия.

В настоящей работе данная модель используется при исследовании процесса получения пищевого этилового спирта методом периодической ректификации. Последовательность расчета состоит из двух этапов; на первом — рассчитываются концентрации компонентов на тарелках, т. е. моделируется период пуска при работе колонны в замкнутом режиме, на втором — решается система дифференциальных уравнений методом Эйлера, т. е. рассчитываются концентрации компонентов на тарелках при периодическом режиме работы колонны.

Первый этап. Задается состав смеси на всех тарелках, равный составу исходной смеси. В качестве 1-й тарелки примем куб, а Ы-й — рефлюксную емкость. Расчет состава паровой фазы по заданному составу жидкой фазы проводится стандартным методом на основе программы расчета температуры кипения многокомпонентной смеси. В качестве известных величин приняты давление и состав жидкой фазы. В программе рассчитываются значения зависимых переменных — температуры и равновесного состава паровой фазы с использованием уравнения равновесия и стехиометрического соотношения „ .

где

У і = kixi; ІУ> і.

ш

(2)

х1 — мольная доля 1-го компонента в жидкой фазе; у* — мольная доля г-го компонента в паровой фазе, равновесной с жидкой фазой; г — номер компонента от 1 до п;

&г — константа фазового равновесия /-го компонента, определяемая по выражению

К '

yYi’ '

(3)

где

rt — упругость паров /-го компонента, мм рт. ст.;

• - р — давление в аппарате, принято рав-‘-h ным 760 мм рт. ст.;

г * у1 — коэффициент активности г-го компонента.

Коэффициент активности yi рассчитывают по уравнению UNIFAC с учетом исправленных энергетических параметров бинарного взаимодействия применительно к спиртовым смесям [9], упругость паров г-го компонента — по уравнению Антуана

Р° = ехр (Д, - B.J(T + С)), (4)

где Т — температура, К;

А;, В0 С; — константы Антуана г-го компонента.

Система уравнений (1)—(3) решается итерационным методом путем задания начального приближения по температуре и уточнения состава пара при данной температуре. Расчетные значения состава паровой фазы нормируются к единице и представляются равными составу жидкой фазы на 2-й тарелке.

Уїл =

Уіл

Уїл

(5)

х& = У и- <6>

Состав паров, покидающих тарелку у^, определяется по модели расчета действительной тарелки [8].

Аналогично вышеизложенному проводится расчет состава паровой фазы последующих тарелок, включая рефлюксную емкость. Затем рассчитывается количество г-го компонента на каждой /-й тарелке, суммируется и сравнивается с исходным количеством /-го компонента в колонне.

N

G. =YGx..,

і.расч ли / и * /= I

(7)

где

-мольное количество жидкости на

у-и тарелке.

Если относительное изменение количества г-го компонента больше 0,001, т. е.

где G,

G -G.

¿.исх______¿.расч

> 0,001,

(8)

г, расч

исходное и расчетное количе-

ство г-ro компонента к колрнне, то концентрация г-го компонента в кубе х,, пересчитывается по выражению

1 .¡'V , G. -

, Х;| =-^*м. (9)

Расчет жении от компонен Второ] мольное 1 лонне, КС ным. Зад. в виде го Мольное лонне, П| сти меэд колонне, Решае' ных урав изменен]

где

изменен а кубе d

изменен ка у-й т<

dx . =

изменен

в рефлкз

где (.

С уч (12) пр

Режи

Х=43%

R=6

R=12

Х=60%

R=6

R=12

^ента в

нента в { с жид-

п\

есия г-го I по вы-

(3) понента, то рав-г-го ком-

(5)

(6)

Расчет первого этапа заканчивается при достижении относительного изменения количества г'-го компонента меньше 0,001.

Второй этап. Предварительно рассчитывается мольное количество паров, поднимающихся по колонне, которое принимается по ее высоте постоянным. Задается количество дистиллята, отбираемое в виде готового продукта из рефлюксной емкости. Мольное количество жидкости, стекающей по колонне, принимается постоянным и равным разности между количеством паров, поднимающихся по колонне, и количеством отбираемого дистиллята.

Решается следующая система дифференциальных уравнений:

изменение мольного объема куба йУ{ за время ¿т

(Ь2~ в,) йх, (Ю)

где ¿2 — мольное количество жидкости, стекающей со 2-й тарелки;

С, — мольное количество паров, поднимающихся из куба; изменение мольной концентрации г-го компонента в кубе <1х1, за время йх

(12х12-0[у1Л)йг-Х1Лс1у[

V, ;

(IX; , =

(П)

изменение мольной концентрации г-го компонента на /-й тарелке .

йхч -

где

йх,н = ^N-1 ~

(.вы-1 У;

ДГ-1'

Ох,ы)ёх

С учетом ТОГО, что бд,., (12) примет вид

(1хиы =

; (12)

изменение мольной концентрации /-го компонента в рефлюксной емкости йх1Ы

(13)

(14)

Значения концентраций г'-го компонента на^'-й тарелке на следующем шаге интегрирования х\:.

ХЦ = хи + <*х1,г (15)

Значения концентраций г-го компонента на /-й тарелке с учетом нормировки х".:

" - (16)

1,^

Расчет температуры кипения и ^остава паров г-го компонента на /-й тарелке у проводится аналогично.

Время работы колонны

г = г + с1т. (17)

Расчет периодической колонны заканчивается при достижении заданного времени работы колонны.

Таблица 1

мольное количество паров, поднимающихся в рефлюксную емкость; мольное количество жидкости, возвращаемой в виде флегмы в колонну из рефлюксной емкости; мольное количество дистиллята, отбираемого в качестве готового продукта из рефлюксной емкости; мольный объем рефлюксной емкости.

Компоненты Концентрация в смеси, мг/л

1 2

Уксусный альдегид 25 440

Уксуснометиловый эфир - 28,5

Уксусноэтиловый эфир 5,7 171

«-Пропанол 279 259

Изобутиловый спирт 218 345

к-Бутанол 2,5 47,5

Изоамиловый спирт 652 2261

Гексиловый спирт - 38,0

Метанол 240 129

Этанол 43 % об. 53 % об.

= ¿д + /), уравнение

Составы исходной смеси (табл. 1) приняты на основе анализов бражного дистиллята, проведенных в специализированной научно-исследовательской лаборатории контроля качества пищевых продуктов Краснодарского НИИ садоводства и виноградарства.

Проанализировано влияние режима работы колонны с 30 ситчатыми тарелками на количество отбираемого спирта 1-го сорта и спирта высшей очистки. При этом был взят первый состав исходной смеси. Качество спирта оценивали по [10].

^ества ¿-го Таблица 2

Время проведения, ч Количество отбираемого спирта, % от потенциала фракции

(8) Режим эпюрации отбора спирта головной основной хвостовой

ое количе-центрация Х=43% об.: й=6 0,8/0,9 10,2/5.6 3,16/3,55 40,32/22,13 56,52/74,32

1вается по Я=12 1,35/1,5 20,65/15.5 3,08/3,41 47,06/35,32 49,86/61,27

(9) Х=60% об.: И=6 0,9/0,95 20.1/13.05 2,55/2,69 56,95/36,97 40.5/60,34 .

й=12 1,4/1,65 38,6/28.65 2.28/2,70 63,04/46.80 ■34,68/50,50

Численный эксперимент проводили при различных флегмовых числах Я и разном содержании этилового спирта X в исходной смеси. Влияние режима работы колонны на выход спирта 1-го сорта (числитель) и высшей очистки (знаменатель) представлено в табл. 2.

Время, ч

Рис. 1

Время, ч

Рис. 2

Данные таблицы показывают, что наибольший выход будет в случае 60%-го содержания спирта в исходной смеси при Я = 12. Однако время отбора спирта при этом значительно увеличивается по сравнению с режимом, отвечающим Я = 6 при том же составе исходной смеси. При 43%-м содержании спирта в исходной смеси время на эпюрацию несколько меньше. Это подтверждает тот факт, что увеличение количества воды в исходной смеси (разбавление) способствует более легкой отгонке эфиров и альдегидов, однако выход продукта в этом случае значительно меньше даже при Я = 12. Анализируя результаты, представленные в табл. 2, можно сделать вывод, что оптимальным будет ре-

Рис. 3

жим ректификации, соответствующий Я = 6 и содержанию спирта 60% об. в исходной смеси.

Данный режим был выбран для исследования влияния числа действительных тарелок в колонне на выход спирта. Взят второй состав исходной смеси, выбраны 30-, 60- и 80-тарельчатые колонны. Динамика изменения концентраций примесей представлена на рис. 1 и 2 для 30- и 80-тарельчатых колонн соответственно, Я = 6. Для 30-тарельчатой колонны с течением времени характерно быстрое снижение концентрации альдегидов, которая за 1,8 ч становится менее 10 мг/л, что соответствует норме для спирта 1-го сорта. Потери спирта при этом невелики. Однако отгонка эфиров на этой колонне более длительна, поэтому продолжительность эпюрации определяется временем, за которое концентрация эфиров снизится до необходимой нормы, отвечающей показателям спирта 1-го сорта. Потери спирта в связи с этим на стадии эпюрации увеличиваются. После эпюрации производится отгонка спирта. В этот период концентрации эфиров и альдегидов продолжают уменьшаться, а концентрация сивушных спиртов медленно увеличиваться. Отгонка завершается, как только их концентрация превысит необходимую норму для спирта.

Для 80-тарельчатой колонны картина несколько иная. Время эпюрации для нее определяется не только временем отгонки эфиров, но и продолжительностью отгонки альдегидов, поскольку в этом случае тенденция к снижению концентрации с течением времени и для эфиров, и для альдегидов примерно одинаковая. Время отбора спирта увеличивается, поскольку резкое возрастание концентрации высших спиртов наступает позже. Это при-

Таблица 3

;78

\п1

: 74 I 72 70

50

45

>• 40 _

в

Ї

“ 36

30

водит той ко, яние СПИрТЭ|

показы ных та| чески при эт 60-таре вание (рис. 4

з). М

10 вых! 80-тар^ спирта

ШЧНЫ1У

вА

06

Число тарелок, Д Время проведения, ч Количество отбираемого спирта, % от потенциала фракции с.в. ВС

эпюрации отбора спирта головной основной хвостовой Е.А. ГС

ЗО, Іі=6 2,1/3,1 17,0/10,7 5,95/8,78 48,17/30,31 45,88/60.91 Воронеж

60. И=6 2,1/2,5 28,9/25,5 5,95/7,08 -0' 81,88/72.25 12,17/20.67 Про£

60, И=8 2,75/2,8 38,12/34,3 5,95/6,06 82,60/74,31 11,45/19,63 промьи этанол:

60, й=10 3,25/3,3 45,68/43,0 5,90/6,00 83,05/78.11 11,05/15,89 изыска:

80. И=6 2,1/2,5 32,9/30,5 5,95/7.08 93.21/86,44 0,84/6,51

і

2-3,2001

80

= 6 И

меси, цования колонне сходной олонны. зимесей льчатых !льчатой быстрое орая за ?тствует рта при на этой житель-за кото-эобходи-рта 1-го стадии и произ-щентра-шьшать-едленно с только з норму

¡сколько ¡ется не одолжи-/ в этом рации с эдегидов а увели-юнцент-Зто при-

Таблица 3

фракции

овой

60,91

20,67

19,63

15,89

6.51

70 ■ .............. ... 1

ß 6.5 7 7.5 8 8,3 9 9,5 10

Флегмовое число

Рис. 4

. Рис. 5

водит к увеличению выхода спирта в 80-тарельча-той колонне по сравнению с 30-тарельчатой. Влияние числа тарелок на количество отбираемого спирта представлено на рис. 3 и в табл. 3. Графики показывают, что с увеличением числа действительных тарелок выход спирта возрастает, асимптотически приближаясь к 100%. Время отбора спирта при этом несколько увеличивается (табл. 3). На 60-тарельчатой колонне также проведено исследование влияния флегмового числа на выход спирта (рис. 4, табл. 3) и на время его отбора (рис. 5, табл. 3;. Данные показывают, что при увеличении Я до 10 выход спирта не приблизился к получаемому на 80-тарельчатой колонне, однако время отбора спирта возросло в 1,5 раза по сравнению с аналогичным периодом процесса в 80-тарельчатой колон-

не. Таким образом, можно отметить, что R = 6 слабо сказывается на выходе продукта и его увеличение свыше 6 приводит к значительному возрастанию времени процесса.

Экономические расчеты показывают, что годовой эффект от выработки спирта 1-го сорта и спирта высшей очистки при полученном оптимальном режиме работы составляет 14 млн р.

, ВЫВОД

Установлено, что процесс ректификации этилового спирта на периодически действующих установках целесообразно вести при содержании спирта в исходной смеси 60% об. при флегмовом числе. 6 на колоннах с 80 тарелками.

ЛИТЕРАТУРА

1. HUbner W. Der Einflu/J der Konzentration auf das VerstSrkungsverhaltnis von Rektifizierbcfden // Chemieingenieur-Technik. — 1972. — Jg. 44. — № 8. — S. 546-552.

2. Плановский A.H., Артамонов Д.С., Орлов Б.Н. Сравнительная оценка эффективности ректификационной и абсорбционной аппаратуры / / Хим. пром-сть. — 1965. — № 4. — С. 53(293)-57(297).

3. Рукенштейн Э., Смигельский О. К вопросу эффекта Савистовского-Смита при ректификации смесей’/ / Журн. прикл. химии. — 1964. — 37. — № 7. — С. 1530-1537.

4. Малюсов В.А., Лотхов В.А., Бычков Е.В., Жаворонков Н.М. Тепло- и массообмен в процессе ректификации / / Теорет. основы хим. технологии. — 1975. — IX. — JYs 1. — С. 3-10.

5. Александров И.А., Гройсман С.А. Тепло- и массообмен при ректификации в барботажном слое // Там же. — С. 11-19.

6. Умрихин Е.Д., Константинов Е.Н. Термические эффекты при ректификации пищевого этилового спирта / / Изв. вузов. Пищевая технология. — 1999. — № 1. — С. 55-59.

7. Умрихин Е.Д., Константинов Е.Н. Исследование сопряженного тепломассообмена при ректификации многокомпонентных спиртовых смесей с учетом термических эффектов // Там же. — № 4. — С. 57-61.

8. Умрихин Е.Д., Мамин В.Н., Константинов Е.Н. Идентификация математической модели ректификационной колонны по данным стендового эксперимента и промышленного внедрения // Там же. — № 5-6. — С. 107-108.

9. Ачмиз Б.М. Совершенствование процесса брагоректифи-кации с учетом массопередачи в многокомпонентных смесях: Дис. ... канд. техн. наук. — Краснодар, 2000. — 158 с.

10. ГОСТ 5962-67. Спирт этиловый ректификованный. Технические условия.

Кафедра процессов и аппаратов пищевых производств

Поступила 05.12.2000 г.

663.15:577.154.33.004.14

ВЛИЯНИЕ ФЕРМЕНТНОГО ПРЕПАРАТА ЦЕЛЛОБРАНИН ГЗх НА ПРОЦЕССЫ ПОЛУЧЕНИЯ И СБРАЖИВАНИЯ ОСВЕТЛЕННОГО ЗЕРНОВОГО СУСЛА ТЕРМОТОЛЕРАНТНОЙ РАСОЙ ДРОЖЖЕЙ SACCHAROMYCES CEREVISIAE Y-1986

С.В. ВОСТРИКОВ, Г.Г. ГУБРИЙ, м.; Е.А. ГОРШКОВ, H.A. ТЕНЬКОВА

3. БОДНАРЬ,

Воронежская государственная технологическая академия

Проблема острого дефицита зерна для спиртовой промышленности с целью производства пищевого этанола обусловливает необходимость не только изыскания новых полноценных источников сырья,

но и рациональной переработки традиционных зерновых культур.

Известно, что в состав сухих веществ зерна, наряду с крахмалом, входят полисахариды некрахмалистой природы, представляющие собой потенциальные источники глюкозы: целлюлоза, /?-глю-. кавы, гемицеллюлозы и пр. До настоящего времени эти углеводы, являясь существенным резервом