Научная статья на тему 'Исследование процесса получения высококачественного этилового спирта методом периодической ректификации'

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

CC BY
622
98
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по химическим технологиям , автор научной работы — Умрихин Е. Д., Короткова Т. Г., Константинов Е. Н.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Исследование процесса получения высококачественного этилового спирта методом периодической ректификации»

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.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

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

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

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

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.