CC BY
49
УДК 663.5
Инженер С.Ю. Никитина
(Воронеж. гос. ун-т. инж. технол.) центр коллективного пользования. тел. +7(473) 255-37-16, E-mail: [email protected]
Engineer S.Yu Nikitina
(Voronezh state university of engineering technologies) Center for collective use. phone +7 (473) 255-37-16, E-mail: [email protected]
К вопросу об эффективности извлечения примесей при эпюрации этанола
The efficiency of impurities extraction during the process of ethanol epuration
Реферат. В статье предложена статическая модель эпюрационной колонны, эксплуатируемой по методу глубокой гидроселекции, учитывающая изменение концентрации ключевых компонентов по высоте колонного аппарата и укрепляющее действие дефлегматора. Цель настоящей работы - определение оптимального положения питательной тарелки колонны и оценка эффективности вываривания и концентрирования примесных соединений в процессе эпюрации. С этой целью автором была разработана статическая модель эпюрационной колонны, которая позволяет выявить зависимость степени вываривания и степени концентрирования основных примесей в колонне от числа тарелок в каждой из этих частей. Доказано, что с увеличением числа теоретических тарелок в концентрационной части эпюрационной колоны эффект концентрирования примесей, имеющих головной характер, стремится к предельной величине; эффекты вываривания головных примесей неограниченно возрастают с увеличением истощающей части. На долю примесей, выделенных с фракцией из конденсатора, сильнее влияет эффект их вываривания, чем концентрирования. Эффект очистки спирта от компонентов сивушного масла существенно зависит от соотношения между числами тарелок в выварной n и концентрационной m частях колонного аппарата (оптимальное соотношение n/m для изопропанола, изоамилола и бутанола равно 1,5, в то время как для пропанола и изобутанола - 0,45).
Summary. The static model of the hydroselection column that describes the concentration variation of the main components was proposed. The purpose of this work is an optimization of the shared mixture input-position and evaluation of efficiency of the digestion and the impurity compound concentration during the epuration process. To this end, the author developed a static model of epuration columns, which allows to reveal the dependence of the degree of digestion and the degree of concentration of the main impurities in the column of the number of plates in each of these parts. It's proved that with the increasing of theoretical plates number in the concentration part of the column the concentration effect tends to the limit value. The effects of the head impurities digestion increase indefinitely with the growth of exhausting part. The proportion of the output from the condenser impurities depends more from the digestion effect than from the condensation effect. The effect of alcohol cleaning from the fusel oil components depends strongly from the ratio of the number of plates in the digestion and concentration parts (the optimal ratio for isopro-panol, isoamyl, butanol is 1.5, for the propanol, isobutanol is 0.45).
Ключевые слова: эпюрационная колонна, этанол, примеси, пропанол, изопропанол,бутанол, изобутанол, изоамилол.
Keywords: hydroselection column, ethanol, impurities, isoamylalcohol, isobutyl alcohol, n-butyl alcohol, isopropyl alcohol, n-propyl alcohol.
Типовые брагоректификационные установки косвенного действия обычно содержат полную эпюрационную колонну, имеющую 29 многоколпачковых тарелок в выварной части и 20 - в концентрационной. Однако в связи со значительным изменением условий работы этих колон (применение глубокой гидроселекции,
повышенный расход греющего пара и т.д.) этот выбор нельзя считать окончательным [1]. В настоящем исследовании предпринята попытка найти оптимальное положение питательной тарелки эпюрационной колонны, работающей с использованием глубокой гидроселекции.
© Никитина С.Ю., 2015
Пусть эпюрационная колонна имеет п и т теоретических тарелок соответственно в выварной и концентрационной частях, питается бражным дистиллятом с концентрацией этилового спирта хс молевых долей и обогревается паром через кипятильник, на верхнюю тарелку колонны подается Lg ки-ломолей гидроселекционной воды, из куба отводится Lo киломолей эпюрата, а из конденсатора отбирается FD киломолей фракции, содержащей смесь головных и промежуточных примесей (рис.1).
Примем КПД тарелок равным 0,5. Будем обозначать через G и Lc молевые потоки пара и питания, через Lm, Ln - молевые потоки жидкости соответственно в концентрационной и выварной частях колонны, через хо, х,, XD - молевые доли этилового спирта или примеси в эпюрате, жидкой фазе 1-й тарелки, флегме, а через уо, у г, yD - молевые доли этилового спирта или примеси в паре над кубовой жидкостью, над ,-й тарелкой и паре, выходящем из дефлегматора.
Все материальные потоки в колонне будем выражать в киломолях из расчета на 1 киломоль этилового спирта, поступающего в колонну с питанием, при этом допустим, что молевой поток пара G постоянен для всей колонны. Тогда V — (О -^)/^ - флегмовое число колонны, Lc=l/xc; Ln=О-FD+Lc+Lg, L m=G-FD+Lg, Lо=Lc—FD+Lg, FD=D/yD - жидкостные молевые потоки (О - количество этанола, отбираемого из конденсатора эпюрационной колонны).
Аналогично:
Рисунок 1. Схема материальных потоков в эпюрационной колонне
Составим теперь уравнение материального баланса для куба колонны, в который примесь поступает с жидкой фазой первой тарелки, а отводится с эпюратом и паром на первую тарелку. Тогда:
КпХ1 = °Уо + К х0 (1)
Уравнение (1) преобразуем к виду: ОК 0а1 + L0(1 + а1)
L„
(2)
где К0 =
Уо
- коэффициент испарения спирта и
хп
примеси в эпюрате.
х ОК0а1 + Ло(1 +а1)
Л0 Т
ОК0а1а2 + К0 (1 + а2 + а1а2) К
(3)
ОК0а1а2 ...ап-1 + К0(1 + ап-1 + ап-1ап-2 + ... + ап-1ап-2 - «1 )
К ''
где а,. = ОК, , К — ^ К х.
(4)
С учетом (4) преобразуем последнее уравнение системы (3):
К 01паа2.-ап + К0 Кп (1 + ап-1 +ап-1ап-2 + ... +ап-1ап-2...«1)
Уп = х0
К
(5)
Х3 - Х0
хп — х0
Поскольку концентрация этилового спирта на тарелках выварной части практически постоянна [1], допустим, что:
а1 = а2 = ... = ап = а. (6) Из соотношений (5) и (6) получаем:
уп К 0 Lnа" + КГ0 (1 +а+а2 +... +а"-1) а" = _ =-г-
Х0 гп
(7)
Если а Ф 1, уравнение (7) преобразуется к
виду:
о,„ =
yn а
[K 0 Ln (а-1) + L0 Kn ]-KnL0
Ln (а-1)
(8)
Если а=1, уравнение (7) приобретает вид:
• _ Уп _ LnK0 + KnL0n
L„
(9)
Анализ уравнений (8) и (9) показывает, что при а > 1 (Kn > Ln / G) и n ^ ю степень вываривания примеси оп ^ ю (limоп = n = ю). а
В случае а <1 (Kn < Ln / G):
<J„ =
KnLo Ln (а-1)
(10)
Как следует из уравнения (10), увеличение числа тарелок в выварной части эпюраци-онной колонны не может обеспечить полного вываривания примесей, имеющих хвостовой характер. Для анализа процесса концентрирования примеси в эпюрационной колонне воспользуемся уравнением ее материального баланса для дефлегматора:
<Уп+ т = < - FD )ХО + FDУD , (11)
Примем, что эффект концентрирования примеси в дефлегматоре эквивалентен одной ступени равновесной конденсации пара. Сделанное допущение означает, что выходящий из дефлегматора пар находится в состоянии равновесия с флегмой.
В этом случае уравнение (11) преобразуется к виду:
Уп _KD (v +1)
Уп
v + Kr
(12)
где Лп
Уп
KD =- - коэффициент
испарения при-
меси для дефлегматора колонны.
Запишем теперь уравнение материального баланса примеси для (п+т)-й тарелки:
<Уп+т-1 + (< - РО ) ХО =
<Уп+т + ГтХп+т
Из соотношений (11) и (13) следует:
<Уп+т-1 = ЬтХп+т + РОУО, (14)
Уравнение (14) с учетом (12) преобразуется к виду:
(13)
У.
n+m-1
= Уп
ß n+m +
V + 1,
ГДе ßn+m =
L„
GK,„
(15)
(16)
Аналогично для (п+т-1)-й, (п+т-2)-й, ..., (п - 1)-й тарелок будем иметь:
У.
п+ m - 2
= Уп
ßп + mßп
п + m^n + m-1
+
Уп
= Уп
+ £+h (1 + ßn + m-1)
v + 1
ßn + mßn+ m-1ßn + m-2 +
+ -
(1 + ßn
v +1
+
n+m-2 v+ ßn + m-2ßn + m-1 J
, (17)
Уп У n + m
ßn + mßn+m-1----ßn+1 +
(1 + ßn+1 +
+
v +1
+ ßn+1ßn+2 + ••• +
.+ ßn+1ßn+2 • ..ßn + m-1 J
где ßt =
Lm
GK,
(18)
Из последнего уравнения системы (17) с учетом соотношения (12) получим:
от =
Уп
v + Kr
Уп (v + KD )ßn+mßn+m-1 •••ßn+1 + KD (1 + ßn+1 + ßn+1ßn+2 + ••• + ßn+1ßn+2 ...ßn+m-1) '
(19)
Если на (п+т) -ю тарелку эпюрационной колонны подается достаточно большое количество гидроселекционной воды, то концентрация этилового спирта практически постоянна
для всех тарелок концентрационной части [1, 2]. В этом случае можно допустить, что:
вп+1 = вп+2 = .... = в п+т = в- (20)
X
х
0
х
С учетом (20) уравнение (19) приобретает
вид:
v + Кп
Уп+m __
" (V + KD)ßm + KD(1 + ß + ß2 +... + ßm-1)
,(21)
Если ß ф 1, уравнение (21) преобразуется следующим образом:
C = ■
Уп
(1 -ß)(v + KD)
Уп ~Kd +ßm [(v + Kd )(1 -ß) - Kd ]
(22)
Если ß = 1, уравнение (21) приобретает вид:
Уп+m V + K D
C =
Уп v + Kd (m +1)
, (23)
Из анализа уравнений (22) и (23) следует, что при т ^ ю степень концентрирования примесей стремится к постоянным величинам:
(1 -Р)^ + КD )
W
G m
= lima =
KT
(24)
С
если ß <1
v
Km ^ G
W
G m
= limc =
J
Kn + v
если ß =1
К =
v
L„ ^
(25)
G
J
cw m = limc = 0,
если ß >1 I k > — I
1 m G
(26)
Заметим, что общая степень концентрирования примеси в укрепляющей части эпюра-ционной колонне и ее дефлегматоре:
Уп
Уп
cwmD = limanD = (1 - ß)(v +1), если ß <1 (28)
CmD
= CmCD •
(27)
w kd (v + 1) a mD = lima n = —-
; если ß =1; (29)
( тэ — МтгтВ — 0, если р>1. (30)
Результаты расчетов степени вываривания оп по уравнениям (8) - (10), (12), (19), (22),
(27)-(30) и концентрирования ГтЭ некоторых
примесей в эпюрационной колонне приведены в таблицах 1, 2, а степень извлечения примесей
с фракцией из конденсатора эпюрационной ко-
^Уи
лонны
Xd
FDGmDGn
L0 + FDCncPn
FDyD + L0 X0 представлена на рисунке 2.
В расчетах использованы данные [1 - 5] о коэффициентах испарения примесей и распределении этилового спирта по тарелкам эпюрацион-ной колонны в зависимости от условий ее работы.
Анализ приведённых уравнений показал, что с увеличением числа теоретических тарелок m в концентрационной части эпюрационной колоны эффект amD концентрирования примесей, имеющих головной характер, стремится к предельной величине ctw mD . При этом для достижения a mD большинства изученных примесей достаточно 15-20 теоретических тарелок.
Эффекты вываривания ап примесей,
имеющих головной характер в истощающей части эпюрационной колонны неограниченно возрастают с увеличением ее эффективности (числа теоретических тарелок п).
При этом на долю примесей XD, выделенных с фракцией из конденсатора эпюраци-онной колонны, сильнее влияет эффект их вываривания, чем концентрирования.
Как следует из рисунка, эффект очистки спирта XD от компонентов сивушного масла существенно зависит от соотношения между числами тарелок в ее выварной и концентрационной частях. Так, например, оптимальное соотношение п/m для изопропанола, изоамилола и бутанола равно 1,5, в то время как для пропа-нола и изобутанола 0,45.
Анализируя полученные данные, можно сделать следующие выводы.
1. Эффект вываривания примесей, имеющих головной характер, неограниченно возрастает с увеличением числа тарелок в истощающей части эпюрационной колонны, в то время как эффект концентрирования примесей с ростом числа укрепляющих тарелок стремится к постоянной величине.
2. Вклад эффекта вываривания ап в степень извлечения примесей Xd относительно
больше степени концентрирования примеси am .
Максимальный эффект выделения изо-пропанола, бутанола и изоамилола в эпюраци-онной колонне, работающей с подачей гидроселекционной воды на ее верхнюю тарелку, достигается при ^^=1,5, а пропанола и изобутанола - при п/ш=0,45.
v
Т а б л и ц а 1
Зависимость степени вываривания некоторых примесей от числа тарелок в истощающей части эпюрационной колонны, п
Примесь n=4 n=8 n=10 n=15 n=20 n=25 n=30 п=да
Изоамилацетат 257.36 2201.46 6.36104 8.96104 1.26106 1.78108 2.5108 да
Изопропанол 24.41 40.18 48.20 68.65 89.69 111.33 133.60 да
Пропанол 11.97 12.95 13.97 14.42 14.57 14.61 14.63 14.64
Изобутанол 11.97 12.95 13.97 14.42 14.57 14.61 14.63 14.64
Бутанол 22.45 30.71 34.17 41.22 46.47 50.38 53.30 61.82
Изоамилол 25.33 35.54 40.11 50.15 58.51 65.45 71.23 99.75
Метанол 6.00 6.29 6.32 6.34 6.34 6.34 6.34 6.34
Т а б л и ц а 2
Зависимость степени концентрирования некоторых примесей от числа тарелок в укрепляющей части эпюрационной колонны, т
Примесь m=4 m=8 m=10 m=15 m=20 m=25 m=30 т=да
Изоамилацетат 23.61 28.45 28.56 28.56 28.56 28.56 28.56 28.56
Изопропанол 6.30 11.29 12.78 14.14 14.36 14.40 14.40 14.40
Пропанол 2.51 4.10 4.94 6.65 7.61 8.02 8.18 8.29
Изобутанол 2.12 3.62 4.46 6.33 7.45 7.96 8.16 8.28
Бутанол 5.70 13.10 15.24 16.82 16.98 17.00 17.00 17.00
Изоамилол 3.91 10.88 13.68 16.17 16.48 16.50 16.51 16.51
Метанол 1.46 1.08 0.94 0.68 0.50 0.38 0.29 0
X
0) Т
<и ц
со со S
-О X
0) 1= 0) I-
о
0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0
-изопропанол Бутанол
2
n/m -Пропанол ■ Изоамилол
•Изобутанол
Рисунок 2. Зависимость степени извлечения примесей этанола из конденсатора эпюрационной колонны от соотношения числа теоретических тарелок в её выварной и концентрационной частях
ЛИТЕРАТУРА
1 Константинов Е.Н., Короткова Т.Г. Сравнение альтернативных вариантов очистки пищевого спирта от сивушных масел в эпюрационной и спиртовой колоннах // Известия вузов. Пищевая технология. 2011. №2-3. С. 55-59.
2 Короткова Т.Г., Константинов Е.Н. Моделирование технологии получения пищевого спирта на брагоректификационной установке // Известия вузов. Пищевая технология. 2012. № 1. С. 108 - 111.
3 Никитина С.Ю. Новая технология ректификации для получения этанола повышенного качества // Промышленно-академическое сотрудничество в фармацевтической, химической и пищевой отраслях: мат. I Междунар. конгресса, 17-18 сентября 2014 г. Монтелуко ди Ройо, Аквила - Италия. С. 97 - 99.
4 Никитина С.Ю. Схемотехника и методики расчётов брагоректификационных установок. Воронеж: ВГАСУ, 2013. 209 с.
0
1
3
4
5 Абрамова И.М. Научное обоснование методологии комплексного контроля спиртового и ликёроводочного производства с целью повышения качества и безопасности алкогольной продукции: дис. ... д-ра. тех. наук: 05.18.07: защищена 04.09.2014: утв. 25.12.2014. М.: Всероссийский научно-исследовательский институт пивоваренной, безалкогольной и винодельческой промышленности РАСХН, 2014. 244 с.
REFERENCES
1 Konstantinov E.N., Korotkova T.G. Comparison of cleaning from fusel oils types for edible alcohol in the alcohol and epuration columns. Izvestiya vuzov. Pishchevaya tekhnologiya. [Proceedings of the universities. Food technology], 2011, no. 2-3, pp. 55-59. (In Russ.).
2 Korotkova T.G., Konstantinov E.N. The model of edible alcohol production technology in the rectification Installation. Izvestiya vuzov. Pishchevaya tekhnologiya. [Proceedings of the universities. Food technology], 2011, no. 2-3, pp. 5559. (In Russ.).
3 Nikitina S.Yu. The new rectification technology for the high quality ethanol production. Promyshlenno-akademicheskoe sotrudnichestvo v farmatsevticheskoi khimicheskoi i pishchevoi otaslyakh: mat. I Mezhdunar. kongressa, 17-18 sentyabrya 2014 g. Monteluko di Roio, Akvila -Italiya [Industrial and academic cooperation in the pharmaceutical, chemical and food industries: ma-terialy I International Congress , 17-18 September 2014. Monteluco di Royo , L'Aquila - Italy] Aq-uila, 2014. pp. 97 - 99.
4 Nikitina S.Yu. Skhemotekhnika i metodiki raschetov bragorektifikatsionnykh usta-novok [Circuit Engineering and methods of rectification installation calculations]. Voronezh, VGASU, 2013. 209 p. (In Russ.).
5 Abramova I.M. Nauchnoe ovbosnovanie metodologii kompleksnogo kontrolya spirtovogo i likerovodochnogo proizvodstva s tsel'yu pov-ysheniya kachestva i bezopasnosti alkogol'noi produkrsii [Scientific substantiation of the alcohol and beverage production integrated control methodology to improve the quality and safety of alcoholic beverages. Diss. doc. tech. sci.]. Moscow, 2014. 244 p. (In Russ.)
