CC BY
73
(рис. 1: кривые 1 и 2 соответственно) и толуол-гексан
Таблица
(рис. 2). Отклонения расчетных данных от экспериментальных приведены в таблице. Система Уравнение Пенга-Робинсона Дырочная модель
ЛИТЕРАТУРА е* с макс’ % (а • 103),** г/см3 емакс, % а • 103, г/см3
Т олуол-гептан 2,1 29 2,0 22
1. Данилин В.Н., Доценко С.П., Капустина И.В. Тепло- Толуол-гексан 2,0 22 1,9 19
аккумулирующие материалы на основе двойных н-парафинов // Г ексан-гептан 2,5 32 1,9 23
Прогрессивные технологии и техника в пищевой промышленности / Тр. Междунар. науч. конф.: Тез. докл. - Краснодар, 1994. - С. 190.
2. Рид. Р., Праусниц Дж., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей: Сравочное пособие. 3-е изд., перераб. и доп.: Пер.с англ. - М.: Химия, 1982. - 592 с.
* Относительная максимальная погрешность; ** среднее квадратическое отклонение.
Кафедра физической, коллоидной химии и управления качеством
Поступила 06.04.06 г.
66.048.3.001.57
МЕТОД РАСЧЕТА ПРОЦЕССА РАССЛАИВАНИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СПИРТОВЫХ СМЕСЕЙ
О.В. МАРИНЕНКО, Т.Г. КОРОТКОВА, Х.Р. СИЮХОВ
Майкопский государственный технологический университет Кубанский государственный технологический университет
Спиртовые смеси, включающие большое количество компонентов и обладающие сильной неидеально-стью, в частности сивушная фракция, способны расслаиваться при определенных соотношениях компонентов. Общие рекомендации по описанию и моделированию фазового равновесия жидкость-жидкость даны в монографиях [1, 2] и рассмотрены в работах [3-6]. Отмечается, что расчет процесса расслаивания значительно сложнее, чем расчет парожидкостного равновесия. Это связано с тем, что при расчете равновесия пар-жидкость константы фазового равновесия К сильно зависят от состава только одной жидкой фазы. Если этот состав задан, то итерации осуществляются по температуре, что значительно облегчает решение задачи. При расчете равновесия жидкость-жидкость задача решается при заданной температуре, причем составы обеих фаз - легкой и тяжелой - неизвестны, поэтому нельзя рассчитать коэффициенты активности компонентов в фазах у, а следовательно, и коэффициенты
! . ''
распределения в фазах К, = у / у,, равные отноше-
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 Сид, мол. доп.
Рис. 1
нию коэффициентов активностей /-го компонента в фазах. Основная трудность при отыскании равновесных концентраций заключается в правильном выборе начального приближения коэффициентов распределения, которые резко изменяются с изменением состава. Рассмотренные методики процесса расслаивания [3-5] существенно зависят от начального приближения по коэффициентам распределения К, и часто дают физически неадекватные решения. Поэтому предсказать К, по составу исходной смеси невозможно. Для корректного их задания в работе [6] предлагается предварительно анализировать исследуемые смеси.
Основными компонентами сивушных смесей, приводящими к расслоению системы сивушное мас-ло-этанол-вода являются изоамиловый (ИА) и изобу-тиловый (ИБ) спирты. Изменение коэффициентов активности КА систем изоамиловый спирт-вода и изобу-тиловый спирт-вода от концентрации с в них спирта при 20°С приведено соответственно на рис. 1, 2 (кривая 1 - спирт; 2 - вода); изменение зависимостей ух,- и у*х, от концентрации этих компонентов х, - на рис. 3 и 4 (кривая 1 - ухь у*х\; 2 - у2х2, у2 х'2).
Из рис. 1 и 2 следует, что кривые зависимости коэффициентов активности изоамилового и изобутилового
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 СИБ, мол. доп. Рис. 2
Рис. 3
Рис. 4
спиртов резко падают при увеличении концентраций этих компонентов в смеси. Характер изменения ух,- и у* х,■ от х, еще более сложен, так как наряду с резко выраженными максимумами имеются минимумы.
В данной работе представлен надежный метод расчета процесса расслаивания в системе жидкость-жидкость применительно к многокомпонентным спиртовым смесям, основными компонентами которых являются изоамилол, изобутанол, н-пропанол, этанол и вода, входящие в состав сивушной фракции.
Математическое описание процесса расслаивания включает уравнения общего материального баланса (1), покомпонентного материального баланса (2), уравнения равновесия (3) и уравнение ИМрИАС (4) для расчета коэффициентов активности /-го компонента. В качестве функции цели, корень которой ищется, принята сумма концентраций всех компонентов одной из получающихся при расслаивании фаз за минусом единицы.
^ = Ь’ + Ь".
II II II
= 1-Х : " і. X" .
II II II
у,х, = у,х,,
|П У/ = ІП Уюоть " |П Уі гее .
І І Ф і ^ | 0 і . Ф і \—л .
Іп у,сотЬ = 1п—- + — а, Іп — + / -—- $ х,!.;
іюошь X1 2 1 Ф, ' X, $ 11
(1)
(2)
(3)
(4)
|п у і гее =а і
1-Іп
$0іх і,і
п 0 . х . . -$^ .=1 $0
& 1=1
/
г / ч / Л ^ г,х
к Хк, і
іі= нг -Я,)-(г -1) ; Ф,=тЦ-^;
$
г,х,
Ф/, 0, - объемная и поверхностная доли молекулы ,; г,, qi - вандерва-альсовы объем и площадь поверхности молекулы ,, которые определяются суммированием групповых параметров объема Я% и поверхности <2к
1
При известных не представляется возможным рассчитать коэффициенты распределения
І II І II
К, = у, / у", так как у, и у,- зависят от составов фаз после расслаивания, которые неизвестны. Между тем при расчете равновесия пар-жидкость достаточно знать состав только одной жидкой фазы гі, чтобы рассчитать константы фазового равновесия К. Поэтому предварительно исследовали, насколько для спиртовых смесей константы фазового равновесия в системе пар-жидкость, полученные при расчете температуры кипения смеси, согласуются с коэффициентами распределения системы жидкость-жидкость, найденными в результате расчета процесса расслаивания этой смеси. С этой целью проанализирована применимость модели ИМрИАС к описанию парожидкостного равновесия в смесях с сивушным маслом. Получено хорошее качественное согласование экспериментальных и расчетных данных.
Для сравнения констант фазового равновесия в системе пар-жидкость и коэффициентов распределения в системе жидкость-жидкость были выполнены расчеты процесса расслаивания смесей сивушное масло-эта-нол-вода при 20°С и констант фазового равновесия при определении температуры кипения этих смесей. Сравнение значений констант фазового равновесия с коэффициентами распределения, полученными в результате расчета процесса расслаивания, показывает их качественное совпадение. Поэтому в качестве начального приближения коэффициентов распределения были приняты константы фазового равновесия, найденные при расчете температуры кипения смеси заданного состава гі. Далее при этих К исследовали методики, предложенные в работах [3-6]. В известных методиках доля фазы I определяется путем решения уравнения
где г - координационное число решетки, принятое авторами модели равным 10; I, - фактор объе мности молекулы; Дм, - известные из ли -тературных данных межмолекулярные энергетические параметры;
Ч<1 ) = $ 7-
і = 1 ! "
(1- і )К
-1=0 ,
к
к
к
п
г
или уравнения
Этанол, мас. дол.
<К')=$
і=1 І
■-$
гК
" і (К, -1) !(Кі -1)
= 0.
Состав первой фазы определялся по уравнению
х, =-
/" (1-1)К,
а второй - по уравнению равновесия х, = Кх,. Поиск переменной I осуществляется итерационным методом Ньютона. Цикл завершается после совпадения значений коэффициентов распределения для двух последовательных итераций.
Использование предложенных методик привело к тривиальному решению, при котором состав исходной
/ II
смеси равен составу образующихся фаз =х, = х1. Поэтому для нахождения истинного равновесного состояния системы принята следующая последовательность вычислений.
При заданных начальных значениях коэффициентов распределения К рассчитывался состав одной из равновесных фаз путем совместного решения уравнений материального баланса (1), (2) и равновесия (3).
х , =
кі + '(1-к, )•
(5)
В качестве функции цели принята
П г ■
Р = $----------у----- — 1=0. Доля фазы I, равная от-
,=1 к , + /(1—к , 2 ношению количества фазы к количеству исходной смеси, принималась равной 0,5 (это согласуется с рекомендациями [2]). Вычислялось значение функции цели П ,
р = $ х, — 1 и запоминался ее знак. Как следует из
/=1
I
уравнения (5), величины всех х, положительны. Со-
I I I П ,
став х1 нормировался к единице х1 =х, / $ х, и из
, 1
материального баланса рассчитывался состав второй фазы
х,- =-
1-і
(6)
Рис. 5
і п
фициентов распределения К, = у, / уі. Затем по выражению (5) вновь рассчитывался состав фазы «'» и вып'
числялось значение функции цели Р2 = $ х, - 1. За-
і 1
тем повторялась вышеописанная процедура определения новых значений К. Знак функции ¥2 сравнивался со знаком функции ^1. Если знаки одинаковые, изме -нялось значение доли фазы I методом деления отрезка пополам. При достижении смены знака функции ¥2 применялся метод касательных Ньютона. На каждой
итерации значение функции
$х і -1 і 1
< е сравнива-
При нормированных значениях х, состав второй
П "
фазы автоматически равен $ х= 1. Однако, как сле-
,=1
дует из уравнения (6), может оказаться, что концентрации некоторых компонентов второй фазы будут отрицательными. Поэтому I уменьшалось до тех пор, пока значения концентраций всех компонентов не станут положительными. По найденным составам фаз при помощи уравнения фазового равновесия ИМрИАС (4) в них определялись коэффициенты активности ,-го ком-
I II
понента у, и у" и соответствующие им значения коэф-
лось с заданной точностью, принятой равной е = 10- . Использование такой последовательности расчета показало, что задача всегда сходится к решению. Если состав исходной смеси равен составам обеих фаз, то исходная смесь не расслаивается. Если состав исходной смеси равен составу одной фазы, но не равен составу второй фазы, то полученное решение лежит на бино-дальной кривой.
Расчетные данные по предложенному методу сравнивались с экспериментальными данными по расслаиванию нестандартной сивушной фракции, отобранной на брагоректификационной установке ОАО АПФ «Фанагория», а также смеси, полученной на пилотной установке при исследовании возможности выделения из этой фракции этилового спирта по ГОСТ Р 51652-2000. Анализ составов проводился хроматографическим методом. Получено хорошее качественное совпадение расчетных и экспериментальных данных (рис. 5: о - собственные экспериментальные данные при 20°С; ••• - расчетная диаграмма фазового равновесия системы сивушное масло-этанол-вода (изоамиловый спирт 68% мас., изобутиловый спирт 22% мас., н-пропиловый спирт 10% мас.)).
ЛИТЕРАТУРА
1. Рид РПраусниц Дж., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей. - Л.: Химия, 1982. - 591 с.
2. Уэйлес С. Фазовые равновесия в химической технологии: В 2 кн. / Под ред. В.С. Бескова: Пер. с англ. - М.: Мир, 1989.
п
г
г
г
3. Математическое моделирование с помощью ЭВМ рав -новесия жидкость-жидкость-пар многокомпонентных смесей. II. Равновесие жидкость-жидкость-пар бинарных смесей / Ж. А. Бриль, А.С. Мозжухин, Т .В. Петрова и др. // Журн. физ. химии. - 1973. - 47. - № 10. - С. 2614-2617.
4. Математическое моделирование при помощи электрон -но-вычислительной машины равновесия жидкость-жидкость-пар многокомпонентных смесей / Ж. А. Бриль, А.С. Мозжухин, Ф.Б. Пет-люк и др. // Там же. - № 11. - С. 2771-2773.
5. Математическое моделирование при помощи электрон -но-вычислительной машины равновесия жидкость-жидкость-пар
многокомпонентных смесей. IV. Расчет равновесия жидкость-жид -кость / Ж. А. Бриль, А.С. Мозжухин, Ф.Б. Петлюк и др. // Там же. -С. 2774-2777.
6. Бабурина Л.В., Маклашина Н.С. Моделирование рав -новесий жидкость-жидкость-пар для бинарных и трехкомпонент -ных систем // Там же. - 1997. - 71. - № 1. - С. 86-90.
Кафедра процессов и аппаратов пищевых производств
Поступила 24.04.06 г.
ПАТЕНТЫ
Патент на изобретение № 2257406. Способ приготовления активированных прессованных дрожжей / Н.Н. Корнен, Е.Г. Маркова, А. А. Шаззо и др. Заявка № 2003138085 от 30.12.03; Опубл. 27.07.2005.
Изобретение относится к производству хлебобулочных изделий для профилактического питания. Способ включает приготовление питательной среды для активации, внесение в нее измельченных прессованных дрожжей с получением смеси и выдержку смеси. Питательную среду готовят смешиванием пшеничной муки, воды и порошка из зерна тритикале, полученного путем измельчения в две стадии. На первой зерно тритикале дробят, на второй - подвергают тонкому измельчению во вращающейся по спирали пленке толщиной 0,1-0,5 мм при температуре 30-35°С. Количество порошка из зерна тритикале составляет 1-3% к массе пшеничной муки, выдержку смеси осуществляют в течение 20-40 мин при 30-32°С. Подъемная сила приготовленных таким образом дрожжей увеличивается, сокращается продолжительность технологического процесса, повышается качество хлебобулочных изделий.
Патент на изобретение № 2259045. Способ приготовления хлебобулочного изделия / А.А. Петрик, А. А. Лузан, К.С. Ольховой и др. Заявка № 2004107581 от 15.03.04; Опубл. 27.08.2005.
Изобретение относится к производству хлебобулочных изделий для профилактического питания. В тесто, приготовленое путем смешивания всего количества муки, воды, солевого раствора и дрожжей, вводят улучшитель окислительного действия. После брожения теста осуществляют его разделку, расстойку и выпечку тестовых заготовок. В качестве улучшителя окислительного действия используют порошок из смеси семян чечевицы и семян винограда, полученный путем измельчения в две стадии. На первой смесь семян дробят, на второй подвергают тонкому измельчению во вращающейся по спирали пленке толщиной 0,1-0,5 мм при температуре 30-35°С. Количество порошка из смеси семян чечевицы и семян винограда составляет 3-10% к массе муки, а соотношение компонентов (1 : 1)-(1 : 3) соответственно. Предусмотрено дополни-
тельное введение в тесто сахара в количестве до 7% к массе муки и жирового продукта - до 4% к массе муки. Полученное хлебобулочное изделие обладает высокими потребительскими свойствами, повышенной физиологической и пищевой ценностью, увеличенными сроками сохранения свежести.
Патент на изобретение № 2260793. Способ определения содержания эруковой кислоты в масле семян рапса / С.М. Прудников, С.Ю. Ксандопуло, С.К. Мус-тафаев и др. Заявка № 2004111238 от 12.04.04; Опубл. 20.09.2005.
Способ включает пробоподготовку образца семян рапса для анализа и расчета содержания эруковой кислоты. Пробоподготовку проводят путем термостати-рования семян при температуре (23 ± 0,2)°С в течение 2 ч, после чего измеряют время спин-спиновой релаксации протонов масла второй компоненты Т22, мс; содержание эруковой кислоты в процентах рассчитывают по формуле Рэр = 22,0 - 0,45 Т22. Технический результат: сокращается время определения Рэр, упрощается пробоподготовка.
Патент на изобретение №2255884. Упаковочный материал для пищевых продуктов / Г.И. Касьянов, М.Г. Михайлова, А.В. Баглаев и др. Заявка № 2004100586 от 05.01.04; Опубл. 10.07.2005.
Изобретение может быть использовано в консервной, пивобезалкогольной, хлебопекарной и пищекон-центратной промышленности. Упаковочный материал для пищевых продуктов включает, по меньшей мере, один наружный слой полимерной пленки, содержащей в качестве полимера полиэтилен низкого давления (50-80%), в качестве антисептика - эфирное масло из семян горчицы (0,5-5,0%), в качестве пластификатора - жирное масло из семян горчицы (7-30%), крахмал (2,5-6,0%) и гидроксиапатит (10-20%). Технический результат изобретения состоит в увеличении срока хранения упакованных продуктов, в бактерицидной защите поверхности продукта от патогенной микрофлоры и в возможности биодеградации использованной пленки при попадании в почву.
