CC BY
29
Введение
Экологическая опасность сточных вод обусловлена, во-первых, большим количеством органических веществ, представляющие собой остатки молока и молочных продуктов, поступающие в основном от необходимых операций ополаскивания емкостного и технологического оборудования. Во-вторых, в сточные воды идут щелочные, кислотные и другие компоненты моющих растворов, то приводит к изменению показателя рН стоков от 3 до 10. Сброс таких стоков в сооружения биологиче-
ской очистки приводит к полному отмиранию активного ила, который становится загрязнителем, подлежащим полной замене. При их попадании в подпочвенные или открытые водоемы происходит значительное снижение концентрации растворенного кислорода в воде, что делает их как минимум непригодными для водоснабжения.
Расход сточных вод, нормативно сбрасываемых молокоперерабатывающим предприятием, может составлять до 80-85% от объёма потребляемой воды питьевого качества [1,10].
Таблица 1.
Характеристики стоков, нормативных показателей сточных вод и питьевой воды
Table 1.
Characteristics of wastewater, regulatory indicators of wastewater and drinking water
Показатель сточных вод км3 Wastewater indicator, km3 До очистки Aftertreatment [2] После очистки After cleaning [2] ПДК для сброса в канализацию MPC for discharge into the sewer [2] Вода питьевая Drinking water [3]
Взвешенные вещества, мг/дм3 Suspended solids, mg/dm3 1500-2000 1000 300 40-50
Сухой остаток, мг/дм3 Dry residue, mg/dm3 1200-1800 1200 3000 800-1000
ХПК мг02/дм3 COD mg02 / dm3 2500-3000 1500 500 0
БПК полн, мг02/дм3 BOD is full, mg02 / dm3 1500-2000 1000 500 0
Жиры, мг/дм3 Fats, mg/dm3 1500-2000 1000 300 0
Фосфор общий, мг/дм3 Total phosphorus, mg/dm3 10-15 12 12 3-5
Азот общий, мг/дм3 Total nitrogen, mg/dm3 60-110 50 50 10-12
рН, ед., 2-12 3-10 5-10 6-9 6-8
Анализ данных, представленных в таблице 1, показывает, что современные методы очистки сточных вод, применяемые на большинстве молочных заводов не соответствуют нормативам ПДК для сброса в канализацию и соответственно требуется применение дополнительных мер их обработки.
Анализ базовой структуры современной технологии очистки стоков молокоперерабатывающих предприятий (МПП) на заводских очистных сооружениях (ЗОС)
Производительность ЗОС определяется максимальными суточными и часовыми объемами сточных вод, периодичностью обработки и временем сброса, как правило, предусматривается их непрерывная работа до 16-20 часов в сутки. Поскольку из производственной технологии нельзя исключить процессы промывок емкостей и оборудования, то для нейтрализации используемых щелочных и кислотных реагентов,
перед ЗОС стоки направляют в усреднитель-ную емкость объемом равным примерно 50% суточного расхода [19, 17].
Дисперсная фаза в стоках МПП состоит из механических примесей, эмульгированных и растворенных компонентов [8, 9, 13], прежде всего, это молочный жир, белковые соединения, углеводы, минеральный комплекс молока, некоторые витамины, а при наличии сыродельного производства и повышенное содержание соли. Следует отметить, что их соотношение может меняться в достаточно широких диапазонах даже для одного предприятия в течении суток, что значительно осложняет разработку технологии очистки таких жидких полидисперсных систем.
До подачи стоков в усреднитель традиционно на первом этапе очистки, используя отстойники, грубые фильтры, жиро- и песколовки, выделяют механические примеси и молочный жир - т. е. все, что может вывести из строя насосное и некоторое другое специальное оборудование, имеющее в составе
рабочих органов прецизионные кинематические пары. Для реализации второго (основного) этапа очистки стоков в мировой практике используют уже специальное оборудование, как правило, в составе технологической линии, предусматривающей многовариантные комбинации
следующих основных процессов: физико-химические, баро- и электромембранные, биологические аэробный или анаэробный [15,16]. Основные технические особенности и сравнительные экономические показатели этих методов приведены в таблице 2.
Таблица 2.
Технические особенности и сравнительные экономические показатели основных методов очистки
стоков на ЗОС МПП [2]
Table 2.
Technical features and comparative economic indicators of the main methods of wastewater treatment for the
conclusion of compliance with the MPP [2]
Удаление Удаление
Удаление Удаление растворенных растворенных
нерастворимых примесей Removal of insoluble эмульгированных примесей Removal of emulsified органических примесей Removal of dissolved минеральных примесей Removal of dissolved Особенности применения Application Features Капитальные затраты Capital expenditures Эксплуатационные затрат Operating costs
impurities impurities organic impurities mineral impurities
Физико-химический метод | Physico-chemical method
Нет No Для локальной Низкие Высокие
98-99% 80-85% Частично очистки Low High
For local cleaning
Ультра )ильтрация | Ultrafiltration
98-99% 80-85% Частично Partly Нет No Для концентрирования сыворотки To concentrate the serum Средние Medium Высокие High
Обратный осмос | Reverse osmosis
После глубокой
очистки
Нет No Нет No Нет No 99,9% от органических загрязнений After deep cleaning from organic contaminants Высокие High Высокие High
Биологический анаэробный | Biological anaerobic
После локальной
очистки. Требуется
доочистки
Нет No 98-99% 98-99% Нет No от органических загрязнений After local cleaning. Additional cleaning from organic contaminants is required Высокие High Низкие Low
Биологический аэробный | Biological aerobic
После локальной
очистки.
Обеспечивает полное
80-90% 98-99% 98-99% Нет No удаление органических загрязнений After local cleaning. Provides complete removal of organic contaminants Высокие High Низкие Low
Следует отметить, что в большинстве стран, занимающих высокие позиции на рынке переработки молока и производства высококачественной пищевой продукции, внедрение
такой технологической структуры работы ЗОС даёт возможность очищать стоки МПП до уровня, допускающего их сброс в городской канализационный коллектор. Однако в условиях
исключающий возможность самостоятельной высокозатратной разработки инновационных технологий силами и ресурсами даже крупного отечественного МПП. Очевидно, что в такой ситуации требуется найти нетривиальный подход к осмыслению стоящей, прежде всего, научной проблемы.
Предлагаемая методология решения
проблемы очистки стоков МПП
С технологической точки зрения исходное сырьё, поступающее на МПП, представляет собой идеально сбалансированную систему -натуральное молоко. По определению не имеющее каких-либо пороков в своём составе или физико-химических свойствах. При правильном подходе к его переработке в целевые продукты переходят молочный жир (натуральное сливочное масло), часть белковой фракции (сырные и творожные изделия) [4, 7, 11, 20]. Всё остальное же, ещё на заре развития технологии молока опрометчиво названное отходами, часто попадало в канализацию, нанося тем самым непоправимый урон окружающей среде. На сегодняшний день каждый вид (сыворотка, пахта, ополоски) так называемых отходов справедливо относят ко вторичному, т. е. просто не полностью переработанному, но, тем не менее, ценному молочному сырью [5, 6, 18].
Рисунок 1. Концепция (фрагмент) глубокой переработки вторичного молочного сырья Figure 1. The concept (fragment) of deep processing of secondary dairy raw materials
нашей страны такой подход к решению проблемы не находит практического применения по следующим основным причинам:
- разработка аппаратурно-технологической схемы очистки стоков требует индивидуального подхода применительно к условиям работы ЗОС почти каждого МПП, что сопряжено с высокими экономическими затратам;
- ни одно из отечественных МПП объективно не может иметь в своем составе достаточно оснащенное высококвалифицированными научными кадрами и соответствующим исследовательским оборудованием подразделение, способного выполнить необходимую НИР для разработки технологии очистки стоков;
- либеральная в отношении охраны окружающей среды политика не стимулирует МПП к поиску решения проблемы создания эффективных ЗОС [12].
В результате большинство отечественных МПП вынужденно идёт на сброс недостаточно очищенных стоков и соответственно экономические потери от штрафных санкций, часть из которых тем или иным способом включается в себестоимость готовой продукции. Что ведет к повышению отпускных цен на готовую продукцию, снижая покупательский спрос и обуславливая в конечном итоге снижение прибыли МПП. Образуется порочный круг,
Млтм Ф.Л. а аС Ргосее£пр о/^Л^ЕТ, 2022, уоС. 84, по. 1, рр. 214-
Переработку каждого вида вторичного молочного сырья в промышленном объеме следует рассматривать как направленное и управляемое воздействие на сложную биотехнологическую систему. И соответственно все виды такого воздействия следует разделить на две основные группы: предварительная очистка и окончательная обработка. Основа концепции глубокой переработки, вторичного молочного сырья схематично представлена на рисунке 1. Один из основных принципов построения предлагаемой концепции можно сформулировать следующим образом: вторичное молочное сырьё перед начальным этапом его глубокой переработки, предусматривающей фракционирование, должно быть стандартизовано. Необходимость соблюдения этого принципа обусловлена, прежде всего, базовыми условиями эффективного проведения технологических и особенно баромембранных процессов:
- использование стандартного, серийно выпускаемого оборудования;
- применение унифицированного ряда мембран с заданными показателями проницаемости по стандартному пермеату вторичного молочного сырья и селективности по сывороточным белкам;
- исключение из состава пуско-наладочных работ мероприятий, направленных на уточнение или адаптацию основных режимов эксплуатации баромембранного оборудования в зависимости от особенностей физико-химических показателей каждого вида используемого вторичного молочного сырья.
Для реализации этого принципа начальный этап последующей глубокой переработки вторичного молочного сырья, в том числе и молочной сыворотки, на основе применения мембранного оборудования, должен предусматривать проведение следующих технологических операций:
- пастеризация традиционным методом или санация с использованием микрофильтрационного оборудования;
- очистка от механических примесей, частиц казеина, молочного жира в поле центробежных сил, в том числе и при колебательном движении разделяемой системы;
- выделение части белковой фракции тем или иным путем, например, добавлением в предварительно очищенную молочную сыворотку комплекса растительных полисахаридов (экстракт топинамбура) с последующим осаждением образовавшегося высокомолекулярного комплекса «сывороточные белки - полисахарид» [23].
Выбор способа предварительной обработки вторичного молочного сырья определяется его физико-химическими свойствами и требованиями технологии дальнейшей переработки, эффективность которой зависит от состава
и степени использования действующего на предприятии оборудования [21, 22]. При этом возможно применение термокоагуляции, сорбции, хроматографии, мембранной фильтрации и т. д. Граничные условия варьирования способов и взаимовлияющих режимов каждой конкретной технологической операции необходимо устанавливать на основе комплекса показателей определяющих соответствие получаемого сырья требованиям «стандарта». Следует отметить, что реализация предложенной концепции сопряжена с решением (рисунок 2), требующего проведения экспериментальных исследований, следующих взаимосвязанных практических задач:
- обоснование состава и содержания основных показателей стандартизированного вторичного молочного сырья;
- определение параметров проницаемости по пермеату, селективности по белку мембран и тип мембранного оборудования для очистки, например, молочной сыворотки.
Рисунок 2. Основной фрагмент содержания задач переработки вторичного молочного сырья и общая методика их решения экспериментальным путём
Figure 2. The main fragment of the content of the tasks of processing secondary dairy raw materials and the general method of solving them experimentally
Мамай Д>.С и др. Фестник,ФТУИТ, 2022, Т. 84, №. 1, С. 214-221 Заключение
Примем ситовую модель баромембранного разделения любого вида вторичного молочного сырья и соответственно ультрафильтрацию в качестве первой стадии его переработки. Тогда содержание комплекса показателей «стандарта» будет определяться в первую очередь уровнем эффективности проведения процесса ультрафильтрационного разделения стандартизированного сырья. На этой основе сформулирован второй принцип, на котором базируется предлагаемая концепция: первый этап баромембранной
очистки вторичного молочного сырья должен обеспечивать очистку пермеата от белков и молочного жира. Следование этому принципу позволит обеспечить благоприятные условия выделения лактозы из вторичного молочного сырья на последующих стадиях его глубокой переработки. То или иное сочетание этих процессов, прежде всего, зависит от стоимости технологий и необходимого для их реализации оборудования, объёмов сырья, требуемой глубины его переработки, а также рыночной цены готовой продукции
Литература
1 Бабенышев С.П. и др. Комплексный метод осветления вторичного молочного сырья // Молочная промышленность. 2018. №. 9. С. 66-68.
2 Бабенышев С.П. и др. Способ получения сывороточного фруктово-овощного напитка. 2016.
3 Шифрин С.М., Иванов Г.В., Мишуков Б.Г., Феоранов Ю.А. Очистка сточных вод предприятия мясной и молочной промышленности // Легкая и пищевая промышленность 1981. 272 с.
4 СанПиН 2.1.4.1074-01. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества.
5 Семенов В.В., Луговкин А.Н. Очистка сточных вод в молочной промышленности // Молочная промышленность. 2020. № 8. C. 26-29.
6 Babenyshev S., Mamay D., Bratsikhin A., Borisenko A. et al. Ultrafiltration of cottage cheese whey for cleaning of nitrogenous substances // Journal of Hygienic Engineering and Design. 2021. V. 33. P. 219-224.
7 Saguy I.S., Roos Y.H., Cohen E. Food engineering and food science and technology: Forward-looking journey to future new horizons // Innovative Food Science & Emerging Technologies. 2018. V. 47. P. 326-334.
8 Maubois J.L. Ultrafiltration of Whey // International Journal of Dairy Technology. 1980. V. 33. № 2. P. 55-58.
9 Sedelkin V.M., Surkova A.N., Pachina O.V., Potehina L.N. et al. Simulation of membrane ultrafiltration of secondary raw milk // Petroleum Chemistry. 2016. V. 56. № 4. P. 367-378.
10 Aydogdu T., Ho Q.T., Ahrne L., O'Mahony J.A.et al. The influence of milk minerals and lactose on heat stability and age-thickening of milk protein concentrate systems // International Dairy Journal. 2021. V. 118. P. 105037. doi: 10.1016/j .idairyj .2021.105037
11 Karim A., Aider M. Production of prebiotic lactulose through isomerisation of lactose as a part of integrated approach through whey and whey permeate complete valorisation: A review // International Dairy Journal. 2022. V. 126. P. 105249. doi: 10.1016/j .idairyj .2021.105249
12 Pombo A.F.W. Cream cheese: Historical, manufacturing, and physico-chemical aspects // International Dairy Journal. 2021. V. 117. P. 104948. doi: 10.1016/j.idairyj.2020.104948
13 Cordova A., Astudillo-Castro C., Ruby-Figueroa R., Valencia P. et al. Recent advances and perspectives of ultrasound assisted membrane food processing // Food Research International. 2020. V. 133. P. 109163. doi: 10.1016/j.foodres.2020.109163
14 Arranz E., Corrochano A.R., Shanahan C., Villalva M. et al. Antioxidant activity and characterization of whey protein-based beverages: Effect of shelf life and gastrointestinal transit on bioactivity // Innovative Food Science & Emerging Technologies. 2019. V. 57. P. 102209. doi: 10.1016/j. ifset.2019.102209
15 Ali F., Tian K., Wang Z. X. Modern techniques efficacy on tofu processing: A review // Trends in Food Science & Technology. 2021. V. 116. P. 766-785. doi: 10.1016/j.tifs.2021.07.023
16 Wu G., Hui X., Stipkovits L., Rachman A. et al. Whey protein-blackcurrant concentrate particles obtained by spray-drying and freeze-drying for delivering structural and health benefits of cookies // Innovative Food Science & Emerging Technologies. 2021. V. 68. P. 102606. doi: 10.1016/j. ifset.2021.102606
17 Gulec H.A., Cinar K., Bagci U., Bagci P.O. Production of concentrated whey beverage by osmotic membrane distillation: Comparative evaluation of feed effect on process efficiency and product quality // International Dairy Journal. 2021. V. 121. P. 105115. doi: 10.1016/j.idairyj.2021.105115
18 Burgain J., Gaiani C., Cailliez-Grimal C., Jeandel C. et al. Encapsulation of Lactobacillus rhamnosus GG in microparticles: Influence of casein to whey protein ratio on bacterial survival during digestion // Innovative Food Science & Emerging Technologies. 2013. V. 19. P. 233-242. doi: 10.1016/j.ifset.2013.04.012
19 Melnikova E.I., Losev A.N., Stanislavskaya E.B. Microparticulation of caseic whey to use in fermented milk production // Foods and Raw materials. 2017. V. 5. №. 2. P. 83-93.
20 Odell O.J., Wallis G.A. The application of lactose in sports nutrition // International Dairy Journal. 2021. V. 116. P. 104970. doi: 10.1016/j.idairyj.2020.104970
21 ГОСТ 31534-2012. Творог зерненый. Технические условия. М.: Стандартинформ, 2014.
22 Bakalis S., Valdramidis V.P., Argyropoulos D., Ahrne L. et al. Perspectives from CO+ RE: How COVID-19 changed our food systems and food security paradigms // Current Research in Food Science. 2020. V. 3. P. 166. doi: 10.1016/j.crfs.2020.05.003
23 Тимкин В.А., Горбунова Ю.А. Последовательная микро-и ультрафильтрация в процессе производства творога // Мембраны и мембранные технологии. 2017. Т. 7. №. 4. С. 284-292.
24 Ayseli Y.I., Aytekin N., Buyukkayhan D., Aslan I. et al. Food policy, nutrition and nutraceuticals in the prevention and management of COVID-19: Advice for healthcare professionals // Trends in Food Science & Technology. 2020. V. 105. P. 186-199. doi: 10.1016/j.tifs.2020.09.001
References
1 Babenyshev S.P. et al. Complex method of clarification of secondary dairy raw materials. Dairy industry. 2018. no. 9. pp. 66-68. (in Russian).
2 Babenyshev S.P. et al. Method for obtaining a whey fruit and vegetable drink. 2016. (in Russian).
3 Shifrin S.M., Ivanov G.V., Mishukov B.G., Feoranov Yu.A. Wastewater treatment of the meat and dairy industry. Light and food industry 1981. 272 p. (in Russian).
4 SanPiN 2.1.4.1074-01. Drinking water. Hygienic requirements for water quality of centralized drinking water supply systems. Quality control. (in Russian).
5 Semenov V.V., Lugovkin A.N. Wastewater treatment in the dairy industry. Dairy industry. 2020. no. 8. pp. 26-29. (in Russian).
6 Babenyshev S., Mamay D., Bratsikhin A., Borisenko A. et al. Ultrafiltration of cottage cheese whey for cleaning of nitrogenous substances. Journal of Hygienic Engineering and Design. 2021. vol. 33. pp. 219-224.
7 Saguy I.S., Roos Y.H., Cohen E. Food engineering and food science and technology: Forward-looking journey to future new horizons. Innovative Food Science & Emerging Technologies. 2018. vol. 47. pp. 326-334.
8 Maubois J.L. Ultrafiltration of Whey. International Journal of Dairy Technology. 1980. vol. 33. no. 2. pp. 55-58.
9 Sedelkin V.M., Surkova A.N., Pachina O.V., Potehina L.N. et al. Simulation of membrane ultrafiltration of secondary raw milk. Petroleum Chemistry. 2016. vol. 56. no. 4. pp. 367-378.
10 Aydogdu T., Ho Q.T., Ahrné L., O'Mahony J.A.et al. The influence of milk minerals and lactose on heat s tability and age-thickening of milk protein concentrate systems. International Dairy Journal. 2021. vol. 118. pp. 105037. doi: 10.1016/j .idairyj .2021.105037
11 Karim A., Aider M. Production of prebiotic lactulose through isomerisation of lactose as a part of integrated approach through whey and whey permeate complete valorisation: A review. International Dairy Journal. 2022. vol. 126. pp. 105249. doi: 10.1016/j.idairyj.2021.105249
12 Pombo A.F.W. Cream cheese: Historical, manufacturing, and physico-chemical aspects. International Dairy Journal. 2021. vol. 117. pp. 104948. doi: 10.1016/j.idairyj.2020.104948
13 Córdova A., Astudillo-Castro C., Ruby-Figueroa R., Valencia P. et al. Recent advances and perspectives of ultrasound assisted membrane food processing. Food Research International. 2020. vol. 133. pp. 109163. doi: 10.1016/j.foodres.2020.109163
14 Arranz E., Corrochano A.R., Shanahan C., Villalva M. et al. Antioxidant activity and characterization of whey protein-based beverages: Effect of shelf life and gastrointestinal transit on bioactivity. Innovative Food Science & Emerging Technologies. 2019. vol. 57. pp. 102209. doi: 10.1016/j.ifset.2019.102209
15 Ali F., Tian K., Wang Z. X. Modern techniques efficacy on tofu processing: A review. Trends in Food Science & Technology. 2021. vol. 116. pp. 766-785. doi: 10.1016/j.tifs.2021.07.023
16 Wu G., Hui X., Stipkovits L., Rachman A. et al. Whey protein-blackcurrant concentrate particles obtained by spray-drying and freeze-drying for delivering structural and health benefits of cookies. Innovative Food Science & Emerging Technologies. 2021. vol. 68. pp. 102606. doi: 10.1016/j. ifset.2021.102606
17 Gulec H.A., Cinar K., Bagci U., Bagci P.O. Production of concentrated whey beverage by osmotic membrane distillation: Comparative evaluation of feed effect on process efficiency and product quality. International Dairy Journal. 2021. vol. 121. pp. 105115. doi: 10.1016/j.idairyj.2021.105115
18 Burgain J., Gaiani C., Cailliez-Grimal C., Jeandel C. et al. Encapsulation of Lactobacillus rhamnosus GG in microparticles: Influence of casein to whey protein ratio on bacterial survival during digestion. Innovative Food Science & Emerging Technologies. 2013. vol. 19. pp. 233-242. doi: 10.1016/j.ifset.2013.04.012
19 Melnikova E.I., Losev A.N., Stanislavskaya E.B. Microparticulation of caseic whey to use in fermented milk production. Foods and Raw materials. 2017. vol. 5. no. 2. pp. 83-93.
20 Odell O.J., Wallis G.A. The application of lactose in sports nutrition. International Dairy Journal. 2021. vol. 116. pp. 104970. doi: 10.1016/j.idairyj.2020.104970
21 GOST 31534-2012. Cottage cheese grained. Specifications. Moscow, Standartinform, 2014. (in Russian).
22 Bakalis S., Valdramidis V.P., Argyropoulos D., Ahrne L. et al. Perspectives from CO+ RE: How COVID-19 changed our food systems and food security paradigms. Current Research in Food Science. 2020. vol. 3. pp. 166. doi: 10.1016/j.crfs.2020.05.003
23 Timkin V.A., Gorbunova Yu.A. Sequential micro- and ultrafiltration in the process of cottage cheese production. Membrane and membrane technologies. 2017. vol. 7. no. 4. pp. 284-292. (in Russian).
24 Ayseli Y.I., Aytekin N., Buyukkayhan D., Aslan I. et al. Food policy, nutrition and nutraceuticals in the prevention and management of COVID-19: Advice for healthcare professionals. Trends in Food Science & Technology. 2020. vol. 105. pp. 186-199. doi: 10.1016/j.tifs.2020.09.001
Сведения об авторах
Дмитрий С. Мамай к.т.н., доцент, кафедра пищевых технологий и инжиниринга, Северо-Кавказский федеральный университет, ул. Пушкина, 1, г. Ставрополь, 355017, Россия, dima-mamaj@ya ги
ЬИрвУ/огиа'ог^ОООО-ООО 1 -6221-8230 Сергей П. Бабенышев д.т.н., профессор, кафедра пищевых технологий и инжиниринга, Северо-Кавказский федеральный университет, ул. Пушкина, 1, г. Ставрополь, 355017, Россия, [email protected]
https://orcid.Org/0000-0002-1784-0837 Ангелина В. Мамай аспирант, кафедра пищевых технологий и инжиниринга, Северо-Кавказский федеральный университет, ул. Пушкина, 1, г. Ставрополь, 355017, Россия, [email protected]
https://orcid.org/0000-0003-1043-1325 Вадим А. Иванец аспирант, кафедра пищевых технологий и инжиниринга, Северо-Кавказский федеральный университет, ул. Пушкина, 1, г. Ставрополь, 355017, Россия, [email protected]
Ьйрв ://огск1. огё/0000-0001-7715-6271 Дмитрий С. Хоха к.т.н., инженер, общество с ограниченной ответственностью "ДМП", ул. Дзержинского, 160, г. Ставрополь, 355003, Россия, [email protected] https://orcid.Org/0000-0003-0568-7027
Вклад авторов
Все авторы в равной степени принимали участие в написании рукописи и несут ответственность за плагиат
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Information about authors
Dmitry S. Mamai Cand. Sci. (Engin.), associate professor, food technology and engineering department, North Caucasus Federal University, Pushkin str., 1, Stavropol, 355017, Russia, dima-mamaj@ya ru
https://orcid.org/0000-0001 -6221-8230 Sergey P. Babenyshev Dr. Sci. (Engin.), professor, food technology and engineering department, North Caucasus Federal University, Pushkin str., 1, Stavropol, 355017, Russia, [email protected]
https://orcid.org/0000-0002-1784-0837 Angelina V. Mamai graduate student, food technology and engineering department, North Caucasus Federal University, Pushkin str., 1, Stavropol, 355017, Russia, [email protected]
https ://orcid. org/0000-0003 -1043-1325 Vadim A. Ivanets graduate student, food technology and engineering department, North Caucasus Federal University, Pushkin str., 1, Stavropol, 355017, Russia, ivanets. vadim@ya .ru
https://orcid.org/0000-0001-7715-6271 Dmitry S. Khokha Cand. Sci. (Engin.), engineer, DMP Ltd., Dzerzhinsky Street, 160, Stavropol, 355003, Russia, [email protected] https://orcid.org/0000-0003-0568-7027
Contribution
All authors are equally involved in the writing of the manuscript and are responsible for plagiarism
Conflict of interest
The authors declare no conflict of interest.
Поступила 18/01/2022 После редакции 03/02/2022 Принята в печать 22/02/2022
Received 18/01/2022 Accepted in revised 03/02/2022 Accepted 22/02/2022
QernHux&TWMT/Proceedmgs of VSUET, T84, № 1, 2022 -
Original article_
DOI: http://doi.org/10.20914/2310-1202-2022-1-222-225
Simulation of ethylene oxide production from ethylene cholorhydrin
Elrafie A. A. Allah 1 [email protected]
A. Elhameed M.O. Kasif 1 [email protected]
Yasir A. Mohamed 1 [email protected] _Ayat A. Elkhalig H. Mahmoud 1 [email protected]_
1 Department of Chemical Eninginermg , Faculty of Engineering and Technical Studies, University of El Imam El Mahadi, Kosti, , Sudan Summary. This research has been performed in the Ethylene Oxide production process. It is a flammable and colorless gas at temperatures above 11 °C. It is an important commodity chemical for the production of solvents, antifreeze, textiles, detergents, adhesives, polyurethane foam, and pharmaceuticals. Small amounts of Ethylene Oxide [EO] are used in manufacturing fumigants and sterilants for spices and cosmetics, as well as hospital sterilization for surgical equipment. Modern Ethylene oxide [EO] productions employ either air or oxygen (O2)to oxidize ethylene (C2H4) with a silver catalyst on an alumina oxide carrier[Ag/Al2O3]catalyst packed in a fixed-bed reactor (plug-flow reactor)but the oxygen-base reaction process is more desirable here we used oxygen. Mainly two reactions occur, partial oxidation of ethylene to ethylene oxide and total oxidation of ethylene to carbon dioxide and water. The design models of the process in this research based on a three-part system. They are: the reaction system, absorption system and Ethylene Oxide [EO] purification system. The largest cost in production of ethylene oxide is ethylene therefore, it's important to optimize the selectivity towards ethylene oxide and thus reduce the consumption of Ethylene. The aim of this work is to create a simulation model of the Ethylene Oxide production process from Ethylene using Aspen Hysys V9. Also to knowing the optimum operational conditions (temperature -pressure -flow rate) for the oxidation reactions of Ethylene. The simulation was running three times with various operational conditions to make a good result. The conclusion was that during operational time the activation energy increased for both reactions which have to be compensated with increasing reactor temperature. At the same time the selectivity for producing Ethylene Oxide decreases, i.e. more carbon
dioxide and water are formed. The simulation models yield Ethylene Oxide with purity of 99.2%._
Keywords: simulation, municipal solid, gasification, fixed bed reactor, pyrolysis, gibbs energy, rgibbs model, gasifier_
Introduction
Ethylene: Ethylene is widely used in chemical industry, and its worldwide production (over 109 million ton in 2006) exceeds that of any other organic compound. It mostly used to produce three chemical compounds: Ethylene Oxide, Ethylene dichloride, Ethyl benzene, and a variety kinds of Polyethylene. Moreover, it is an ideal base material for many other petrochemicals, as it is readily available at high purity, low cost, and usually reacts with other low cost components, such as Oxygen and water. Currently, Ethylene is produced in the petrochemical industry by thermal cracking of a lkanes such as Ethane, Propane, Butane, Naphtha and gas oil. The choice of feedstock is an important economic issue as it influences other costs as well. In this process, feed stocks are heated to 700 - 900oC. This process converts large hydrocarbons into smaller ones and introduces un saturation. The reactor effluent is quickly quenched to avoid further reaction, then compressed, and finally sent to a separation unit for the recovery of Ethylene and other products such as Methane, Ethane, propane, Propylene, Butylenes, and Pyrolysis gasoline. Ethylene Oxide (EO) is a flammable and colorless gas at temperatures above 11 °C, which smells like ether at toxic
Для цитирования Elrafie A.A. Allah, A. Elhameed. M.O. Kasif, Yasir A. Mohamed, Ayat A. Elkhalig. H. Mahmoud Simulation of ethylene oxide production from ethylene cholorhydrin // Вестник ВГУИТ. 2022. Т 84. № 1. С. 222-225. doi: 10.20914/2310-1202-2022-1 -222-225
levels. It is an important commodity chemical for the production of solvents, antifreeze, textiles, detergents, adhesives, polyurethane foam, and pharmaceuticals. Small amounts of EO are used in manufacturing fumigants and sterilants for spices and cosmetics, as well as hospital sterilization for surgical equipments. Modern EO productions employ either air or Oxygen (02) to oxidize Ethylene (C2H4) with Ag/Al2 03 catalyst packed in a fixed-bed reactor (plug-flow reactor). The Oxygen-based reaction process is more desirable because of four major benefits: (i) higher productivity and selectivity; (II) lower initial capital costs; (III) less expensive catalyst required; and (IV) less air pollutants resulting from the purge gas .Industrial production of Ethylene Oxide:
1. Wurtz-process:
2. Direct oxidation process:
Materials and Methods
Simulation: Simulation is a situation in which a particular set of conditions is created artificially in order to study or experience something that could really exist in reality. It is the act if pretending that something is real when it is not. A computer simulation is an attempt to model a real-life or hypothetical situation on a computer so that it can be studied to see how the system works.
For citation
Elrafie A.A. Allah, A. Elhameed. M.O. Kasif, Yasir A. Mohamed, Ayat A. Elkhalig. H. Mahmoud Simulation of ethylene oxide production from ethylene cholorhydrin. Vestnik VGUIT [Proceedings of VSUET]. 2022. vol. 84 no. 1. pp. 222-225. doi:10.20914/2310-1202-2022-1-222-225
