Моделирование технологических приемов и режимов отбора сивушных масел при производстве пищевого спирта Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

Отбор и возврат пробы

Управление

технологическим Ре зультат

процессом

траций, регламентированных требованиями соответствующих ГОСТ и ТУ.

Использование нового инструментального метода экспресс-анализа фосфолипидов в растительных маслах позволило перейти от уровня лабораторного контроля к контролю в потоке и, следовательно, к управлению технологическими процессами переработки масел в системе АСУТП.

На рисунке представлена схема организации менеджмента качества технологических процессов на основе нового инструментального метода анализа.

Наряду с контролем массовой доли фосфолипидов, важной частью контроля качества масел и жиров является определение содержания свободных жирных кислот (СЖК) или кислотного числа. Значение этого показателя не только определяет градацию качества ма-сели жиров, но и служит критерием эффективности ведения технологических процессов их рафинации и достоверности стабильности масел при хранении и дальнейшей переработке.

Разработка специалистов кафедры представляет собой метод pH-метрического определения кислотности в потоке растительных масел и жиров, а также пилотную установку для его реализации [2].

Предложенный метод базируется на инструментальном анализе pH системы, содержащей свободные жирные кислоты, экстрагируемые из масла специаль-

ным реагентом в термостатируемом смесителе специальной конструкции.

Преимущества предлагаемого метода и его аппаратурного оформления состоят в следующем:

простота определения;

оперативность анализа, определяемая скоростью экстракции свободных жирных кислот, не превышает 3 мин;

отсутствие необходимости в сложном дорогостоящем оборудовании;

использование нетоксичного безопасного реагента;

возможность использования для автоматизированного контроля и управления процессами рафинации масел и жиров на производственных линиях;

обеспечение требуемого диапазона измерения кислотности: от 0,01 до 4%, что соответствует значениям нормируемого отечественными ГОСТ на растительные масла показателя кислотного числа от 0,02 до 8 мг КОН/г.

Новизна предлагаемого метода заключается в том, что он ориентирован для использования в целях анализа кислотности в липидных системах, например в маслах, характеризующихся низкой полярностью.

ЛИТЕРАТУРА

1. Герасименко Е.О., Кравчук Н.С. Определение массовой доли фосфолипидов в растительных маслах // Материалы Меж-дунар. конф. «Масложировая промышленность и ее влияние на пищевую индустрию». - СПб., 2001. - С. 41-42.

2. Герасименко Е.О., Юхвид И.М., Бутина Е.А. Разработка рН-метрического метода контроля содержания свободных жирных кислотврастительных маслах//МатериалыВсерос. конф. с междунар. участием «Пищевые технологии» на базе факультета пищевой инженерии Казанского гос. технолог, ун-та. - Казань, 2007. -С. 23-24.

Кафедра технологии жиров, косметики и экспертизы товаров

Поступила 26.03.08 г.

Технологический

процесс

Регули-

рование

Авто матиче ский анализатор

663.551.7

МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРИЕМОВ И РЕЖИМОВ ОТБОРА СИВУШНЫХ МАСЕЛ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ПИЩЕВОГО СПИРТА

Х.Р. СИЮХОВ, В.В. АРТАМОНОВА, Е.Н. КОНСТАНТИНОВ,

О.В. МАРИНЕНКО

Майкопский государственный технологический университет Кубанский государственный технологический университет

Основной технологической задачей брагоректифи-кации при получении высококачественного пищевого спирта является его освобождение от примесей и обеспечение высокого выхода от потенциала, а не достижение очень высокой крепости спирта. Одной из примесей, существенно снижающих органолептические показатели продукта, являются сивушные масла. Их удаляют путем отбора с нижних тарелок спиртовой колонны сивушной фракции в паровой фазе, конденсации паров, извлечения из конденсата этилового спирта с возвратом его в цикл брагоректификационнойусганов-

ки (БРУ) [1]. Наиболее распространенным на спиртовых заводах способом извлечения является жидкостная экстракция спирта водой. Применяется одноступенчатая или многоступенчатая последовательная экстракция. Противоточная экстракция практически не используется на БРУ, хотя имеет принципиальные преимущества по селективности разделения. Представляется целесообразным сравнение у казанных технологических приемов с целью совершенствования технологической схемы и режима работы БРУ. Для решения этой задачи эффективно применение методов математического моделирования.

В настоящей статье рассматриваются математические модели расслаивания и противоточной экстракции этанола водой из сивушных фракций с последующим использованием их для моделирования БРУ как

сложной технологической системы и ее совершенствования.

Ранее была разработана математическая модель расслаивания сивушных фракций [2], в которой основное внимание было уделено определению начального приближения по равновесным коэффициентам распределения. Однако опыт расчетов по этой модели показал, что не всегда обеспечивается сходимость вычислений Для совершенствования модели выполним ее аналитический и расчетный анализ.

Расслаивающиеся смеси спиртового производства, содержащие сивушные масла, являются многокомпонентными. В общем случае при анализе фазового равновесия расслаивающиеся многокомпонентные системы характеризуются весьма сложным фазовым портретом. Опыт разделения этих смесей показывает, что они не образуют при расслаивании более двух жидких фаз, большинство компонентов в них имеют низкую концентрацию, являясь примесными, сивушные масла состоят в основном из н-пропанола, изобутанола и изо-амилола, соотношение между концентрациями которых изменяется в небольших пределах. Эго позволяет при анализе ситуаций, важных с точки зрения решения технологических задач, анализировать систему сивуш-ноемасло-этано!ь-вода как 3-компонентную. Согласно правилу фаз Гиббса, число степеней свободы такой системы равно трем. При решении задачи расслаивания исходной смеси заданного количества и состава появляются еще две неизвестных: количества фаз, получающихся при равновесном расслаивании, т. е. число неизвестных становится равным пяти. Поэтому при задании давления и температуры и записи трех у равнений материального баланса получается замкнутая система уравнений.

Для исходной смеси в количестве 1 моль имеем следующую систему:

общий материальный баланс

/' + /" = 1; (1)

покомпонентный баланс

l'x'i+l"xlil=zi ; уравнение равновесия

x"=K.x',

(2)

(3)

у'

где Кх = — - коэффициент распределения; у'коэффици-

'у,"

енты активности и концентрации /-го компонента в каждой из двух жидких фаз; I\ I" - доли фаз; ^ - концентрация /-го компонента в исходной смеси.

Из уравнений (1)—(3) имеем

(4)

i Kt + l\ 1-KiY

Складывая по всем компонентам, из уравнения (4) получим

cp=J>;-i=o.

(5)

Основной проблемой при решении системы нелинейных уравнений(1 )-(5) является обеспечение сходимости вычислений [2-5], что связано с сильной зависи-

мостью коэффициентов активности от состава. К тому же решение не является единственным и не всегда имеет физический смысл, в частности получаются отрицательные значения мольных долей. Легко видеть, что функция, определенная уравнениями (4) и (5), в зависимости от I' имеет точки разрыва, число которых равно числу компонентов. Действительно, в точке разрыва функции ф —> i оо, что имеет место при

Kf + l' ( 1—К,. ) —» 0 или при I’ —» -——. Из этого соот-

' ' ' К, -1

ношения следует, что для К/ >1 // > 1, а для К/ < 1 // < 1. Область без разрывов функции определится тогда соотношением 0 < V < 1. Область х' < 0 также не имеет физического смысла. Этому случаю отвечает условие Kf + ^(l—-ST,) <0. Согласно этому условию, для К'. < 1 отрицательных х, нет, а для К f >1 величина

1.

К,-1

/

Из проведенного анализа следует, что корень функции ф(^) может быть найден пошаговым методом в области, определенной соотношением 0 < /' < 1 Если при этом корень окажется тривиальным (/' = 1), то начальные значения Kj для поиска заданы неудачно или смесь не расслаивается. Метод определения начальных значений Kj предложен в работе [2]. В настоящей работе на основе многочисленных расчетов установлено, что для реально встречающихся в технологической практике составов сивушных фракций хорошим начальным приближением являются следующие значения коэффициентов распределения А',: для воды 0,3; для этанола 1,5; для остальных компонентов 13.

При поиске корня одновременно определяются составы обеих фаз, по которым рассчитываются с использованием метода UNIQUAC уточненные значения коэффициентов распределения, и далее расчет выполняется методом простых итераций.

Еще один вопрос возникает в связи с известным из термодинамического анализа фактом возможности получения двух решений в случае наличия трех минимумов на кривой зависимости энергии Гиббса от состава бинарной смеси [6]. Нами установлено, что эта ситуа-

Таблица 1

Исходный состав Жидкая фаза I, мол. дол. Жидкая фаза II, мол. дол. Коэффициенты распределения

Компоненты мол. дол. задан- ные расчет- ные

Изоамилол 0,1100 0,00405 0,41069 13 0,0099

Этанол 0,0001 0,00005 0,00024 1,5 0,2003

Вода 0,8899 0,99590 0,58906 0,3 1,6907

Расчетная доля фазы 0,2606.

Таблица 2

Исходный состав Жидкая фаза I, мол. дол. Жидкая фаза II, мол. дол. К оэффициенты распределения

Компоненты мол. дол. задан- ные расчет-ные

Изоамилол

Этанол

Вода

0,1100 0,41069 0,00405 13 101,4623

0,0001 0,00024 0,00005 1,5 4,9921

0,8899 0,58906 0,99590 0,3 0,5915

Расчетная доля фазы 0,7394.

z

i= 1

ция не имеет места в смесях вода-сивушные масла. Однако в двух независимых расчетах может быть получено два решения, как приведено ниже для смеси изо-амилол-этанол-вода. На самом деле это одно и то же решение. Поэтому для определения, какая фаза является легкой, необходимо предусмотреть расчет плотностей фаз.

Расчетные данные составов равновесных фаз при 20°С приведены в табл. 1 и 2.

Таким образом, по расчету с разными начальными (заданными) коэффициентами распределения получается различный состав I фазы. Также различаются и расчетные доли I фазы. После расчета плотностей установлено, что по данным табл. 1 легкой фазой является фаза I, а табл. 2 легкой является фаза II, что видно и по расчетным составам в этих фазах. Следовательно, в табл. 1 и 2 представлено одно и то же решение задачи при одних и тех же исходных данных, как было указано выше.

Управляющая программа расчета противоточной 3-ступенчатой экстракции представлена на рисунке. Она состоит из 4 блоков: исходных данных, базы свойств по компонентам, собственно управляющей программы и печати результатов расчета. В управляющую программу входят модули исходных данных по сивушной смеси и воды, включающие расход, давление, температуру и состав. Программный модуль процесса смешения включает расход, состав, температуру и давление по смешиваемым потокам. Жирными линиями обозначены исходные (1, 9) и прямые (2, 3, 5,

6) информационные потоки, жирными пунктирными линиями - рецикловые информационные потоки (-7, -8). Знак «минус» перед информационным потоком является идентификатором рецикла, обеспечивающим сходимость методом простых итераций, по которому расчет повторяется с заданным числом итераций. Расчеты показывают, что с точки зрения результатов по составу и расходу выходных потоков число итераций равное 10 обеспечивает заданную точность сходимости составов до Ю40.

Модели расслаивания и экстракции использованы для определения целесообразности замены одноступенчатой экстракции этанола водой из фракции с иву ш-ных масел на многоступенчатую противоточную. Моделировалась брагоректификационная установка Майкопского спиртзавода, работающая по схеме косвенного действия. В качестве исходных использовали данные обследования завода. Состав бражки, полученной при переработке смеси зерна сорго, пшеницы и ржи, взят по данным хроматографического анализа. Крепость бражки 8,9% об. В связи с высоким содержанием в сырье БРУ эфиров и сивушных спиртов при получении спирта марки Экстра отбиралось 10% эфироальдегидной фракции и 3% фракции сивушных спиртов с 22-й тарелки спиртовой колонны, которая возвращалась в передаточный чан. Предварительными расчетами определены тарелки и величины отбора сивушных масел из условия минимальной величины отбора и при соблюдении ограничений, связанных с заданным качеством ректификованного спирта. При производительности БРУ 2800 дал/сут сивушные масла отбирались с 5-й и 7-й тарелок в количестве 4 и 2% соответственно. На экстракцию подавалось 200 дал/сутводы. В резуль-

ЁпбТ аі и а ааі і А а пТ пбаа ёпбТ а( Т ё пёаб0 (Тёп] апг,, ёТёё-^апбаТ ёпбТ а(Тё пёаб0 (Тёп] ап&5„ ё аТай Єа, баі Ї абаббба Ї 6Т баппа баппёаёаа( ёу

Аада паї ёпба ї Т ёТ і

т

Ыёаб0 і ау пі апА

I

І 6Т аЗаі і і и с і і а оси ї 6Т баппа пі а0 аі ёу

I Т апё-аов і ау аі аа а ї абаааої і й ё -=-аі

I

І 6Т аЗаі і і и ё і Табёи Ї 6Т баппа баппёаёаа( ёу аээаёТ пой аээаёТ пой

Ёааэау б адг

І 6Т аЗаі і і й ё і Т абёй їбї баппа пі а0 аі ёу

Суаэаёау б ада

I АТ а а |

(9)—>'

I

І 6Т аЗаі і і А ё і Табёй Ї 6Т баппа баппёаёаа( ёу зжаёТ пой аээаёТ пой

Ёааэау б адг

І 6Т аЗаі і і й ё і Т абёй їбї баппа пі а0 а і ёу

Суазаёау б ада

I

І бї аЗаі і і А ё і ТабёА ї бї баппа баппёаёаа(ёу аээаёТ пбА аээаёТ пбА

1\1ёао0 і Т а і апёТ і а пёёаа

I а-^-аоА бапбТ аТ а ё пТ пбааТ а пёао0 і Т аі і апёа ё їїапёаб0іЇё аТаА

тате одноступенчатой экстракции получено 17,8 дал сивушного масла с содержанием 11,5% об. этанола и 20% об. воды.

Для тех же производительности установки и процентов отбора сивушных масел в случае применения противоточной экстракции содержание этанола в сивушном масле снизилось с 11,5 до 0,4% об., а воды с 20 до 18% об. В итоге получено 14 дал сивушного масла с более высоким содержанием сивушных спиртов - 81,6 вместо 68,5% об.

Таким образом, противоточная экстракция обеспечивает практически полную утилизацию этанола из фракции сивушных масел и рекомендуется к внедрению в производство.

ЛИТЕРАТУРА

1. Цыганков П.С. Ректификационные установки спиртовой промышленности: расчет, анализ работы, эксплуатация. - М.: Легкая и пищевая пром-сть, 1984. - 336 с.

2. Мариненко О.В., Короткова Т.Г., Сиюхов Х.Р. Метод расчета процесса расслаивания многокомпонентных спиртовых смесей // Изв. вузов. Пищевая технология. - 2006. - № 2-3. - С. 104—107.

3. Бабурина JI.B., Маклашина Н.С. Моделирование равновесий жидкость-жидкость-пар для бинарных и трехкомпонентных систем // Журн. физ. химии. -1997. - 71. -№ 1. - С. 86-90.

4. Математическое моделирование при помощи электронно-вычислительной машины равновесия жидкость-жидкость-пар многокомпонентных смесей. IV. Расчет равновесия жидкость-жид-

кость / Ж.А. Бриль, A.C. Мозжухин, Ф.Б. Петлюк и др. // Журн. физ. химии. - 1973. - 47. - № 11. - С. 2774-2777.

5. Уэйлес С. Фазовые равновесия в химической технологии: В 2 кн. / Под ред. B.C. Бескова; Пер. с англ. - М.: Мир, 1989.

6. Рид Р., Праусниц Дж., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей - Л.: Химия, 1982. -591 с.

Кафедра технологии бродильных производств и виноделия Кафедра процессов и аппаратов пищевых производств

Поступила 11.03.08 г.

621.31.004.18

РАЗРАБОТКА ДИАГРАММ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ С ИНЕРЦИОННЫМИ ПРЕОБРАЗОВА ТЕЛЯМИ И УПРУГИМИ ВАЛОПРОВОДАМИ

Ю.П. ДОБРОБАБА, Ю.В. ДОБРОБАБА

Кубанский государственный технологический университет

В настоящее время позиционные электроприводы с инерционными преобразователями как с идеальными, так и упругими валопроводами нашли широкое применение в различных отраслях пищевой промышленности. В данной работе рассматриваются позиционные электроприводы с инерционными преобразователями и упругими валопроводами.

Для позиционных электроприводов с импульсными (безынерционными) преобразователями и упругими валопроводами используются следующие три вида диаграмм перемещения электроприводов:

диаграмма для малых перемещений электроприводов с ограничением четвертой производной скорости исполнительного органа механизма, состоящая из 11 этапов;

диаграмма для средних перемещений электроприводов с ограничениями первой, второй и четвертой производных скорости исполнительного органа механизма, состоящая из 13 этапов.

диаграмма для больших перемещений электроприводов с ограничениями скорости исполнительного органа механизма и ее первой, второй и четвертой производных, состоящая из 15 этапов.

Реализация данных диаграмм в электроприводах с инерционными преобразователями и упругими валопроводами приведет к несанкционированным перемещениям исполнительных органов технологических установок.

Проведенные нами исследования позволяют предложить для позиционных электроприводов с инерционными преобразователями и упругими валопроводами следующие три вида диаграмм перемещения электроприводов:

диаграмма для малых перемещений электроприводов с ограничением пятой производной скорости исполнительного органа механизма, состоящая из 22 этапов;

диаграмма для средних перемещений электроприводов с ограничениями первой, второй и пятой произ-

водных скорости исполнительного органа механизма, состоящая из 26 этапов;

диаграмма для больших перемещений электроприводов с ограничениями скорости исполнительного органа механизма и ее первой, второй и пятой производных, состоящая из 27 этапов.

На рис. 1 представлена диаграмма для малых перемещений электроприводов с инерционными преобразователями и упругими валопроводами (зависимости от времени ?, с: перемещения исполнительного органа механизма 5^ скорости исполнительного органа механизма Г2; 1,2, 3,4, 5- й производных скорости испо лни-

л(4)

О

тельного органа механизма ¥2( ’ , ¥2( ’, ¥2( ’, V при ограничении 5-й производной скорости исполни-

^2. м

I I I I I I I

0,01------1--------1------1-------1-------I-------1—

0,3 0,4

Рис. 1

0,6 0,7 0,81, с

К , м/с

0

0,1

0.2