CC BY
93
полого конуса [6]. Анолит из форсунок под давлением 1,0 МПа орошает свеклу и удаляется из секции через перфорацию барабана в отделение с высоким уровнем воды комбинированной свекломойки.
Проведены расчеты предложенного агрегата и установлено, что диаметр тангенциального канала намного меньше диаметра вихревой камеры. Поэтому вследствие малой разности скоростей смешивающих струй потери энергии от гидроудара будут невелики. Полученные размеры дозирующих элементов форсунки - вихревой камеры и сопла - учтены при разработке ее конструкции.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, грант № 08-08-99072.
ЛИТЕРАТУРА
1. Силин П.М. Технология свеклосахарного и рафинадно -го производства. МПищепромиздат, 1958.
2. Гребенюк С.М., Малахов Н.Н., Плаксин Ю.М., Вино -градов К.И. Технологическое оборудование сахарных заводов. -М.: КолосС, 2007. - 520 с.
3. Максимук Е.П., Максимук П.С. Технологическое обо -рудование свеклосахарных заводов. - Кишинев: Типография «Реклама», 2003. - 396 с.
4. Славянский А.А. Технологическое оборудование сахарных заводов: классификация, техническая характеристика, рас -четы, компоновка. - М.: Издат. комплекс МГУПП, 2006.
5. Володько Л.Е., Мгебришвили Т.В., Медведев О.К., Алехин С.А. Бактерицидное воздействие электрохимически обработанных жидких систем // Изв. вузов. Пищевая технология. - 1992. - № 2. - С. 30-32.
6. Пажи Д.Т., Прахов А.М., Равикович Б.В. Форсунки в химической промышленности. - М.: Химия, 1971. - 221 с.
Поступила 29.09.08 г.
INTENSIFICATION OF SUGAR BEET WASHING IN BEETROOT UNIT
EG. STEPANOVA, VS. RUBAN, A.V. VASILYEV
Kuban State Technological University,
2, Moskovskaya st., Krasnodar, 350072; e-mail: k-mapp@kubstu.ru
To improve the effect of sugar beet cleaning a new beetroot unit incorporating a cylinder beet washer, a combined sectional installation and a worm jet rinser has been developed. It has been suggested that the electroactivated aqueous solution, conveyed via centrifugal sprayers, be used at the stage of the raw material rinsing.
Key words: beetroot unit, jet rinser, centrifugal sprayer, electrochemical activator, anolyte.
663.551.4
ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО РЕЖИМА РЕКТИФИКАЦИИ СПИРТА С УЧЕТОМ ВЕЛИЧИНЫ НАСЫЩЕНИЯ ЖИДКОЙ ФАЗЫ ЭТАНОЛОМ И СИВУШНЫМИ СПИР ТАМИ
Х.Р. СИЮХОВ 1, Р.Н. ПАНЕШ 1, О.В. МАРИНЕНКО 1, Е.Н. КОНСТАНТИНОВ 2
1 Майкопский государственный технологический университет,
352700, г. Майкоп, ул. Первомайская, 191; электронная почта: ророуа@.таукор.ги 2Кубанский государственный технологический университет,
350072, г. Краснодар, ул. Московская, 2; электронная почта: intrel@kubstu.ru
Проанализирован вопрос оптимального места отбора фракции сивушных масел с учетом различной степени загрузки колонны этанолом. Предложен новый способ определения оптимального места отбора. Выполнено сравнение двух способов регулирования режима спиртовой колонны. Показано, что управление процессом эффективнее в квазиста-ционарном режиме по сравнению со стационарным.
Ключевые слова: сивушное масло, технологический режим, ректификация спирта, квазистационарный режим, место отбора сивушной фракции.
В связи с острой конкуренцией на рынке спиртосо- юрекгификаци°нных устаюшк (Бру) юстеншго
держащей продукции проблема качества пищевого действия, широко распространенных в Ро<хии, не уда-
ректификованного спирта имеет в настоящее время ется удовлетворить требования потребителя без значи-
первостепенное значение. Требования потребителей тельнош снижния ^отжодитетюэти установки и
существенно жестче норм ГОСТ Р 51652-2000 для уменьшения выхода спирта или без модернизации, тре-
спирта марок Экстра и Люкс по альдегидам и высшим бующей существенных капитальных затрат. Частично
(сивушным) спиртам. Сивушные спирты являются по- решают проблему системы автоматизированного
бочным продуктом спиртового брожения при перера- управления БРУ Например, «РТСофт Пищепромпро -
ботке свеклы, картофеля и зерна. Они придают спирту ект» предусмотрено измерение температуры низа, вер-
характерный неприятный запах. На большинстве бра- ха колонны, на 7-й и 16-й тарелках, воды на выходе из
дефлегматора. Измеряют давления низа и верха колонны, расходы эпюрата и пастеризованного спирта. Стабилизируют давления верха и низа колонны, расход эпюрата, а также поддерживают заданную температуру на 16-й тарелке путем изменения отбора спирта [1, 2]. Между тем, число независимых структурных и технологических параметров сложной технологической системы значительно больше. К ним относятся наряду с приведенными выше номера тарелок отбора пастеризованного спирта, сивушного спирта, фракции сивушного масла (ФСМ), а также величины расходов эфироальдегидной фракции, головной фракции, сивушного спирта, фракции сивушного масла и воды, подаваемой на экстракцию спирта из сивушного масла.
Разработке системы управления должен предшествовать поиск оптимальных параметров, обеспечивающих экстремум функции цели, в качестве которой принимают экономический показатель, учитывающий выход спирта и эксплуатационные затраты на греющий пар и охлаждающую воду. Ограничением служит качество получаемых продуктов. В процессе поиска возникают ситуации нестабильной работы спиртовой колонны, которые не могут быть реализованы практически, а при математическом моделировании колонны на ЭВМ приводят к несходимости вычислений. Это легко пояснить на примере ситуации, возникающей при снижении расхода отбираемой фракции сивушных масел. Жесткое ограничение на содержание этанола в лютер-ной воде приводит практически к отсутствию в ней изоамилола. Одновременно из-за высокой концентрации этанола в верхней части колонны изоамилол не попадает ни в сивушный спирт, ни, тем более, в пастеризованный спирт. Поэтому все балансовое количество изоамилола, поступившее с эпюратом, должно выводиться с фракцией сивушного масла. При снижении расхода фракции сивушных масел этот баланс нарушается, так что итерационный поиск решения или зацикливается, или расходится. Из-за большого числа параметров и неустойчивости решений задача поиска оптимума является достаточно сложной, и реализация на таком уровне задачи оптимального управления производством не реальна. В любом случае на окончательной стадии пусконаладки установки коррекция технологических параметров проводится специалистами. Они должны иметь четкие и достаточно глубокие знания по реакции системы на изменение любого параметра, учитывая, что время отклика системы не мгновенно, а может занимать несколько суток.
С этой точки зрения представляет интерес оценка скорости происходящих в колонне изменений. С использованием математической модели ректификационной колонны нами выполнена оценка времени насыщения колонны этанолом, изобутанолом и изоамило-лом. При производстве пищевого спирта на брагоректификационных установках вместо термина «величина насыщения жидкой фазы этанолом» принято использовать термин «загрузка колонны», причем спиртовая колонна может быть перегружена или, напротив, разгружена, истощена по этиловому спирту [3, 4]. Для определения времени загрузки колонны компонентом были
рассчитаны профили концентраций (табл. 1), расходы паров и жидкости, температуры по высоте колонны и количество молей жидкости V™ на тарелках. Это количество изменяется вместе с изменением состава жидкости на тарелках из-за изменения молекулярной массы смеси и линейной плотности орошения, скорости паров и таких свойств как плотность, вязкость и поверхностное натяжение.
Таблица 1
Номер тарелки спиртовой колонны Концентрация на тарелке, % мол. Функция потерь этанола, определяющая тарелку отбора ФСМ
изоамилола этанола
20 0,022 57,002 2594,87
19 0,043 53,076 1221,89
18 0,085 48,485 572,95
17 0,160 42,925 267,45
16 0,151 25,337 167,95
15 0,248 24,527 99,06
14 0,419 23,406 55,82
13 0,714 21,836 30,56
12 1,196 19,674 16,45
11 1,916 16,842 8,79
10 2,855 13,448 4,71
9 3,850 9,853 2,56
8 4,543 6,532 1,44
7 4,314 3,796 0,88
6 2,433 1,724 0,71
5 0,640 0,557 0,87
4 0,114 0,149 1,31
3 0,018 0,037 2,07
2 0,003 0,009 3,31
1 0,000 0,002 5,25
Расчет величины V™ проводился в следующей последовательности. Сначала по эмпирической формуле [5] рассчитывается высота слоя светлой жидкости на тарелке
.,( °.°5- 4,6 Лер ) %
X
_ . 09 (1)
х[1—о,з1ехр(—0,1 т с)] ■
ко =0,14 д0’21 А Ю
73
где Цж - вязкость жидкости, сП; Ож - поверхностное натяжение, дин/см; кпер - высота переливного порога, м; д - нагрузка по жидкости на единицу длины слива, м3/(м • ч).
д = Ь п, (2)
где Ь - объемный расход жидкости, м3/ч; П - периметр слива, м.
Скорость паров ю определяется 4 О
ю=-
3600
■22,4
273+ ґ 273 рС2
(3)
где С - внутренний диаметр колонны, м; ґ - температура на тарел -ке, °С; О - расход паров, кмоль/ч.
Количество молей жидкости на тарелке, м3:
ут =
к0^р Рс
М„
(4)
где £р- рабочая поверхность тарелки, м (полное сечение за вычетом переливов); рж - плотность жидкости, кг/м3; Мж - молекулярная мас -са смеси.
На каждой тарелке рассчитано мольное количество компонента в жидкости
Ьі = УЧі :
(5)
где і - номер компонента,у - номер тарелки; ху - мольная доля і-го компонента нау-й тарелке.
Суммарное количество 1-го компонента Ц на всех тарелках колонны Ь1 = .Ц у. Время насыщения колонны і-м компонентом І
Ті = Ьі / ¥Хі, у
(6)
где Е - расход исходной смеси; х, - концентрация 1-го компонента в исходной смеси.
В результате определено, что для БРУ производительностью 3000 дал/сут ректификованного спирта в безотборном режиме по дистилляту колонна насыщается до значений концентраций, соответствующих стационарному режиму, по этанолу за 6,5 ч, по изоамило-лу за 14,7 ч, по изобутанолу за 102 ч. При работе с отбором пастеризованного спирта, головной и сивушных фракций характерные времена будут еще больше.
Вопрос о насыщении или истощении ректификационной колонны спиртом и влиянии этого фактора на параметры отбора ФСМ достаточно сложен, потому что регулирование на практике проводят, прибегая к нестационарному режиму, а колонна работает в стационарном режиме. Способ загрузки колонны хорошо известен производственникам. Обычно используют два варианта: уменьшают расход отбираемого из колонны пастеризованного спирта или увеличивают расход подаваемого в колонну эпюрата. В обоих случаях начинает снижаться температура на всех тарелках колонны, в том числе на тарелке подачи питания и на тарелке отбора ФСМ. В системах автоматического регулирования обычно поддерживают на заданном уровне температуру на тарелке питания путем изменения расхода пастеризованного спирта [1, 2].
Полученные результаты свидетельствуют о достаточно большом времени изменений, происходящих в колонне. Этот факт использован нами на производстве при регулировании величины отбора сивушных масел из паровых потоков с нижних тарелок [6]. Для насыщения колонны сивушными маслами почти полностью перекрывали кран на линии отбора паров. При этом насыщение проводили до тех пор, пока образующийся конденсат паров не начинал расслаиваться в фонаре. После этого резво открывали кран и осуществляли сброс до тех пор, пока конденсат не осветлится. Эту процедуру повторяли постоянно, поэтому режим работы колонны являлся нестационарным. Но при длительном наблюдении он имел все признаки стационарного режима. Этот режим назван квазистационарным. Таким способом получена фракция, расслаивающаяся на сивушное масло и подсивушную воду. Одновременно обеспечено получение спирта высокого качества. Со-
гласно результатам моделирования при сбросе ФСМ с 5-й тарелки последующее за перекрытием крана насыщение колонны изоамилолом происходит за 2,8 ч, как и наблюдалось нами при реализации квазистационарно-го режима. Описанный способ с точки зрения регулирования проще и надежней [6], чем общепринятый.
Практический интерес для определения тарелки отбора ФСМ представляет сдвиг по высоте максимума накопления примесей (изобутанола и изоамилола) при изменении загрузки колонны [3]. Однако оптимальное место отбора определяется не только максимумом на-юпления изобутанола и изоамилола, а также концентрацией спирта в месте отбора. Это связано с необходимостью снижения потерь спирта с боковым погоном и обеспечения расслоения сивушной фракции в сепараторе на две фазы: сивушное масло и подсивушную воду. В табл. 1 представлены профили концентраций изоамилола и этанола для нижней части спиртовой колонны, отвечающие технологическому режиму работы установки, реализованному на БРУ спиртзавода «КХ Восход» при отборе сивушной фракции с 5-й тарелки снизу. Максимальные концентрации имели место на следующих тарелках: изоамилола на 8-й, изобутанола на 14-й. При этом концентрация этанола снижается в направлении к низу колонны. На 14-й тарелке она составляет 23,4% мол., на 8-й - 6,5% мол., на 5-й (тарелке отбора из паровой фазы) - 0,6% мол. Таким образом, место реального отбора сивушной фракции не совпадает ни с одним из максимумов накопления основных компонентов сивушного масла.
Представляет интерес выполнить оценку оптимального места отбора, исходя из иного критерия. В качестве такого критерия естественно принять минимум потерь этанола с ФСМ, который представляет собой произведение величины отбора на концентрацию этанола в отборе. Величина бокового отбора в свою очередь зависит от концентрации примеси в месте отбора и определяется уравнением баланса по примеси. Если пренебречь расходом изоамилола с фракцией сивушных спиртов, ректификованным спиртом, с головной фракцией и с лютерной водой, то уравнение баланса для ректификационной колонны по примеси примет вид
ВуЕ, і = ЕХ, у,
(7)
где В - расход отбираемой ФСМ; у в, I - концентрация /-го компонента в паровой фазе ФСМ.
Количество спирта, теряемого с ФСМ:
О э = Вув,
(8)
где ув, э - концентрация этанола в паровой фазе в ФСМ.
Из уравнений (6) и (7) следует, что величина потерь этанола
О= Ех,
і у
Ув, э
Ув,і
(9)
При изменении места отбора величина остает-
ся постоянной, поэтому достаточно определить минимум функции ув э/ув ,■. Вид этой функции для изоами-
Таблица 2
Вари- ант Расход острого пара в спиртовой колонне, кг/ч Темпе -ратура исход-ной смеси, 0С Кон-цен -трация этанола в исходной смеси, % об. Расход исходной смеси, м /ч Количество дис-тилля -та, 3, м /сут Содержание 2-пропанола в дис -тилля-те , мг/дм3 а. а. t на тарелке, 0С Номер тарелки Расход ФСМ, м3/сут Номер тарелки отбора сивушного спирта Расход отбора сивуш -ного спирта, м3/сут
5-й 16-й (пита- ния) с макс и-мальной концентрацией изоами-лола опти-маль-ной, полученной по пред-лагае -мому методу отбора ФСМ
1 6667 89,36 31,47 3,921 23,88 0,927 100,60 85,33 7 5 6 0,8 18 7
2 6667 89,38 31,40 3,921 23,88 0,929 100,10 85,32 7 6 5 0,8 18 7
3 5000 89,38 31,37 3,921 23,98 1,503 100,87 85,78 7 5 5 0,8 18 7
4 3333 89,39 31,33 3,921 24,18 3,686 102,17 86,58 8 6 5 0,8 18 7
5 1667 89,41 31,25 3,925 25,02 12,786 105,40 88,77 10 8 5 0,8 18 7
6 1667 Н. о. 24,93 12,712 Н. о. 10 8 8 0,8 18 7
7 1667 » 25,45 13,247 106,31 90,13 Н. о. 5 0,8 18 7
Примечание: Н. о. - не определялась.
лола представлен в табл. 1. Для изоамилола минимум функции приходится на 6-ю тарелку. Поскольку величина потерь меньше для изоамилола, чем для изобута-нола, то оптимальным местом отбора является 6-я тарелка. Очевидно, что эта оценка более точна, чем оценка по максимуму концентрации примесного компонента.
Следует отметить, что перечисленные методы определения места отбора являются неточными, так как не учитывают возврат подсивушной воды в технологический цикл.
На практике изменение загрузки колонны и вместе с этим температуры на тарелке питания в случае квази-стационарного режима возможно в достаточно широких пределах. Если же поддерживается с высокой точностью стационарный режим, то эти пределы резко сужаются. При этом основным параметром, влияющим на величину температуры на питательной тарелке при заданных содержании этанола в лютерной воде и числах тарелок в исчерпывающей и укрепляющей частях колонны, является расход острого пара. При снижении расхода острого пара уменьшается флегмовое число, рабочие линии приближаются к равновесной кривой и снижается концентрация спирта в парах, покидающих тарелку питания. Например, при заданном числе тарелок в исчерпывающей части, равном трем, содержание спирта в парах, покидающих тарелку питания, в случае работы с меньшим флегмовым числом (сплошные линии ступеней на рисунке ) меньше, чем при работе с большим флегмовым числом (пунктирные линии сту-
пеней на рисунке; Хи, Ху - концентрации компонента в жидкой фазе, стекающей в исчерпывающую часть и из укрепляющей части соответственно). Этот вывод подтверждается результатами, представленными в табл. 2.
При чрезвычайно широком диапазоне изменения расхода острого пара (от 160 до 40 т в сутки) температура на питательной (16-й) тарелке изменяется от 85,32 до 88,77°С. Самое высокое значение этой температуры - 90,13°С - достигнуто за счет небольшого увеличения расхода пастеризованного спирта при очень жестких требованиях к содержанию этанола в лютере (до 10-7 мольных долей). Крепость дистиллята находилась в диапазоне от 96,3 до 96,5% об. В 1-м и 2-м вариантах, когда отбор проводился с 6-й тарелки, оптимальной являлась 5-я. Когда отбор осуществлялся с 5-й тарелки, то оптимальной стала 6-я тарелка. Во всех вариан-
Таблица 3
Вариант Расход острого пара в спиртовой колонне, кг/ч Содержание этанола в лю тере, об. доля Количество дистиллята, 3, м /сут Содержа -ние 2-пропанола в дистилляте, мг/дм3 а. а. t на тарелке, °С Номер тарелки отбора ФСМ Расход ФСМ, м3/сут Номер тарелки отбора сивушно го спирта Расход отбора сивушного спирта, м3/сут
5-й 16-й (питания)
8 3333 10-4 24,13 3,625 97,89 86,47 5 0,8 18 7
9 3333 10-3 24,00 3,565 94,26 86,44 5 0,8 18 7
10 1667 10-3 15,49 4,310 Н. о. 5 0,8 22 16
11 3333 10-4 22,18 2,801 88,38 86,45 5 0,8 22 7
тах содержание этанола в лютере составляло 10-5 моль/моль; в 7-м варианте - 10-7 моль/моль, в связи с чем температура на питательной тарелке повысилась.
Несколько резче возрастает температура на 5-й тарелке отбора ФСМ из паровой фазы (от 100,10 до 106,31°С). Однако опыт работы на БРУ с поддержанием заданной температуры на 5-й тарелке показывает, что при загрузке колонны этанолом происходит спонтанное снижение этой температуры (табл. 3), сопровождающееся провалом сивушных масел в лютерную воду. При неизменном месте отбора сивушного спирта с 18-й тарелки в количестве 7 м3/сут с ростом температуры на тарелке питания ухудшается качество спирта и содержание 2-пропанола в нем повышается до 12,8 мг/дм3,что значительно выше нормы. При этом максимум концентраций изоамилола смещается с 7-й на 10-ю тарелку, а определенное по вышеизложенной методике оптимальное место отбора ФСМ переходит с 5-й на 8-ю тарелку. Перенос места отбора с 5-й тарелки на оптимальную не дает существенных результатов. К тому же при отборе с 8-й тарелки наибольшая часть общего количества изоамилола переходит во фракцию сивушных спиртов, а не в ФСМ (табл. 4). В результате снижается прибыль от продажи сивушного масла.
Как было показано выше, снижение температуры на питательной тарелке на практике осуществляют путем уменьшения расхода пастеризованного спирта. Это приводит к потерям этанола с лютерной водой, практически с ней уходят сивушные масла, как следствие, в цеху усиливается едкий запах.
В табл. 4 представлены данные распределения изо-амилола между продуктами, свидетельствующие, что
Таблица 4
Вариант Количество изоамилола, кмоль/сут
в бражном дистилляте в лютере в готовом сивушном масле в сивуш -ном спирте
6 0,086 - 0,029 0,057
8 0,086 0,0036 0,079 Н. о.
9 0,086 0,085 0,0018 Н. о.
управлять процессом в ректификационной колонне целесообразнее в квазистационарном режиме, а не поддерживая жестко стационарный режим.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ярмош В.И., Притула Л.Н., Кононенко В.М., Кириллов Е.А. Система автоматического управления и регулирования тех -нологическим процессом брагоректификации // Ликероводочное производство и виноделие. - 2000. - № 4.
2. Ярмош В.И., Притула Л.Н., Кононенко В.М., Кирил -лов Е.А. Система автоматического управления и регулирования технологическим процессом брагоректификации // Ликероводочное производство и виноделие. - 2000. - № 5.
3. Цыганков П.С. Ректификационные установки спиртовой промышленности: расчет, анализ работы, эксплуатация. - М.: Легкая и пищевая пром-сть, 1984. - 336 с.
4. Технология спирта / В.Л. Яровенко, В.А. Маринченко,
B. А. Смирнов и др.; Под ред. д-ра техн наук, проф. В.Л. Яровенко. -М.: Колос, 1999. - 464 с.
5. Перри Джон Г. Справочник инженера-химика. - Л.: Химия, 1968. - Т. 2. - 504 с.
6. Панеш Р.Н., Хакуринов Б.А., Сиюхов Х.Р. Опыт реализации квазистационарного процесса спиртовой колонны и его мо -делирование // Материалы Всерос. науч.-практ. конф. аспирантов, соискателей и докторантов. - Майкоп: Изд-во ООО «Аякс», 2008. -
C. 149-151.
Поступила 23.06.09 г.
PARTICULARITIES OF ALCOHOL RECTIFICATION TECHNOLOGICAL CONDITIONS WITH ACCOUNT OF SATIATION DEGREE OF LIQUID PHASE WITH ETHANOL AND FUSEL ALCOHOL
KH.R. SIYUKHOV 1, R.N. PANESH 1, O.V. MARINENKO 1, E.N. KONSTANTINOV 2
1 Maikop State Technological University,
191, Pervomaiskaya st., Maikop, 352700; e-mail: popova@maykop.ru
2 Kuban State Technological University,
2, Moskovskaya st., Krasnodar, 350072; e-mail: intrel@kubstu.ru
The question of optimal point of fusel oil fraction takeoff with account of different degree of feeding fractionator by ethanol was analyzed. A new way of detection of optimal takeoff point was offered. A comparison of two conditions control ways was carried out. It is shown that direction of the process is more efficient in quasi-stationary conditions in comparison with stationary.
Key words: fusel oil, technological conditions, alcohol rectification, quasi-stationary conditions, takeoff point of fusel fraction.
