Оценка гидроселекции в эпюрационных колоннах Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

увеличивается и составляет к конну 3-го мес хранения 4%. Причиной этого может быть взаимодействие олигосахаридов между собой или с другими спиртонерастворимыми компонентами сырья, например с белками.

Несмотря на низкую температуру, концентрирование растворимых веществ клеточного сока вследствие вымораживания воды может способствовать протеканию химических реакций, особенно при длительном хранении. Так, одна из теорий криоповреждений основана на взаимодействии сульфгидрильных групп белков в замороженных системах [7].

В бланшированных образцах топинамбура (рис. 2) изменения углеводного комплекса имеют аналогичный характер. Разница заключается в том, что начальное содержание СР сахаров ниже вследствие потерь при бланшировании. Это дает основание полагать, что отмеченные изменения в углеводном комплексе носят скорее всего неферментативный характер.

выводы

1. Топинамбур при хранении в условиях близкрио-скопических температур (-2°С) отличается более высоким содержанием спирторастворимых сахаров и пониженным содержанием полифруктозанов по сравнению с глубокозамороженными образцами.

ОЦЕНКА ГИДРОСЕЛЕКЦИИ В

В.М. ПЕРЕЛЫГИН, С.Ю. НИКИТИНА, Н.А. ПОРОХОВА

Воронежская государственная технологическая академия

Для получения высокоочищенного этилового спирта широко используется метод гидроселекции. Данный технологический прием подразумевает подачу горячей воды в концентрационную часть эпюрационной колонны, что позволяет снизить содержание этилового спирта на тарелках колонны, увеличивая степень извлечения головных и промежуточных примесей [1, 2]. Традиционно принято подавать горячую воду на 32-ю тарелку, однако рядом авторов рекомендуется подача гидроселекционной воды на верхшою тарелку колонны [3]. Задача настоящего исследования - сравнительная оценка указанных приемов.

Пусть эгпорационная колонна имеет п теоретических тарелок в выварной части и те в концентрационной. На питательную тарелку колонны поступает Ьс киломолей бражного дистиллята с содержанием этилового спирта или примеси хс мольных долей. Из конденсатора колонны отбирается Ее, киломолей головной фракции с мольной долей спирта или примеси у0. На верхнюю (п+т)-ю тарелку подается Ьг киломолей горячей воды. На обогрев колонны поступает й киломолей пара. Обозначим через х, и у1 мольные доли спирта

2. Замораживание и хранение топинамбура при -18 и -30°С сопровождается небольшим, в пределах 2-3%, снижением спирторастворимых углеводов и увеличением спиртонерастворимой фракции, причем характер изменения углеводного комплекса не зависит от предварительной термической обработки (бланширования). ,. , ,

ЛИТЕРАТУРА

1. Ко'шев Н.К., Калиничева М,В. Топинамбур - биоэнергетическая культура XXI века. — М., 2002. — 76 с.

2. Голубев В.И., Волкова И.В., Кушалаков Х.М. Топинамбур. Состав, свойства, способы переработки, области применения. - Астрахань, 1968. - 423 с.

3. Кожухова М.А., Евсюкова И.А. Изменение состава топинамбура при различных температурах хранения // Тез. докл. юбил. Междунар. науч.-практ. конф. «Пищевые продукты XXI века», Москва, МГУПП, 21-23 нояб. 2001 г.

4. Широков Е.П., Полегаев Н.П. Хранение и переработка плодов и овощей. - М.: ВО Агропромиздат, 1989. - 302 с.

. 5. Руководство по методам анализа качества и безопасности пищевых продуктов / Под ред. И.М. Скурихина, В. А. Тутельяна.

- М.: Брандес, Медицина, 1998. - 340 с.

6. Петров К.П. Практикум по биохимии пищевого растительного сырья. - М.: Пищевая пром-сть, 1965. - 330 с.

3. Белоус А.М., Гордиенко Е.А., Розанов Л.Ф. Замораживание и криопротекция. - М.: Высш. школа, 1987. - 80 с.

Кафедра технологии консервирования

Поступила 13.01.0$ г. .

- 663.551.2.001.2

ЭПЮРАЦИОННЫХ КОЛОННАХ

или примеси на /-и тарелке в жидкой и паровой фазах; х0 - мольная доля спирта или примеси в эпюрате; К» Ка

- коэффициенты испарения спирта или примеси соответственно на /-й тарелке и в дефлегматоре; Ь„ = й --Рс + Ьс + 1Ч и Ьт = С - - молевые потоки жид-

кости в выварной и укрепляющей частях; Ь0 - молевой поток эпюрата (при открытом обогреве Ь0 = О -Ра +

•4~Т 4- Т ттпт? ооътлтлт'плт Т , — Т .-*ь I ^

> 1 v'iУi *-‘С х £/‘

Составим уравнение материального баланса спирта или примеси для дефлегматора колонны

Су„+т = (С7-Р0)хЬ + РпуП, (1)

где хе> - мольная доля спирта или примеси в флегме. Для тарелок колонны

СУп+т-1 ~ Р'оУЬ,

(-^Уп+т-2 ?'тХп т 1 ^ РпУОу

С’Уп = 4А+1 + FдУD; вуп-1 = Ь^с„-ЬоХ0; ' .

Су п 2 1/^С,з_1 —

/.„Гр ■ (2)

Уравнение материального баланса для всей колонны

И,;»:»*

1тг-18

МЧ

'НИер

лрс.ч-

,ровн.-

Ь’.игр ' ■ пн-

■1Л |и-1..1Л"||.1

ь.4 Ма*-

115йтка

Х-.Т.ЧМЗ-

рсАп н

!.м :ч~.Н-

Е-- :

Н МРГ-

_ л

ЛВДЩ-

".таин

сгшртн

£Р.1?.

есясш-

РцУо + Ь0Х0 = 1<ХС (3)

По уравнениям (2), (3) с использованием данных по равновесию жидкость-пар в системе этанол-вода были рассчитаны зависимости концентрации этилового спирта на тарелках колонны от количества воды на гидроселекцию при подаче ее на верхнюю тарелку (б =05; хс.= 0,2235; п = 12; от = 8; отбор головной фракции 5%).

Полученные результаты (рис. 1) показывают, что увеличение расхода гидроселекционной воды приводит к снижению концентраций спирта на всех тарелках колонны. При этом содержание спирта на тарелках от 2-й до п-й и в зоне от (п + 1)-й до (и + т)-й тарелок

практически не меняется.

Используем теперь уравнения (1)—(3) для расчета

эффектов очистки спирта от сопутствующих примесей. Допустим, что эффект укрепляющего действия дефлегматора равен одной ступени равновесной конденсации пара, тогда

Из соотношений (1) и (4) следует

~-Ог

. к р Ц+

Кс +У ’

(4)

(5)

где V = (О - р£>) / Яр - флегмовое число.

Преобразуем теперь уравнения системы (2) для та-

релок концентрационной части колонны

\

I Б и г-Упт-1=У гь-т! * п\-т

гпт | Рт-даРякт-.1 ^ Р гЯт-]')

Га « а 4.

г п^т Н яш~ ]Нтт 2

Улв»-ъ -УщщШ _£д_(1+в +8 В V

^ _1_ 2 V Г^от-2 ~ V гмп-ЪГ г*т~\)

Упй Упш

и„

Р/*-ет Г • ’ РлЦ , Х

''+1 |,(6) *0 + ^.+ :Ен™ *)]

■дар,

ок,

Поскольку концентрация спирта на тарелках от {п +1)-й до (п + от)"й постоянна, допустим

= =?■'-' (7)

С учетом (7) преобразуем последнее уравнение системы (6) к виду

20

18

1 16

■X

с

X 14

и 12

Т

I 10

I

X 8

X- 6

т

Т 4

2

0

0,1 0,2 0,3 0,4

Мольная доля спирта в жидкой фазе

Рис. 1

ИЛИ

= "”(1+Р+Р2+...+Рт-')

У+1

ст = (у+1)(Э-1)

Уп Р'"[СТл(У + 1К13”1)]-СТВ

3 5

ц‘“ N * \ц=зс

I

0,5

(8)

(9)

Заметим, что при (3 = 1 в соответствии с уравнением (8)

ст

(у+1)

' 1+\’ + с| '

Из (5) и (9) будем иметь (у+р-|

^ -К,

Из выражений (5) и (8) при Р = 1

Кв{т + \)+у

(10)

(П)

(12)

Как следует из уравнения (11), степень концентрирования ат головных примесей (р < 1) зависит как от величины р, так и от условий проведения эпюрации: флегмового числа V, коэффициента испарения Ка и

0,2 0,4 0,6 йл

Мольная доля спирта в жидкой фазе

Рис. 2 .

числа тарелок т в концентрационной части колонны. При этом от с увеличением т стремится к предельному значению

Ь0а

а” = Итст =

(у+1)(1-Р)

кп

(13)

А>(1+ап-1 +а*-\ап-г +

Ь„ +.. .+сс№_1схп_2. .. а.) ) + Ьпа0а1—ос„_]_

,(14)

гдеа, = —А,.

Поскольку концентрация спирта на тарелках от 2-й до п-й практически постоянна, допустим

а, =а3 =... = а =а.

(15)

С учетом (15) последнее уравнение системы (14) преобразуется к виду • - ;

^ _ у„ _ 4 (а — ос) + а а,(сх—1)(£0 + 4а0 ) Стп__ _ ___ .

В соответствии с (14) и (15) при а = 1

и

=у2-(« + а1-1) + а0а1.

(17)

Как следует из уравнения (14), степень вываривания головных примесей (а > 1) неограниченно возрастает с увеличением числа тарелок в выварной части колонны

< =1Ш1СТ„ =00,

г

а для хвостовых примесей (а < 1)

(18)

= Нто„

С(1-а)

(19)

В соответствии с соотношением (3) доля примеси, выделяемой с фракцией из конденсатора колонны

Как показывает анализ уравнения (13), для примесей, имеющих хвостовой характер (Р > 1) в концентрационной части эпюрационной колонны, при т -»оо от->0. Рассчитаем, например, предельную степень концентрирования изоамилацетата: при Ь% = 30 = =3-4,05 = 12,15; = 0,110; Ьт= 4,05 + 4,05-3 - 0,11 =

,,лп 4,05-0,11 0„0П

=16,09; у =-----------= Зэ,82; концентрация этанола

0,11

для большинства тарелок укрепляющей части колонны составляет 0,1118 мол. дол. (см. рис. 1); коэффициент испарения изоамилацетата К = 12,2;

=0,326; а" = №^326)

4,05-12,2 т 12,2

Преобразуем теперь уравнения материального баланса системы (2) для выварной части колонны:

V 1

— =Т~(£'0 + 4ао)'> х0 4

X 1

— = — [^о(1+а-1)+А,аоа1];

*<> 4

X 1

—• = — [4 (1+а2 +а2а1 )+1ла0а,ал1;

4

Р'вУо

Уо

Из уравнений (5), (11), (16), (20) будем иметь

(20)

4 +РоЪввя<3„

(21)

Рассмотрим случай, когда гидроселекционная вода подается в среднюю зону концентрационной части колонны. Пусть концентрационная часть имеет (гп + р) тарелок, горячая вода поступает на {п + т)-ю тарелку, а из жидкой фазы (п + т + 1)-й тарелки отводится Р„+т ц киломолей фракции промежуточных примесей.

Для тарелок колонны уравнения материального баланса имеют вид ...

Оуп+т+р-\ ^ р^п+ггЛр ^

^Уп+т+р-2 ^рХп+т+рА + Р'оур,

Су„4т+1 - 4Г«+т+2 + РцУй,

Оуп+т ?-1рХп~т * \ ^ РцУп?

Оуп+т-1 " 4м*т1+т '■ РйУО ^ Рп+т+Х^п+т+Х г Су„ +т-2 п--тЛ ~ РоУО^ Рп-\ т-Л^ п~т~

Оуп+1 4л^л+2 РцУо^~ Рп+т+Х^п+т+Х >

(~*уп //игХ*л+1 1'оУо ~ РП+7П+1^Л+М+1 9

, СупА = 1№х„ ЬсЖ

Су„-2 — 1л-1 - £о^о;

0У1= Ь^с2- ЬоХо, ву0 = Ь^-ЬоХо,

(22)

где О I' [) С/ Р~!) Р1 ^ /^, 1^р О

и = б -^-/Гл+т+1 +ЬС- при открытом обогреве; £0 = /Ъ-.Р„+т+1 + +ЬС - при закрытом обогреве.

Уравнение материального баланса для всей колон-

ны

РвУо 1оХ0 Рп+т+Х-^п+т+Х 4^с-

(23)

Результаты расчетов распределения спирта по высоте колонны по уравнениям (22), (23) представлены на рис. 2 (й = 4,05; хс= 0,2235; п = 12; т =4;/> = 4; отбор головной фракции и фракции с (и + т + 1)-й тарелки 2,5%).

Как видно, на тарелках от 2-й до п-й и от (п + 1)-й до (п + т + 1)-й концентрации спирта практически постоянны. Степень вываривания примесей а„ может быть рассчитана по формуле (16), степень концентрирования примесей для зоны от (л + т + р)-й до (п + т + 1)-й тарелок

г

а 4,2003

(19)

имеси,

ш

(20)

(21)

я вода ггико-

п + р) ;лку,а Рц+тП

)гоба-

(22)

G-Fd,

‘л+m+l ^

:олон-

(23)

[О вы-

злены

отбор

редки

)-йдо юсто-быть рова-f 1)-й

ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. ПИЩЕВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ, № 4, 2003

77

Таблица

Степень извлечения примеси в зависимости от количества и места подачи воды, %

Примесь на 20-io тарелку на 16-:о тарелку

o' II LJG-1 Lg/G-Ъ VG=5 L/G = 0,5 L/G = 1 LJG = 3 Lf/G = 5

XD Xd Id Id Xd X. it+m~ 1 Xd Xn+m+l Xd /.П*ПТ+\ Xd Xtrfm+l

Метилацетат 100 100 100 100 99,85 0,15 99,84 0,16 99,82 0,18 99,82 0,18

Ацетальдегид 100 100 100 100 99,58 0,42 99,60 0,40 99,62 0,38 99,63 0,37

Н. масляный альдегид 100 100 100 100 98,76 1,23 98.90 1,10 98,97 1,03 98,97 1,03

Этилацетат 100 100 100 100 97,72 2,28. 98,90 1,10 98,97 1,03 99,10 0,90

Метиловый спирт 33,11 10,42 1,69 19,59 47,69 4,80 30,12 2,86 5,77 0,53 7,65 1,1.3

Изоамилацетат . 62,12 97,82 99,96 99,99 0,53 34,34 1,6? 90,39 9,05 90,91 5,54 94,46

Изопропиловый спирт 40,02 46,21 66,99 68,94 30,90 8,71 31,04 16,99 39,71 17,20 49,07 16,79

Н. пропиловый спирт 0,67 3,39 24,07 46,22 0,01 0,49 0,03 1,17 0,6 29,37 1,84 33,41

Изобутиловый спирт 0,30 3,02 67,99 98,51 0 0,15 0 1,10 0,31 43,22 1,22 94,19

Н. бутиловый спирт 0,21 . 1,99 67,99 98,48 0 0,1 0 1,09 0,16 68,08 0,35 95,02

Изоамиловый спирт 0 0,62 66,81 98,36 0 0,01 0 0,25 0,01 29,63 " 0,04 95,32

Угн-т+р = V ? (24) Полученные данные показывают, что увеличение

(v + l)flpv /=i

р-i

+а

где р ■

= |£';ЙР‘

'р-Л

. ур-„.

/=1

= р*.~. +р*-

>

+...+PWiPv“'2 ...р*"*-*^1 а для зоны от (и + т + 1)-й до {п + 1)-й тарелок

(V + IX1-P)

Уг.

р(0+ CTDo ) + рга(у -0)-p<”"I)(v + aDa У

(25)

где р, = -а-К, ; 0 = G

■;Р = Р.Й = Р„2=-..=Р„

Из уравнений (23), (24), (25) будем иметь

гп

гу

пгтй.'^ m-m'rl

F.

(26)

A) ’^"'^лютИ^'отН^я

—

РоУв

+ FD У D

(27)

где Хп+»1+ь Хо~ Д°ли примеси, отбираемой с фракциями из жидкой фазы (п+т+1)-й тарелки и из конденсатора.

Результаты расчетов эффектов эшорации по уравнениям (11), (16), (21), (24), (25), (26), (27) приведены в таблице.

количества гидроселекционнои воды повышает степень извлечения большинства промежуточных примесей. Однако подача горячей воды на верхнюю тарелку колонны позволяет добиться лучшего извлечения примесей. Так, при Lg = 3G степень извлечения изобутило-вого спирта составляет 43,22% при традиционном способе подачи гидроселекционной воды и 66,99% при подаче воды на верхнюю тарелку.

- - < ■ ‘ : ВЫВОДЫ ■ - ■>

1. С увеличением числа тарелок степени концентрирования головных и вываривания хвостовых примесей стремятся к предельным значениям.

2. Степень извлечения большинства головных и промежуточных примесей возрастает с увеличением расхода гидроселекционной воды.

3. Подача гидроселекционной воды на верхнюю тарелку более эффективна по сравнению с ее подводом в среднюю зону концентрационной части колонны.

ЛИТЕРАТУРА

1. Цыганков П.С., Цыганков С.П. Руководство по ректификации спирта - М.: Пищепромиздат, 2001. - 400 с.

2. Ставников В.Н., Рот ер И.М., Проток Т.Б. Этиловый спирт. - М.: Пищевая пром-стъ, 1976. - 272 с.

3. Пат. 2086284 РФ, МКИ6 Cl 6В 01D 3/00. Способ получе-

ния ректификованного спирта / В.М. Перелыгин - Опубл. в Б.И. -1997. - № 22. . ;■

Кафедра физической н коллоидной химии . :

Поступила 18.11.02г. ;