CC BY
88
628.16
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОДГОТОВКИ ВОДЫ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА НАПИТКОВ
И В. ТИМОЩУК, Т.А. КРАСНОВА, Т.А ТУМАНОВА
Кемеровский технологический институт пищевой промышленности,
650056, г. Кемерово, б-р Строителей, 47; электронная почта: гко1оя1528@уапСгх.ги
Исследована кинетика процесса адсорбции фенола и формальдегида при их совместном присутствии из воды активны -ми углями марок АГ-3, КсАУ, АБГ, отличающимися природой, структурой, величиной удельной поверхности. Установлено, что лимитирующей стадией процесса адсорбции смеси фенола и формальдегида является внешний массопере -нос в интервале от 1800 до 3600 с для формальдегида и от 2400 до 3600 с для фенола. Для всех исследуемых углей рас -считаны безразмерные кинетические параметры Т, построены зависимости Т от времени г, определены коэффициенты внешнего массопереноса.
Ключевые слова: адсорбция, активные угли, питьевая вода, фенол, формальдегид.
Современный уровень развития производства вызвал ряд острых экологических проблем, одной из которых является загрязнение водного бассейна. Ухудшение качества питьевой воды привело к тому, что во многих районах питьевая вода не отвечает санитарно-гигиеническим требованиям.
В ряде промышленных регионов поверхностные и подземные воды интенсивно загрязняются токсичными соединениями, в том числе фенолом и формальдегидом. Формальдегид также образуется в процессе во-доподготовки при обеззараживании воды озоном. Находясь в воде в концентрациях, превышающих ПДК, он оказывает раздражающее действие на верхние дыхательные пути, слизистые носа, глаза, обладает токсичными, мутагенными и канцерогенными свойствами. Присутствие фенола в воде также негативно сказывается на здоровье человека: приводит к нарушению работы желудочно-кишечного тракта, центральной нервной системы и ряду других заболеваний. В связи с этим разработка технологии очистки воды от фенола и формальдегида является актуальной.
К универсальному методу, позволяющему практически полностью извлекать примеси из жидкой фазы, относится адсорбция. Адсорбционная очистка эффективна в достаточно широком диапазоне концентраций растворенной примеси, однако ее преимущества проявляются наиболее полно по сравнению с другими методами очистки при низких концентрациях загрязнений Вытеснительный характер адсорбции растворенных веществ позволил сформулировать основное требование к химической природе адсорбента, предназначенного для извлечения органических веществ из водных растворов: энергия взаимодействия адсорбента с молекулами растворителя - воды - должна быть как можно меньшей, а энергия взаимодействия адсорбента с молекулами извлекаемого вещества как можно большей. Этому требованию лучше всего отвечают углеродные материалы, поэтому активные угли - наиболее эффективные адсорбенты органических веществ из воды. Для разработки эффективной адсорбционной технологии очистки воды необходимо комплексное исследование, включающее изучение равновесия, кинетики и динамики адсорбционного процесса.
В настоящей работе приведены результаты изучения кинетики адсорбции фенола и формальдегида при
совместном присутствии на активных углях (АУ). В качестве сорбентов использованы отечественные промышленные АУ АГ-3, АБГ и кокосовый активный уголь (КсАУ) производства «ЕигосагЬ» (Англия).
Кинетика адсорбции органических веществ в зависимости от гидродинамических условий обтекания пористого материала, структуры его пор, размера зерен адсорбента и ряда других факторов определяется как внешним переносом веществ, так и переносом сорбируемых молекул внутри пористой частицы сорбента. Существуют количественные и качественные методы разграничения лимитирующих стадий. Количественное разделение стадий основано на использовании данных о кинетических коэффициентах внешнего и внутреннего массопереноса.
Методика проведения кинетических измерений заключалась в следующем. Образцы сорбента фиксированной массы - 0,25 г помещали в 100 см3 исследуемого раствора (концентрация фенола составляла 10 мг/дм3, формальдегида 50 мг/дм3). Кинетику сорбции исследовали в интервале времени 60-18000 с. Концентрации фенола и формальдегида в растворе определяли фотометрическим методом по стандартным методикам [1]. По экспериментальным данным построены кинетические кривые зависимости степени достижения равновесия у от времени адсорбции ґ.
Для определения лимитирующей стадии массопе-реноса на основании результатов эксперимента рассчитаны основные кинетические параметры для изучаемых сорбентов и построены кинетические кривые зависимости у от безразмерного кинетического параметра Т. Определение лимитирующей стадии адсорбции сводится к сопоставлению теоретической и экспериментальной кинетических кривых при одинаковых значениях у. Графики зависимости Т от ґ в случае, когда лимитирующая стадия адсорбции - внешний массопе-ренос описывается прямой, проходящей через начало координат, в смеси фенол-формальдегид представлены на рисунке (кривая 1 - КсАУ, 2 - АГ-3, 3 - АБГ).
Отклонение от прямой показывает, что по мере отработки адсорбента на скорость процесса сорбции все большее влияние оказывает внутренняя диффузия.
Т аблица
Марка угля
для фенола
для формальдегида
КсАУ
АГ-3
АБГ
0,4209
0,0595
0,0145
0,2020
0,0194
0,0489
Представленные данные подтверждают, что процесс адсорбции формальдегида и фенола в смеси контролируется внешним массопереносом в течение первых 20-40 мин.
Коэффициент внешнего массопереноса при адсорбции из растворов, необходимый для инженерных рас -четов, может быть найден из общего коэффициента массопереноса [2], если лимитирующей стадией процесса адсорбции в данном временном интервале является внешний массообмен. В этом случае коэффициент внешнего массопереноса Р рассчитывается из сравнения теоретической и экспериментальной кинетических кривых [3]:
Р = ^ а/А = ^ а/(Уз/Ур + кг),
где а - тангенс угла наклона начального участка зависимости Т от г; Уз - суммарный объем массы адсорбента, см3; Ур - объем раствора, контактирующего с адсорбентом; кг - константа Генри, кг = Ар/Ср.
Значения рассчитанных коэффициентов Р приведены в таблице. Близость значений Р для всех исследуемых марок сорбента свидетельствует о том, что процесс адсорбции на изучаемых углях в интервале от 1800 до 3600 с для формальдегида и от 2400 до 3600 с для фенола лимитируется внешним массопереносом.
По мере приближения к адсорбционному равнове -сию вклад внутреннего массообмена в общую скорость адсорбции фенола и формальдегида нарастает.
Полученные результаты позволяют предположить, что при реализации разработанной технологии в производстве можно ожидать высокую степень извлечения фенола и формальдегида при их совместном присутствии из очищаемой воды при средней скорости фильтрации через неподвижный слой сорбента. С целью максимального использования емкости слоя сорбента можно рекомендовать уменьшение скорости фильтрования по мере отработки угольного фильтра.
Результаты исследования были использованы для оптимизации на основе математической модели параметров адсорбционной колонны и режимов очистки в цехе производства бутылированной питьевой воды. Вода, очищенная по предлагаемой технологии, может быть также использована для производства восстановленной молочной, пивобезалкогольной, ликероводочной продукции.
ЛИТЕРАТУРА
1. Санитарно-химический контроль в области охраны во -доемов / Под ред. АП. Щицковой. - М.: МНИИГ им. Ф.Ф. Эрисмана, 1964.
2. Когановский А.М., Клименко Н.А., Левченко И.Г., Рода Т .М. Адсорбция органических веществ из воды. - Л.: Химия, 1990. - 256 с.
3. Федоткин И.М., Когановский А.М., Рода И .Г., Мару -товский Р.М. Об определении коэффициента внешнего массообмена при адсорбции из растворов // Журн. физ. химии. - 1974. - 48. -№ 2. - С. 473-475.
Поступила 03.09.09 г.
TECHNOLOGY OF WATER PREPARATION FOR BEVERAGE PRODUCTION
IV. ^MOS^UR, T.A КRASNOVА, T.A. TUMANOVA
Kemerovo Institute of Food Technology,
47, Stroitelei blvd., Kemerovo, 650056; e-mail: ekologl528@yandex.ru
The kinetics of phenol and formaldehyde mixture adsorption from water by activated carbon AG-3, ABG, KAC differing by nature, structure, the size of specific surface has been investigated. It has been found that the limiting stage phenol and
formaldehyde mixture adsorption is external mass-transfer within 1800-3600 s for formaldehyde and from 2400-3600 s for phenol. Nondimensional kineticT parameters have been defined. TheT dependence againstt (time) have been established. The internal mass-transfer coefficients have been defined.
Key words: adsorption, activated carbon, potable water, phenol, formaldehyde.
663.551.7
СРАВНЕНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ СПИР ТОВОЙ КОЛОННЫ ПРИ СТАЦИОНАРНОМ И КВАЗИСТАЦИОНАРНОМ ОТБОРЕ ФРАКЦИИ СИВУШНЫХ МАСЕЛ
Х.Р. СИЮХОВ 1, Р.Н. ПАНЕШ 1, Х.Р. БЛЯГОЗ 1, Е.Н. КОНСТАНТИНОВ 2
1 Майкопский государственный технологический университет,
352700, г. Майкоп, ул. Первомайская, 191; электронная почта: ророуа@таукор.ги 2 Кубанский государственный технологический университет,
350072, г. Краснодар, ул. Московская, 2; электронная почта: intrel@kubstu.ru
Выполнен анализ квазистационарного процесса, протекающего в спиртовой колонне при импульсном отборе фракции сивушных масел. На основе его сравнения со стационарным режимом работы сделан вывод об эффективности исполь -зования квазистационарного режима. Показано, что квазистационарный режим позволяет снизить потери этанола с отбором фракции сивушных масел и улучшить качество сивушных масел, повысив в них концентрацию изоамилола. Ключевые слова: сивушные масла, высшие спирты, квазистационарный режим, ректификованный спирт, брагоректификационная установка.
Идея метода получения импульсного магнитного поля была высказана П.Л. Капицей в 1923 г. Согласно этой идее, характерные времена многих физических явлений и процессов значительно меньше времени существования импульсного поля, так что для них последнее можно рассматривать как квазистационарное [1]. Квазистационарный процесс успешно реализован П.Л. Капицей с положительным эффектом.
В настоящей работе выполнен анализ квазистационарного процесса, протекающего в спиртовой колонне при импульсном отборе фракции сивушных масел (ФСМ) и прошедшего ранее производственную проверку [2].
Проведено сравнение квазистационарного и стационарного режимов работы спиртовой колонны брагоректификационной установки (БРУ) проектной мощности 3000 дал ректификованного спирта в сутки при периодическом (импульсном) и непрерывном способах отбора ФСМ. При этом рассмотрены два варианта требований к содержанию сивушных спиртов в ректификованном спирте: повышенные, обусловленные рыночным спросом, на уровне менее 1,3 мг/дм3, а также обусловленные ГОСТ Р 51652-2000 на спирт марок Экстра и Люкс на уровне менее 6 мг/дм3. Моделирование выполнено для двух расходов острого водяного пара, подаваемого в куб спиртовой колонны: 5000 и 3333 кг/ч. Состав бражки взят по данным обследования БРУ косвенного действия ООО «КХ Восход» при переработке смеси, содержащей 70% зерна пшеницы и 30% ячменя с использованием жесткого режима разваривания с последующим осахариванием ферментными препаратами (табл. 1).
Предварительно определены оптимальные номера тарелок отбора фракций 2-пропанола, изобутанола и изоамилола с использованием методики, предложенной в работе [3]. Функцией цели служило отношение
мольной доли этанола к мольной доле соответствующего компонента на тарелке (в жидкой или паровой фазе, в зависимости от того, из какой фазы производится отбор).
Таблица 1
Наименование компонента Концен- трация, мг/дм Наименование компонента Концен -трация, мг/дм3
Ацетальдегид 20,822 2- Пропанол 0,5905
Фурфурол 1,6615 Изобутанол 58,431
Ацетоин 6,9917 Изоамиловый 199,27
Метилацетат 1,4588 Фенилэтанол 89,247
Этилацетат 11,190 2,3- Бутил енгликоль 187,00
Метилкаприлат 2,8186 Уксусная кислота 159,57
Метанол 11,748 Масляная кислота 1,7251
1-Пропанол 32,032 Изомасляная кислота 0,7774
1-Бутанол 1,5291 Валериановая кислота 2,3503
1-Пентанол 2,0070 Этанол, % об. 7,62
1-Гексанол 23,655
Для 2-пропанола минимальное значение функции цели наблюдалось на 19-й тарелке (табл. 2). Переход на отбор с 19-й тарелки вместо 25-й позволил снизить величину отбора сивушного спирта с 5 до 4,75 м3/сут и без ухудшения качества ректификованного спирта увеличить его выход на 60 дал/сут при содержании 2-пропанола в ректификованном спирте 1,2 мг/дм3.
Для изобутанола оптимальным оказался отбор с 17-й тарелки, для ФСМ - с 6-й тарелки (табл. 2). При переходе с 7-й на отбор с 6-й тарелки выход спирта увеличился еще на 5 дал/сут
Имея значение мольной доли изоамилола, которая достигается на тарелке отбора ФСМ при закрытой задвижке, и приняв, что сброс осуществляется через каждые 8 ч, из материального баланса по изоамилолу
