Влияние термических эффектов на процесс разделения в спиртовой колонне Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

I

У 0 0:7%

(е.1яя{х — 0.!: МПа) к

• тэ

. 1 г]) ии=-:я-мЙгч^^ёи |10-.'УЬ JU^I М -книсм ирО-|.-1К1[аеногг1| |[.^н-пческ^. Ион :^¥гв-:

1 2 3 4 5 6 7

... ■,■■*• 1 • Вряи, ч . . , _. . , .. ,.. .

рис. 5

На 7-й ч работы мембраны достигается постоянная величина проницаемости. При давлении 0,3 МПа эта величина составляет 28 л/(м -ч), при давлении

0,1 МПа — 12,3 л/(м2-ч). Похожая зависимость наблюдается у мембран УПМ-100 и УПМ-50М (рис. 5 и 6). Однако величины проницаемости имеют различные значения. Так, у мембраны УПМ-100 в 1-й ч работы проницаемость в зависимости от давления изменяется от 22,5 до 39 7 л/(м2-ч), у мембраны УПМ-50М — от 11,3 до 19,8 л/(м2-ч). Снижение проницаемости у всех трех мембран в первые 5 ч объясняется тем, что в результате воздействия высокого давления на по-

О *■

1 2 3 А $ 6 ч! 7 *

Время, ч

Рис. 6

лупроницаемые мемораны наблюдается остаточная деформация и усадка мембраны. Достижение мембраной постоянной величины проницаемости связано с тем, что при достаточно высокой скорости перемешивания концентрация раствора в объеме неизменна и толщина пограничного слоя остается постоянной. ,: ,

; • ВЫВОДЫ

1. Наилучшей селективностью по ферменту ами-лосубтилин ГЗх обладают мембраны УПМ-50М и УПМ-100. Значения селективности при использовании этих мембран составили 95 и 87% соответственно.

2. С увеличением давления от 0,1 до 0,3 МПа происходит возрастание селективности. Для мембраны УПМ-200 на 25%, УПМ-100 на 24%, УПМ-50М на 18%.

3. Мембраны приобретают постоянные значения проницаемости после 5 ч работы, что связано с их усадкой, а также с образованием пограничного слоя постоянной толщины.

4. Увеличение давления на выходе из мембранного модуля приводит к возрастанию проницаемости. Наибольшую проницаемость имеет мембрана УПМ-200 — 28 л/(м2-ч).

Кафедра технологии бродильных производств и виноделия '

Поступила 06.10.98 г.

66.048.37

ВЛИЯНИЕ ТЕРМИЧЕСКИХ ЭФФЕКТОВ НА ПРОЦЕСС РАЗДЕЛЕНИЯ В СПИРТОВОЙ КОЛОННЕ

Е.Д. УМРИХИН, Е.Н. КОНСТАНТИНОВ

Кубанский государственный технологический университет

В процессе тепло- и массопереноса на контактной тарелке ректификационной колонны на поверхности раздела фаз происходят термические эффекты, представляющие собой конденсацию и испарение. Их влияние на эффективность массопе-редачи исследовано достаточно подробно [1, 2]. Известно также, что поверхностное натяжение изменяет химический потенциал [3] и в системе, состоящей из пузырей и капель, при барботаже на тарелке происходят процессы испарения мелких капель и больших пузырей и конденсация мелких

пузырей и больших капель, оказывающие влияние на эффективность тарелки. Вместе с тем, неизвестно влияние термических эффектов и эффектов, обусловленных поверхностным натяжением, на процесс разделения в конкретной колонне.

Возникла задача построения модели спиртовой колонны, учитывающей влияние термических эффектов и эффектов поверхностного натяжения в процессе массопередачи на тарелке. Для расчета величины эффективности тарелки, необходимой для решения этой задачи, была использована модель [2], модифицированная с учетом влияния эффектов поверхностного натяжения. При этом в математическое описание [21 включено уравнение

2 5 4 5 6 7

Время, ч

Рис. 4

62

ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. ПИЩЕВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ, № 1, 2000

И'МЛ

для расчета потока испарения за счет поверхностного натяжения. Из-за отсутствия экспериментальных данных о статистическом распределении капель и пузырей по размерам были введены фиктивные потоки идентификации модели [1] по экспериментальным данным [4]. Для бинарной смеси этанол—вода установлена зависимость потока испарения за счет поверхностного натяжения Л^а"с” от критерия Вебера \¥е в виде критериального уравнения

Л'./г' - 6,33-Ю’^е2'^, (1)

где \Уе = а/(рц12)\

а — поверхностное натяжение, Н/м; р — удельная масса, кг/м ;

£ — ускорение свободного падения, м/с2;

I — линейный размер, м; й — расход пара на тарелке, моль/с.

Результаты идентификации модели [1] в виде сопоставления экспериментальных данных по эффективности тарелки с расчетной кривой представлены на рис. 1 (Ем — эффективность тарелки по Мерфри; х — концентрация спирта, моль/моль; точки — экспериментальные данные [4]). Как видно из рисунка, результаты расчета с учетом рассмотренных явлений хорошо согласуются с экспериментом и объясняют наличие максимума на кривой зависимости эффективности тарелки от состава. Представляет интерес сравнение расчетных данных эффективности тарелки по каждому из компонентов тройной смеси этанол—вода—примесь с учетом чистой массопередачи, с учетом сопряженного тепломассообмена, термических эффектов и эффектов поверхностного натяжения. Установлено, что учет эффектов поверхностного натяжения при расчете эффективности тарелки по каждому компоненту многокомпонентной смеси приводит к ее увеличению по легколетучему компоненту, а по промежуточным компонентам может иметь место изменение характера ее зависимости от концентрации спирта. На рис. 2 представлена зависимость эффективности тарелки по уксусноизоамиловому эфиру от концентрации спирта. Кривая 1 соответствует чистой массо-передаче (модель массопередачи), 2 — сопряженному тепломассообмену с учетом термических эффектов (модель термических эффектов), 3 — со-

Рис. 2

пряженному тепломассообмену с учетом термических эффектов и эффектов поверхностного натяжения (полная модель).

Поскольку спиртовые смеси являются многокомпонентными, то система уравнений, описывающая работу колонны, должна включать в себя уравнения, характеризующие процесс многокомпонентной ректификации. Решение такой системы возможно разными методами [5, 6], приводящими нередко к громоздким вычислениям. Как известно, в спиртовых колоннах разделяют смеси с очень низким содержанием примесей, поэтому в настоящей работе принята концепция независимого расчета распределения спирта и микропримесей по высоте колонны методами, разработанными для бинарной ректификации.

Математическое описание непрерывнодействующей ректификационной установки при допущении постоянства мольных расходов пара и жидкости может быть представлено следующими уравнениями (2)—(7):

уравнение общего материального баланса колонны

т т т т

Д^+ДП = ^+^ + Дяж+Дв'а , (2)

где Р,В,йЖ —потоки питания, бокового отбора, дистиллята и кубового остатка соответственно, моль/с; т — число тарелок в колонне; индекс / — номер тарелки, считая снизу колонны;

индексы ж и п относятся к жидкостным и паровым потокам соответственно;

уравнение покомпонентных материальных балансов колонны

т

2‘К4 /=1

+ 2.К£ = 0х,о + ^4

т

,=1 т

(3)

где

Рис. 1

■ 2 «

/-1

х, у — составы жидкостных и паровых потоков соответственно, моль/моль; индексы Р, В, й, W относятся к потокам питания, боковых отборов, дистиллята и кубового остатка;

индекс г — номер компонента;

У Г.||

МИ

Л-у.

ГЦ'--

упл

ше

К?.

опаса|

дейаи

яъгй

гегы:<

С|;хртс

ДКЯ’.1Я1

брал я | лгснч агпг0|

нжшкт ■Гн(.ю ]

НйЙи

от^лр

. 1-ПУЦ

'.п !!■:;! отЛпп

Кигф^М

7н.1 . г;« Д*лко (

•ГЛХ1'.1 I

Нгокг.

Л((1М

СщкрП!

спирта

ермиче-■о натя-

:огоком-вающая уравне-понент-мы воз-цящими

ІВЄСТНО,

с очень в настоюю рас-есей по ІМИ для

іейству-допуще-: жидко-уравне-

інса ко-

І ■ й

отбора, ■атка со-

у колон-:тным и ■ных ба-

(3)

овых по-ь/моль; ам пита-)ВОГО ос-

уравнения рабочих линий

т

С!/11'1 - + + 2 В!Л+ ■

} — П

т т т

" м)

“я /=я /=п

п~1

1хп-1 = вуп~1'1 + '¥х^ + 5) &ув +

/=1

пг-1 /г-1 пг-1

(5)

где й, Ь — соответственно расходы пара и жидкости на тарелке, моль/с; индекс п — номер тарелки; уравнение для расчета состава пара, уходящего с п-й тарелки:

> = ги + ем(0{у;л - г1-1}, (6)

где Ем(‘} — эффективность тарелки по Мерфри

по,1-му компоненту; индекс р относится к равновесному значению; уравнение фазового равновесия на п-й тарелке = (7)

где К — константа фазового равновесия.

На основе представленного математического описания была разработана модель непрерывнодействующей колонны. На ней проведен численный эксперимент по ректификации трехкомпонентных смесей этанол—вода—микропримесь на спиртовой колонне [7] с колпачковыми тарелками диаметром 1000 мм. В качестве микропримесей брали головные, промежуточные и хвостовые примесные компоненты; ацетальдегид, уксусноизо-амиловый эфир и изоамиловый спирт соответственно. Исходные данные для расчета были следу-

ющими:

Число тарелок в колонне 71

Номера тарелок:

отбора паров сивушного масла 7

питания 16

отбора сивушного спирта 25

отбора бокового пастеризованного 69

спирта

Коэффициент орошения1 6

Тип тарелок в колонне Колпачковые

Диаметр колонны, мм 1000

Расход исходной смеси, кг/ч 1000

Расход2, %:

дистиллята 1

пастеризованного спирта 100

сивушного спирта 3

паров сивушного масла 5

Расход кубового остатка, кг/ч По (2)

Содержание в исходной смеси3: ,, спирта, об.% " ' ' ' 42

ацетальдегида, мг/л . 6,59-Ю-4

уксусноизоамилового эфира, мл/г 30,97

изоамилового спирта, мг/л .... 2582,2

Примечания: 1 — отношение количества флегмы к количеству отбираемого пастеризованного спирта; 2 — взят в процентах от количества спирта в исходной смеси;

3 — по данным расчета эпюрационной колонны.

Решение системы уравнений производили пота-релочным расчетом. Следует отметить, что недостаток этого метода — возможность появления неустойчивой схемы счета при расчете компонентов, обладающих значительным различием в летучестях. Для его устранения использовали различные направления счета. Расчет по тяжелым компонентам вели в направлении от куба к дефлегматору, а по легким — от дефлегматора к кубу. Последнее связано с необходимостью итерационного подбора состава жидкости на тарелке. Последовательность расчета была следующей:

1. Задавали начальное значение концентрации спирта в кубе колонны.

2. Пренебрегая исчерпывающим действием кипятильника, по уравнению (6) определяли состав пара, уходящего с первой тарелки, считая смесь бинарной.

3. По уравнению рабочей линии (5) определяли состав жидкости на вышерасположенной тарелке.

4. По уравнению (6) определяли состав пара, уходящего с тарелки.

5. Определяли состав дистиллята по спирту, для чего расчеты пунктов 3 и 4 повторяли для всех тарелок колонны.

6. Проверяли выполнение компонентного баланса колонны (3) по спирту для принятого значения концентрации спирта в кубе и рассчитанного значения его концентрации в дистилляте. Если заданная точность выполнения проверяемого баланса была не достигнута, то изменяли принятое значение концентрации спирта в кубе колонны и расчет повторяли, начиная с пункта 2. Для уточнения этого значения, применяли шаговый метод. Если точность достигнута, то на каждой тарелке по уравнению (7) определяли константу фазового равновесия и на фоне рассчитанного распределения спирта аналогичным образом вели расчет по примесному (3-му) компоненту. Если последний — легколетучая примесь, то, как было отмечено выше, расчет осуществляется в обратном направлении по уравнению рабочей линии (4).

Результаты расчета спиртовой колонны с учетом всех рассмотренных явлений, происходящих на тарелке, представлены в таблице. Распределение примесей по высоте спиртовой колонны с расчетом чисел единиц переноса в паровой фазе по уравнению Герстера [8] для ацетальдегида (а), уксусноизоамилового эфира (б) и изоамилола (в) показано на рис. 3 (Ы — номер тарелки; С — содержание примеси; 1,2,3 — кривые, полученные соответственно с учетом чистой массопередачи, с учетом сопряженного тепломассообмена и термических эффектов и эффектов поверхностного натяжения).

Важно подчеркнуть, что рассчитанный по уравнению Герстера [8] коэффициент массоотдачи в паровой фазе соответствует эффективности тарелки 0,7-0,8. В. реально действующих промышленных аппаратах эта величина, как правило, составляет 0,5, поэтому представляет интерес оценить влияние коэффициента массоотдачи в паровой

64

ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. ПИЩЕВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ, № 1, 2000

Таблица

N

Корректирующий Расчет эффективности тарелки с учетом

Компонент множитель в уравнении Герстера массопередачи сопряженного . тепломассобмена и термических эффектов сопряженного тепломассобмена, термических эффектов и эффектов поверхностного натяжения

Этанол, %об.

Ацетальдегид, мг/л

Уксусноизоамиловый эфир, мг/л

Изоамиловый спирт, мг/ г

фазе на содержание этанола и примесей в пастеризованном спирте. Из таблицы видно, что концентрация спирта практически не зависит от способа расчета эффективности тарелки. Установлено, что крепость в 90% об. достигается уже на 20-й тарелке колонны, а на последующих тарелках увеличивается, асимптотически приближаясь к азеотроп-ной точке. Очевидно, это характерно для колонн с большим числом тарелок. При этом распределения спирта по высоте колонны, рассчитанные по моделям массопередачи, термических эффектов и по полной модели, будут практически совпадать.

С термодинамической точки зрения на поведение микропримесей оказывает влияние распределение спирта, поэтому, рассчитывая колонну по всем моделям, можно было ожидать одинакового качества продукта. Однако это не так. Существенную роль в распределении примесей играет эффективность тарелки, которая в свою очередь определяется эффектами взаимодействия и всеми рассмотренными явлениями. Распределение спирта, как было отмечено, не зависит от всех рассмотренных эффектов. Поскольку именно оно определяет поведение примесей, то распределение последних не зависит от равновесия. Таким образом, основной причиной изменения качества продукта, получаемого на спиртовой установке, является влияние кинетики процесса. Это влияние перекрестных эффектов многокомпонентной массопередачи, термических эффектов и эффектов поверхностного натяжения. Во всех случаях уменьшение коэффициента массоотдачи ведет к увеличению содержания примесей в продукте, а следовательно, к ухудшению его качества. Исключение составляет расчет с учетом чистой массопередачи для изоамило-вого спирта, где при небольшом снижении коэффициента массоотдачи в паровой фазе происходит уменьшение количества изоамилола, а при дальнейшем снижении коэффициента наблюдается резкое увеличение содержания примеси. Это, главным образом, связано с соответствующими изменениями эффективностей тарелки. Если вести рас-

1 95,92 95,92 95,94

0,6 95,80 95,81 95,85

0,2 ■ ; ’ ' 94,98 95,00 95,44

1 7.866 10-4 7,725-10“4 10.27-10 4

0,6 * ;У; 9.394-10'4 12,06-10~4 11,54-1О-4

0,2 Г' 13,140-КГ4 14,63-10“4 ,7 13.98-Ю !

1 0,001210-10'5 0,000994-10-5 2,93100-10-5

0,6 8,57800-10~5 15530-10“5 156,890 -10“5

0,2 844000-1О-5 3118000 -10-5 45000-10' 5

1 0,012475-Ю-5 0.001027-10 0,005199-10“5

0,6 0,008021•10“5 12У.48- ю ; 0,008810-Ю"5

0,2 377000-1О'5 579798000-10'5 45,37-10”5

чет коэффициента массоотдачи в паровой фазе по уравнению Герстера, то при переходе от модели массопередачи к модифицированной модели тарелки можно наблюдать небольшое уменьшение, а затем увеличение количества примесных компо^ нентов. При уменьшенном коэффициенте массоотдачи в паровой фазе происходит сначала увеличение, а затем снижение содержания микропримесей при переходе от модели массопередачи к модифицированной модели. Следует отметить, что для ацетальдегида в дистилляте характерна обратная зависимость. При переходе от чистой массопередачи к полной модели уравнение Герстера дает сначала увеличение, а затем снижение концентрации ацетальдегида; пониженный коэффициент массопередачи приводит сначала к уменьшению, а затем к увеличению содержания ацетальдегида при переходе к модифицированной модели.

О характере распределения примесных компонентов можно судить по рис. 3. Так, для ацетальдегида (а) характерно практически полное совпадение всех трех расчетных кривых и резкое увеличение концентрации в верхней части колонны, поэтому отбор пастеризованного спирта, с точки зрения содержания в нем ацетальдегида, целесообразнее вести с 3-9-й тарелки сверху, где концентрация последнего невысока. Для уксусноизоами-лового эфира (рис. 3, б) площадь, ограниченная кривой 3, меньше, чем кривыми 1 и 2. Следовательно, содержание его в пастеризованном спирте больше в случае расчета эффективностей тарелок по полной модели. Зависимости эффективности тарелки по уксусноизоамиловому эфиру от концентрации спирта для случаев чистой массопередачи и сопряженного тепломассообмена с учетом термических эффектов очень близки, как видно из рис. 2 (кривые 1 и 2). Этим может объясняться совпадение кривых 1 и 2 распределения уксусно-изоамилового эфира по высоте колонны (рис. 3, б). Таким образом, для этого компонента учет сопряженного тепломассообмена и термических эффектов не сказывается на качестве продукта, но учет

эффей ухудц| циент] Герст< ничен чет К(| болых! расче^ вая 3}

В.Е. К Е.Н. 1|

КубансI

В П|

НИИ И

насыц ми, о1! также! подве При э рован:

(чі.ЗОМ

T’cL'i^ j{!l

[Л'ч^иа,

■ і4фл-ЬіїП'я

; фазе :u?

I MMCi.iL .іл "’auG-.'j iHI.Lh- з К KjOMIIO-:,■ ЦГГПП7-VRCrl ИЧІҐ-

цгл^'н ttg п л Иь-.ч1'-

., dT.7.1 Л Of^U'.MSnl cl:i *[#.=?.-

'il'O n::: Sh!Ue-J[T^3-

^ I j ІГЇ LJ.'W 0 L L'X JKJ-MK-. 1 *7-*

jm

J.I К"НГ.У

r u j.ll :::ij'i k-

|im .І^ПИ

:■>!■ ws?||T1'

K'J -З'-fHLI.

, С H Л.0

- vrvuci. Н^ЬімІЙ

■І ГІЄН І.і.5Г

G P.V.F.J-

г.н ^пл[і't-

!" Tlp^lrii.h! i-rh>:o^'.;L

v Iji КГ;- -

I .1

( U.Ill I'■ '■'?■

-Г.ЯС Ч\I

v ■- . ',' Г: ГТ' ' -

1 lj;. (■:?i С^-ря-ат ч£ф:к s v:: vhipr

Рис. 3

3. Термические эффекты и эффекты поверхностного натяжения оказывают существенное влияние на качество ректификованного спирта.

ЛИТЕРАТУРА

1. Умрихин Е.Д., Константинов Е.Н. Термические эффекты при ректификации пищевого этилового спирта / / Изв. вузов. Пищевая технология. — 1999. — № 1. — С. 55-59.

2. Умрихин Е.Д., Константинов Е.Н. Исследования сопряженного тепломассообмена при ректификации многокомпонентных спиртовых смесей с учетом термических эффектов // Изв. вузов. Пищевая технология. —1999. — № 4. — С. 57-61.

3. Левин В.Г. Курс теоретической физики. Т. 1, 2-е изд., перераб. — М.: Наука, 1969. — 912 с.

4. Kirshbaum Е. // Chem.-Ing.-Techn. — 1951. — 23. — № 9-10. — S. 213-222.

5. Coulson J.M., Richardson J.F., Sinnott R.K. // Chem. Eng. Design. Pergamon Press. — 1983. — 6. — 838 p.

6.' Багатуров C.A. Основы теории и расчета перегонки и ректификации. 3-е изд., перераб. — М.: Химия, 1974. — 439 с.

7. Технология спирта /. В.А. Маринченко, В,А. Смирнов, Б.А. Устинников и др.; Под ред. В.А. Смирнова. — М.: Легкая и пищевая пром-сть, 1981. — 416 с.

8. Шервуд Т., Пигфорд Р., Уилки Ч. Массопередача: Пер. с англ.: Н.Н. Кулова; Под ред. В.А. Малюсова. — М.: Химия, 1982. — 695 с.

Кафедра процессов и аппаратов пищевых производств

Поступила 29.09.99 г.

эффектов поверхностного натяжения приводит к ухудшению последнего в случае расчета коэффициента массоотдачи в паровой фазе по уравнению Герстера. У изоамилола (рис. 3, в) площадь, ограниченная кривой /, меньше. Следовательно, расчет колонны с учетом чисто'й массопередачи дает большее его содержание в готовом продукте, чем расчет с учетом всех рассмотренных явлений (кривая 3). :•

ВЫВОДЫ

1. Установлено, что учет эффектов поверхностного натяжения объясняет наличие максимума на кривой зависимости эффективности тарелки по Мерфри от состава смеси этанол—вода, согласуется с экспериментальными данными и может приводить к изменению характера зависимости эффективности тарелки по промежуточным компонентам от концентрации спирта.

2. В спиртовой колонне учет сопряженного тепломассообмена, термических эффектов и эффектов поверхностного натяжения практически не сказывается на содержании спирта в готовом продукте, поэтому при расчете ректификации бинарной смеси этанол—вода этими эффектами можно пренеб-речь.

66.061.001.57

РАВНОВЕСИЕ В СИСТЕМЕ ЖИДКОСТЬ-ПОРИСТОЕ ТВЕРДОЕ ТЕЛО

В.Е. КОНСТАНТИНОВ, Т.Г. КОРОТКОВА,

Е.Н. КОНСТАНТИНОВ

Кубанский государственный технологический университет

В пищевой промышленности при экстрагировании из твердых тел, отгонке из них растворителя, насыщении полупродуктов целевыми компонентами, очистке пищевых жидкостей адсорбентами, а также при сушке влажных материалов обработке подвергаются, как правило, пористые вещества. При этом пооы их заполнены жидкостью. Моделирование указанных процессов требует знания за-

висимостей между равновесными составами жидкости, находящейся в порах твердого тела (поровой жидкости), и омывающей жидкости, например экстрагента. Строго говоря, связь компонентов жидкой фазы с твердым веществом растительного или животного происхождения чрезвычайно сложна и включает осмотические, адсорбционные и химические эффекты. Настоящая статья ограничивается случаем чисто адсорбционного взаимодействия. В качестве модели используется поровая адсорбционная модель [1, 2], согласно которой рассматривается равновесие между флыцавдщей