microbik.ru
1 2 3

На правах рукописи



ЧИЧ Саида Казбековна


РАЗРАБОТКА НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

ПРИЁМОВ УТИЛИЗАЦИИ СИВУШНЫХ И ПОДСИВУШНЫХ ФРАКЦИЙ НА БРАГОРЕКТИФИКАЦИОННЫХ УСТАНОВКАХ



05.18.01 – Технология обработки, хранения и переработки

злаковых, бобовых культур, крупяных продуктов,

плодоовощной продукции и виноградарства



АВТОРЕФЕРАТ


диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук
Краснодар – 2007
Работа выполнена в ГОУ ВПО «Майкопский государственный

технологический университет»

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Сиюхов Хазрет Русланович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Агеева Наталья Михайловна;

кандидат технических наук

Толмачёв Олег Владимирович

Ведущая организация: Краснодарский научно-

исследовательский

институт хранения и переработки

сельскохозяйственной продукции

Россельхозакадемии

Защита диссертации состоится 24 мая 2007 года в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.100.05 в Кубанском государственном технологическом университете по адресу: 350072, г. Краснодар, ул. Московская, 2, корпус “А”, конференц-зал

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кубанского государственного технологического университета
Автореферат разослан 20 апреля 2007 г.
Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.100.05,

канд. техн. наук В.В. Гончар

1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1.1 Актуальность работы. Использование или утилизация вторичных продуктов производства является в настоящее время важной проблемой. Один из путей решения этой проблемы – создание многопрофильных централизованных заводов по переработке отходов. Более перспективным является углубление переработки сырья непосредственно на заводе-производителе.

Проблеме переработки на спиртзаводах вторичных продуктов брагоректификации, в том числе сивушных фракций, уделяется большое внимание. Однако с повышением требований к качеству ректификованного спирта увеличены отборы сивушной фракции. На спиртзаводе большой мощности (6000 дал/сутки этанола) её накапливается за год до 350-400 тыс. дал. В этой связи задача её переработки (утилизации) является актуальной.

При длительном хранении в ёмкостях состав сивушной фракции изменяется по высоте, верхние слои содержат больше сивушных масел и имеют ниже концентрацию этилового спирта, нижние слои сивушной фракции характеризуются повышенным содержанием этилового спирта, что характерно и для подсивушных фракций.

Для решения актуальной задачи разделения сивушной фракции непосредственно на брагоректификационной установке (БРУ) необходима разработка новых технологических приёмов и схем разделения для утилизации смесей различного состава.

Фракции с повышенным содержанием сивушных спиртов и сивушных масел проявляют способность к расслаиванию даже при высоких температурах, когда наряду с расслаиванием на две жидкие образуется и паровая фаза. Этот эффект имеет место как на тарелках ректификационной колонны, так и при сепарации сивушных масел, отбираемых с тарелок, расположенных ниже тарелки питания. В известных методиках при математическом моделировании колонн этот эффект не учитывается и не используется при анализе и оптимизации технологических схем.

При расчёте процессов сепарации обычно используют допущение о достижении равновесия между фазами. Однако в методологии моделирования равновесия имеются недостатки, которые заключаются в том, что теория, основанная на различных выражениях для избыточной энергии Гиббса, во всех случаях предсказывает для состава паров зависимость волнового вида, что находится в противоречии с экспериментальными данными.

В этой связи актуальной является задача разработки уточнённой модели трёхфазной сепарации на основе анализа особенностей процесса в области фазовых переходов.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с инициативной научно-исследовательской темой «Региональный потребительский рынок: качество, мониторинг, сертификация товаров и услуг» (№ гос. регистрации 01.2.00309344).

1.2 Цель исследования. Цель настоящей работы состоит в разработке новых технологических приёмов утилизации сивушных и подсивушных фракций на брагоректификационных установках и методики расчёта процесса трехфазной сепарации системы жидкость  жидкость  пар.

1.3 Основные задачи исследования. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

  • проанализировать технологические приёмы в схемах БРУ и технологические схемы разделения сивушных и подсивушных фракций, применяемые с целью выделения из них этилового ректификованного спирта и сивушного масла;

  • выполнить термодинамический анализ равновесия жидкость – жидкость – пар, разработать математическую модель процесса трехфазной сепарации и использовать её при моделировании и разработке технологических приёмов, схем и режимов работы БРУ;

  • экспериментально определить покомпонентный состав сивушных и подсивушных фракций;

  • разработать новые технологические приёмы утилизации сивушной и подсивушной фракций, реализовать и внедрить их в схемы БРУ косвенного действия;

  • разработать технологические режимы работы установок непрерывного действия для получения на модернизированных БРУ спирта ректификованного по ГОСТ Р 51652-2000 и сивушного масла по ГОСТ 17071-91 из сивушных и подсивушных фракций;

  • получить экономический эффект от реализации ректификованного спирта, вырабатываемого при утилизации всех сивушных фракций.

1.4 Научная новизна. Разработана и идентифицирована по экспериментальным данным математическая модель процесса трехфазной сепарации. Разработаны математические модели усовершенствованных технологических схем БРУ. Предложена методика разработки новых технологических приёмов утилизации сивушных смесей различного состава с получением пищевого этилового ректификованного спирта на БРУ. Новизна технических решений подтверждена патентом РФ на полезную модель № 55363 «Установка непрерывного действия для получения ректификованного спирта из фракций с повышенным содержанием эфиров, альдегидов, сивушных спиртов и сивушных масел».

1.5 Практическая значимость работы заключается в результатах научных исследований, которые позволили разработать программный модуль расчета процесса трехфазной сепарации (получено свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2007611070 «Расчет фазового равновесия в системе паржидкостьжидкость для бинарных и многокомпонентных спиртовых смесей»).

Разработаны новые технологические приёмы утилизации смесей сивушных фракций на брагоректификационных установках.

Разработаны технологические режимы работы установок непрерывного действия для получения на модернизированных БРУ спирта ректификованного по ГОСТ Р 51652-2000 и сивушного масла по ГОСТ 17071-91 из сивушных и подсивушных фракций.

Доказана возможность получения из сивушных и подсивушных фракций пищевого ректификованного спирта по ГОСТ Р 51652-2000 и сивушного масла по ГОСТ 17071-91.

Результаты внедрены на предприятиях ОАО АПФ «Фанагория» и ОАО «Спиртзавод «Майкопский».

1.6 Реализация результатов исследования. При внедрении результатов исследования получено на модернизированной БРУ ОАО АПФ «Фанагория» 2700 дал ректификованного спирта марки I сорта, а также на ОАО «Спиртзавод «Майкопский» 3802 дал ректификованного спирта марки «Высшей очистки» с экономическим эффектом 162 тыс. руб. в год.

1.7 Апробация работы. Основные положения диссертации доложены на межрегиональной научно-практической конференции «Здоровое питание – основа жизнедеятельности человека» (г. Красноярск, 2006 г.); на Второй Всероссийской научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития сервиса: образование, управление, технологии» (г. Самара, 2006 г.); на VIII региональной научно-практической конференции молодых ученых «Научное обеспечение агропромышленного комплекса» (г. Краснодар, 2006 г.); на региональной научно-практической конференции аспирантов, соискателей и докторантов (г. Майкоп, 2007 г.).

1.8 Публикация результатов исследования. По материалам диссертации опубликовано 10 работ, в том числе 4 статьи в рецензируемом журнале, получены патент на полезную модель и свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ.

1.9 Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, выводов, списка использованной литературы, приложений. Основной текст диссертации изложен на 117 страницах компьютерного текста, содержит 20 рисунков и 13 таблиц. Список использованной литературы включает 126 наименований, из них 14  зарубежных авторов.
2 ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1 Объекты исследований. В соответствии с поставленной целью и задачами в качестве объектов исследований использовали сивушную и подсивушную фракции, полученные при выработке ректификованного спирта из зернового сырья, а также  промышленные БРУ косвенного действия.

2.2 Методы исследований. При выполнении работы использованы современные хроматографические методы анализа с расчетом составов анализируемых продуктов на ЭВМ и современные методы моделирования сложных химико-технологических схем.

Процесс равновесной трехфазной сепарации рассмотрен с позиций термодинамического анализа равновесия жидкость – жидкость – пар. Алгоритм расчёта процесса трёхфазной сепарации реализован в среде Borland Pascal с применением численных методов анализа. При моделировании технологических схем использовали стандартные модули процессов ректификации, конденсации и теплообмена.
3 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1 Моделирование равновесных процессов при наличии фазовых переходов. На рисунке 1 приведено сравнение результатов расчёта с использованием метода UNIQUAC и экспериментальных данных по равновесию для смеси изобутанол – вода. В области трёхфазной системы наблюдается качественная несогласованность теории и опыта. Это характерно и для других расслаивающихся смесей в трёхфазной области. Ниже показано, что этот недостаток устраняется при расчёте области расслаивания с использованием методики расчёта равновесной трёхфазной сепарации жидкость  жидкость  пар.

С целью разработки этой методики записана исходная система уравнений этого процесса. При равновесии энтропия системы, состоящей как из трёх (уравнение (1)), так и из двух фаз (уравнение (2)), является максимальной и равна сумме энтропий фаз:

, (1)

. (2)

Учтено, что при равновесии в замкнутой системе её внутренняя энергия U, объём V и число молекул N не изменяются.

, (3) , (4) , (5)

, (6) , (7) , (8)

где i  номер компонента; j  номер фазы.


 экспериментальные данные

Рисунок 1 – Диаграмма фазового равновесия системы «изобутиловый спирт – вода»


Далее использован первый закон термодинамики и уравнения равновесия дополнены уравнениями общего и покомпонентного материальных балансов трёхфазной сепарации и сепарации жидкой фазы.

, (9)

, (10)

, (11)

где , , , количество смеси, двух жидких и паровой фаз; , , ,  концентрация компонента в двух жидких фазах, в смеси и средняя в жидких фазах; y  концентрация компонента в паровой фазе.

Для бинарной смеси . Полученная в итоге система уравнений содержит 11 уравнений с 12 неизвестными.

Рассмотрим равновесные кривые в координатах y-x, которые являются изобарами. Для такой кривой задано давление P, и система становится замкнутой. Необходимо ещё одно уравнение для расчёта количества подведённой теплоты Q. Это уравнение теплового баланса (I  энтальпия):

. (12)

Показано, что для рассматриваемого случая систему уравнений удобно решать как две подсистемы. Первая подсистема позволяет рассчитать составы всех 3-х фаз независимо от величин и . Это обстоятельство свидетельствует о том, что в области составов x, в которой жидкая фаза расслаивается, составы всех 3-х фаз , и не зависят от величин и и поэтому остаются постоянными на участке расслаивания BF (рисунок 1), на котором видно постоянство в этой области состава паров . Участок AB  двухфазная система пар-жидкость с высоким содержанием изобутанола в жидкой фазе, участок BF  трёхфазная система пар-жидкость-жидкость, а FG  двухфазная система пар-жидкость с высоким содержанием воды.

Как показано выше, в области расслаивания состав каждой из жидких фаз , и остаётся неизменным при изменении состава суммарной жидкости . Те же составы фаз имеют место и в точках F и B. В точке F количество фазы с высоким содержанием изобутилового спирта стремится к нулю, а состав жидкости . В точке B количество фазы с высоким содержанием воды стремится к нулю, а состав жидкости . Кривая же, построенная с использованием уравнений UNIQUAC, имеет волнообразный вид FEDCB, что качественно не согласуется с опытными данными.

3.2 Методика расчета парожидкостного равновесия для условия расслаивания жидкой фазы. В соответствии с выполненным термодинамическим анализом разработана методика расчёта составов равновесных фаз системы жидкость – жидкость  пар, блок-схема алгоритма которой приведена на рисунке 2. Банк данных состоит из 38 компонентов спиртовых смесей, представленных четырьмя основными группами: альдегидами, эфирами, спиртами и кислотами. Свойства включают: молекулярную массу, плотность, константы Антуана для расчета упругости паров чистых компонентов, энергетические параметры бинарного межмолекулярного взаимодействия и т.д. Подпрограмма расчета второй производной энергии смешения Гиббса и температуры кипения исходной смеси проводятся по известным методикам. В качестве первого приближения температуры кипения трехфазной системы T принимается температура кипения исходной смеси состава , а коэффициенты распределения  константам фазового равновесия системы пар – жидкость. Усовершенствованный расчет составов двух жидких фаз в виде блок-схемы приведен на рисунке 3. По найденным равновесным составам двух жидких фаз рассчитываются температуры их кипения. Найденные температуры кипения жидкой фазы и сравниваются между собой и с заданной . Если относительное расхождение между этими температурами не превышает 0,01 %, то температуре трехфазной системы присваивается значение температуры кипения жидкой фазы с большим количеством. Цикл расчета составов равновесных фаз системы жидкость – жидкость повторяется до достижения относительного расхождения между температурами 0,01 %. Печатаются результаты расчета: равновесные составы двух жидких фаз , . Равновесный с ними состав парой фазы рассчитывается по уравнению равновесия .


В подпрограмме расчета равновесных составов двух жидких фаз, приведенной в виде блок-схемы на рисунке 3, доля фазы l, первоначально принимается равной 0,5 (это согласуется с рекомендациями С. Уэйлеса). При и составы образующихся фаз равны составу исходной смеси . Вычисляется значение функции цели и запоминается ее знак. Как следует из уравнения величины всех положительны. Состав нормируется к единице и из материального баланса рассчитывается состав второй фазы по уравнению .





Рисунок 2 – Блок-схема алгоритма расчета

составов равновесных фаз системы

жидкость – жидкость – пар

Принято, что в случае или расслаивания нет, составы фаз и равны составу . При нормированных значениях суммарный состав второй фазы автоматически равен . Однако, как следует из уравнения , может оказаться, что концентрации некоторых компонентов второй фазы будут отрицательными. Поэтому l уменьшается до тех пор, пока значения концентраций всех компонентов не станут положительными. По найденным составам фаз и при помощи уравнения фазового равновесия UNIQUAC определяются коэффициенты




Рисунок 3 – Блок-схема

алгоритма расчета равновесных

составов двух жидких фаз




активности i-го компонента в фазах и и соответствующие значения коэффициентов распределения . Затем вновь рассчитывается состав фазы «» и вычисляется значение функции цели . На каждой итерации значение функции цели сравнивается с заданной точностью. Вышеописанная процедура определения новых значений повторяется. При достижении смены знака функции для определения доли одной из равновесных фаз применяется метод касательных Ньютона. Затем процедура определения коэффициентов распределения повторяется. При вычислении значения доли фазы l может оказаться, что или . Такие ситуации возможны, когда составы в гетерогенной области близки к составам, лежащим на ветвях бинодальной кривой. В этих случаях приращение уменьшается по методу деления отрезка пополам до тех пор, пока величина l не окажется в пределах . Использование метода касательных Ньютона приводит также к ситуациям, когда расчетная концентрация одного или нескольких компонентов в фазах или становятся отрицательными. И в этих случаях приращение также уменьшается по методу деления отрезка пополам до тех пор, пока все концентрации компонентов в фазах не станут положительными. После вычисления коэффициентов распределения проводится проверка значений второй производной энергии смешения Гиббса. В случае, когда для какой-либо пары компонентов вторая производная отрицательна, то вычисляется функция цели . Если значение функции цели удовлетворяет заданной точности , то расчет процесса расслаивания заканчивается, и составы равновесных фаз и выводятся на печать. Е
Ну и что?

Откуда брать Кi?

l=1

ЭТО ТАК,НОЛ2=0
сли вторая производная энергии смешения Гиббса для всех пар компонентов положительна, то проводится расчет при заданном l коэффициентов распределения до достижения совпадения их значений для двух последовательных итераций.



а)


1

2


б)

– экспериментальные данные;


следующая страница >>