НПЦ СКЭ - центр практической экологии

Е.Д. УМРИХИН, Т.Г. КОРОТКОВА, Е.Н. КОНСТАНТИНОВ

Кубанский государственный технологический университет

Исследование процесса получения высококачественного этилового спирта методом периодической ректификации

По материалам сайта  http://duplo-sova.narod.ru

В производстве ректификованного пищевого спирта сегодня возрос интерес к созданию и внедрению периодически действующих установок малой и средней мощности, обладающих достаточной эффективностью. Промышленность, ранее ориентированная на производство крупногабаритного оборудования, не производит контактных устройств для малогабаритных установок, а их эффективность недостаточно исследована.

Вместе с тем, отделение примесей ректификацией является основной задачей производства пищевого этилового спирта. Несмотря на то, что теория ректификации многокомпонентных смесей, к которым относятся и спиртовые, разработана достаточно глубоко, теория ректификации спиртовых смесей продолжает интенсивно развиваться. Это связано с особенностями технологии получения спирта. Во-первых, в составе спиртовых смесей содержится до 100 и более примесных компонентов, различных по химической природе; во-вторых, хотя концентрация примесей не слишком велика, качество пищевого ректификованного спирта определяется именно их суммарным содержанием. Получить требуемое качество спирта на периодически действующих установках затруднительно, а использовать накопленный в непрерывной ректификации опыт в полной мере не удается. В связи с этим возникает задача исследования процесса ректификации пищевого спирта на контактных тарелках периодически действующих установок и особенностей массопереноса примесных компонентов на них.

Распределение примесей по высоте колонны зависит в первую очередь от соотношения основных компонентов в спиртовых смесях - этилового спирта и воды. Поэтому решение задачи требует рассмотрения поведения бинарной смеси этанол- вода. Установлено, что эффективность тарелки для этой смеси очень сильно зависит от состава [1] из-за изменяющихся в зависимости от него свойств компонентов, фазовых сопротивлений и тангенса угла наклона касательной к равновесной кривой [2]. Кроме того, на эффективность тарелки существенное влияние оказывают неэквимолярный массообмен и ее зависимость от состава имеет экстремальный характер, который большинство исследователей объясняют наличием термических эффектов [3-5].

При этом процесс ректификации рассматривается как массообменный, исходя из чего вводятся различные механизмы термических эффектов, обусловленных градиентом температур контактирующих фаз. Большинство сходится во мнении, что тепло, переданное в результате протекания совместного тепломассообмена, может привести к испарению жидкой фазы и конденсации паровой. В [6] разработана математическая модель совместного тепломассообмена на колпачковых тарелках в бинарной смеси этанол-вода, а в [7] - в многокомпоненсание предложенной модели входят: уравнения кинетики массоотдачи, представленные уравнениями неэквимолярного переноса вещества; уравнения кинетики теплоотдачи, которые также учитывают неэквимолярность процесса; балансовые уравнения для границы раздела фаз; уравнения, равновесия на границе раздела фаз и дифференциальные уравнения материального и теплового балансов для бесконечно малого участка межфазной поверхности.

С помощью этой модели установлено одновременное протекание при тепломассообмене процессов переохлаждения паров и перегрева жидкости, наличие большого суммарного поперечного потока, сравнимого с потоками спирта из жидкости в пар, приводящего фактически к конденсации паровой фазы. Обнаружено противоречие между явлением преимущественной конденсации за счет большого суммарного потока и тепловым балансом тарелки, который обусловливает практически эквимолярный перенос вещества. Разрешено противоречие уравнений тепломассообмена с фундаментальным уравнением теплового баланса путем учета в математической модели тепломассообмена термических эффектов. Подтверждено увеличение за счет термических эффектов эффективности тарелки по Мерфри в области малых и средних концентраций спирта. Показано, что совместный учет тепломассообмена и термических эффектов увеличивает эффективность массопередачи по примесям в той же мере, как и для основных компонентов в области малых и средних концентраций спирта. В дальнейшем модель расчета действительной тарелки была модифицирована с учетом влияния эффектов поверхностного натяжения [8], идентифицирована и использована для проектирования промышленной брагоректификационной установки периодического действия.

В настоящей работе данная модель используется при исследовании процесса получения пищевого этилового спирта методом периодической ректификации. Последовательность расчета состоит из двух этапов: на первом - рассчитываются концентрации компонентов на тарелках, т. е. моделируется период пуска при работе колонны в замкнутом режиме, на втором - решается система дифференциальных уравнений методом Эйлера, т.е. рассчитываются концентрации компонентов на тарелках при периодическом режиме работы колонны.

Первый этап.

Задается состав смеси на всех тарелках, равный составу исходной смеси. В качестве 1-й тарелки примем куб, а N-й - рефлюксную емкость. Расчет состава паровой фазы по заданному составу жидкой фазы проводится стандартным методом на основе программы расчета температуры кипения многокомпонентной смеси. В качестве известных величин приняты давление и состав жидкой фазы. В программе рассчитываются значения зависимых переменных - температуры и равновесного состава паровой фазы с использованием уравнения равновесия и стехиометрического соотношения

где хi - мольная доля i-ro компонента в жидкой фазе;

y*i - мольная доля i-ro компонента в паровой фазе, равновесной с жидкой фазой;

i - номер компонента от 1 до n;

ki - константа фазового равновесия i-го компонента, определяемая по выражению

где Р°i-упругость паров i-го компонента, мм рт. ст.;

Р - давление в аппарате, принято равным 760 мм рт. ст.;

yi - коэффициент активности i-го компонента.

Коэффициент активности yi рассчитывают по уравнению UNIFAC с учетом исправленных энергетических параметров бинарного взаимодействия применительно к спиртовым смесям [9], упругость паров i-го компонента - по уравнению Антуана

Ai, Bi, Сi -константы Антуана i-го компонента.

Система уравнений (1)-(3) решается итерационным методом путем задания начального приближения по температуре и уточнения состава пара при данной температуре. Расчетные значения состава паровой фазы нормируются к единице и представляются, равными составу жидкой фазы на 2-й тарелке.

Состав паров, покидающих тарелку yi,j, определяется по модели расчета действительной тарелки [8].

Аналогично вышеизложенному проводится расчет состава паровой фазы последующих тарелок, включая рефлюксную емкость. Затем рассчитывается количество i-го компонента на каждой i-й тарелке, суммируется и сравнивается с исходным количеством i-го компонента в колонне.

где Gj -мольное количество жидкости на j-й тарелке.

Если относительное изменение количества i-го, компонента больше 0,001, т. е.

где Gi,исх, Gi,расч - исходное и расчетное количество i-го компонента к колонне, то концентрация i-го компонента в кубе xi,1., пересчитывается по выражению

Расчет первого этапа заканчивается при достижении относительного изменения количества i-го компонента меньше 0,001.

Второй этап.

Предварительно рассчитывается мольное количество паров, поднимающихся по колонне, которое принимается по ее высоте постоянным. Задается количество дистиллята, отбираемое в виде готового продукта из рефлюксной емкости. Мольное количество жидкости, стекающей по колонне, принимается постоянным и равным разности между количеством паров, поднимающихся по колонне, и количеством отбираемого дистиллята.

Решается следующая система дифференциальных уравнений: изменение мольного объема куба dV1 за время dt

где L2 - мольное количество жидкости, стекающей со 2-й тарелки;

С1 - мольное количество паров, поднимающихся из куба;

изменение мольной концентрации i-ro компонента d кубе dxi,j за время dt

изменение мольной концентрации i-го компонента на j-й тарелке dxi,j

изменение мольной концентрации i-го компонента в рефлюксной емкости dxi,N

где GN-1 - мольное количество паров, поднимающихся в рефлюксную емкость;

LN - мольное количество жидкости, возвращаемой в виде флегмы в колонну из рефлюксной емкости;

D - мольное количество дистиллята, отбираемого в качестве готового продукта из рефлюксной емкости;

VN - мольный объем рефлюксной емкости.

С учетом того, что GN-1 = LN + D, уравнение (12) примет вид

Значения концентраций i-го компонента на j-й тарелке на следующем шаге интегрирования х*i,j

Значения концентраций i-го компонента на j-й тарелке с учетом нормировки х*i,j

Расчет температуры кипения и устава паров i-го компонента на j-й тарелке yi,j проводится аналогично.

Время работы колонны

Составы исходной смеси (табл. 1) приняты на основе анализов бражного дистиллята, проведенных в специализированной научно-исследовательской лаборатории контроля качества пищевых продуктов Краснодарского НИИ садоводства и виноградарства, Расчет периодической колонны заканчивается при достижении заданного времени работы колонны

Таблица 1

Более подробную информацию Вы можете получить связавшись с нами по телефонам (87935) 50347 или по электронной почте vlr53@yandex.ru

Отправить сообщение для: vlr53@narod.ru с вопросами и замечаниями об этом веб-узле.
© 2006 ГУ СКО НИЦ ПУРО
Дата изменения: 17.06.2009