Совершенствование процесса брагоректификации с учетом массопередачи в многокомпонентных смесях

В Российской Федерации перерабатываются на спирт большие объемы крахма-лои сахаросодержащего сырья. В основном, получение пищевого этилового спирта осуществляется на установках непрерывного действия с использованием традиционной технологии брагоректификации. Наиболее распространены брагоректификацион-ные установки (БРУ) косвенного действия. В настоящее время возникли две задачи, стимулирующие дальнейшие исследования в области улучшения показателей работы БРУ. Первая задача — улучшение качества спирта, что обусловлено изменением условий потребительского рынка. Вторая — снижение удельных энергетических затрат, что связано с увеличивающейся стоимостью энергии и ее ограниченными ресурсами. Вместе с тем, развитие среднего и малого бизнеса привело к росту спроса на гибкие, простые в эксплуатации и не требующие больших капиталовложений установки брагоректификации малой и средней мощности. Перечисленным требованиям отвечают в большей степени установки не непрерывного, а периодического действия или установки, комбинирующие оба способа ведения процесса.

Современный уровень оснащения вычислительной техникой, последние достижения в области теории парожидкостного равновесия, развитая теория массопередачи в многокомпонентных смесях позволяют решать эти задачи, опираясь на методы математического моделирования. Исследование процессов брагоректификации методами математического моделирования требует комплексного решения вопросов теории расчета многокомпонентной ректификации, массопередачи в системах с примесными компонентами, а также адаптации к конкретному классу неидеальной смеси современных методов описания парожидкостного равновесия.

По сложившимся теоретическим представлениям о ректификации спиртосодержащих смесей они относятся к бинарной системе с примесными компонентами. Это позволяет производить определение распределения спирта и воды по высоте колонны, а на следующем этапе рассчитывать независимо друг от друга профиль концентраций примесных компонентов по высоте колонны. Такой подход является приближенным, и возникает задача разработки эталонной модели, учитывающей взаимное влияние всех компонентов и тепловые эффекты на всех действительных тарелках колонны.

Работа финансировалась по гранту «Разработка теории тепломассообмена в многокомпонентных смесях и ее интеграция с групповыми моделями парожидкостного равновесия в технологии переработки вторичного сырья пищевой промышленности» (конкурс грантов Министерства образования Российской Федерации по фундаментальным исследованиям в области сельхозмашиностроения).

Цель настоящей работы состоит в разработке математической модели ректификации спиртовых смесей, учитывающей массопередачу в многокомпонентных смесях, изменение расхода потоков паров и жидкости от тарелки к тарелке, влияние всех компонентов на парожидкостное равновесие, а также в применении этой модели для совершенствования схемы и режима работы брагорекгификационных установок косвенного действия и разработки БРУ малой мощности.

Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что: на основе анализа данных по парожидкостному равновесию бинарных и трех-компонентных смесей, содержащих компоненты, характерные для примесей, сопутствующих спирту, уточнены параметры группового взаимодействия модели ШПРАСна основе теории массопередачи в многокомпонентных смесях получены уравнения для расчета эффективности тарелки по примесным компонентамразработана математическая модель ректификации спиртовых смесей, учитывающая перекрестные эффекты массопередачи при определении эффективности тарелки, парожидкостное равновесие по методу ТЖШАС и изменение расходов потоков паров и жидкости от тарелки к тарелке (на основе применения уравнения теплового баланса на каждой действительной ступени разделения). В основу расчета положен релаксационный метод, для которого разработана методика расчета параметров потоков, покидающих действительную тарелку по данным о параметрах питающих тарелку потоковпроанализированы особенности расчета ректификации многокомпонентных смесей с учетом массопередачи в многокомпонентных смесях и предложен метод, обеспечивающий надежную сходимость вычисленийна основе численного эксперимента на идентифицированной математической модели разработана усовершенствованная технологическая схема ректификации спиртосодержащих смесей.

Практическое значение диссертационной работы заключается в том, что на основе исследований: уточнены параметры взаимодействия для следующих групп, характерных для примесных и спиртовых компонентов рассматриваемых смесей: СНО-ОН, ОН-СНО, СН0-Н20, Н20-СН0, СООН-СНО, СНО-СООН, ССОО-ОН, ОН-ССООразработаны программы расчета ректификации спиртовых смесей на IBM Pentium 200, рекомендовано использовать для бражной и эпюрационной колонн модель расчета по теоретическим тарелкам, а для спиртовой колонны — по действительнымразработаны рекомендации по режиму работы бражной, эпюрационной и спиртовой колонн, а также усовершенствована технологическая схема брагоректификаци-онной установки косвенного действияпредложена технологическая схема установки малой мощности комбинированного типа для разделения спиртосодержащих смесей, включающая бражную колонну непрерывного действия и спиртовую колонну периодического действияпроведенные исследования использованы при внедрении комбинированных установок малой мощности.

Достоверность и надежность результатов доказана экспериментально и подтверждена при внедрении. Производственные испытания показали, что предложенные установки позволяют получать продукцию высокого качества при интенсивных режимах работы.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены на межрегиональной научно-практической конференции «Пищевая промышленность — 2000» (г. Казань, 1996), Второй Всероссийской научно-теоретической конференции «Прогрессивные экологически безопасные технологии хранения и комплексной переработки сельхозпродукции для создания продуктов питания повышенной пищевой и биологической ценности» (г. Углич, 1996), The First European Congress Chemical.

Engineering Florence (Italy, 1997), на студенческой научно-технической конференции «Модернизация существующего и разработка новых видов оборудования для пищевой промышленности» (г. Воронеж, 1996), на международной научной конференции «Рациональные пути использования вторичных ресурсов агропромышленного комплекса» (г. Краснодар, 1997), на международной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии и оборудование для пищевой промышленности» (г. Воронеж, 1997), на международной научно-практической конференции «Пищевая промышленность — 2000» (г. Казань, 1998), на Всероссийской студенческой научной конференции с международным участием (г. Краснодар, 1998), на студенческой научно-технической конференции «Модернизация существующего и разработка новых видов оборудования для пищевой промышленности» (г. Воронеж, 1998).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 печатных работ /135−148/.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 158 страницах, содержит 113 рисунков и 15 таблиц.