Введение к работе
Актуальность работы. представляют собой смеси различных морсов, настоев, ароматных спиртов, эфирных масел, сахарного сиропа, лимонной кислоты и других пищевых продуктов, а также спирта и воды. Для производства ликероводочных изделий используется широкий ассортимент растительного сырья, которое вносит в изделия ценные и , обладающие целебным, тонизирующим, успокоительным и др. действиями.
Ароматный спирт представляет собой ректификованный этиловый спирт крепостью 75 % …80 %, с примесью ароматических веществ.
Стадии получения ароматного спирта: выделение целевых компонентов из пряного и эфиромасличного сырья экстракцией с последующим разделением полученной смеси ректификацией, которая является заключительной технологической стадией производства, определяющей качество продукта.
Проведенный анализ современного состояния теории, техники и технологии получения ароматного спирта показал, что применяемые способы экстракции и ректификации имеют существенные ограничения не только по продолжительности процесса и качественным показателям готового продукта, но и по энергозатратам.
Основными недостатками существующих методов получения экстрактов из пряного из эфиромасличного сырья является сложность, длительность проведения процесса, потеря значительного комплекса ценных веществ, дорогостоящее оборудование. Одним из известных физических факторов, позволяющих интенсифицировать процесс экстрагирования, является ультразвуковое экстрагирование – высокоэффективный, экономически выгодный, высокопроизводительный, экологически чистый технологический процесс. При использовании ультразвука наблюдается значительное ускорение производственного процесса и увеличение выхода основного продукта по сравнению с другими способами экстрагирования.
Вопросу применения ультразвука в процессах экстрагирования посвящен ряд научных работ таких ученых, как П.М. Макаренко, Г.К. Гончаренко, И.А. Муравьева, Г.И. Молчанова и др.
На стадии ректификации расходуется значительное количество тепловой энергии, поэтому рациональное аппаратурное оформление процесса и снижение затрат энергии является актуальной задачей.
Одним из эффективных способов, позволяющих повысить энергоэффективность установок, является использование теплоты конденсации спиртовых паров для обогрева куба колонны, которой, однако, недостаточно для испарения водно-спиртовой смеси. Поэтому для обеспечения необходимой температуры можно применить схему ректификации с тепловым насосом. Исходя из этого, оценка эффективности использования принципа теплового насоса в процессе ректификации представляет определенный интерес и имеет большое практическое значение.
Процесс ректификации исследовали такие ученые, как С.В. Востриков, С.П. Колосков, С.А. Коновалов, В.Н. Стабников, Н.С. Терновский, П.С. Цыганков, С.Е. Харин, В.Л. Яровенко, Е.М. Константинов, Е.П. Кошевой, А. Гурак, В.Г. Айнштейн и др.
Таким образом, использование в процессе получения ароматного спирта методом ректификации с применением теплового насоса экстрагирования в поле ультразвуковых колебаний обеспечивает не только интенсивное извлечение целевых компонентов, но и сокращение продолжительности проведения процесса, что позволяет значительно повысить его эффективность.
Работа выполнена в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России» на 2007 – 2013 годы (государственный контракт № 16.516.11.6028 от 21.04.11 г. «Проведение проблемно-ориентированных поисковых исследований в области создания эффективных систем энергообеспечения с использованием тепловых насосов»).
Цель и задачи диссертационной работы. Целью диссертационной работы является научное обеспечение повышения эффективности процесса получения ароматного спирта за счет использования принципа теплового насоса при ректификации и ультразвука при экстракции, определение рациональных технологических режимов, обеспечивающих экономию теплоэнергетических ресурсов, повышение качества готовой продукции и разработка инновационных технологических и конструкторских решений при практической реализации процесса.
На основании проведенного литературного и патентного анализа в соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
– изучение свойств мяты перечной и древесной зелени сосны обыкновенной, как объектов исследования; систематизация полученных данных и выработка рекомендаций по их обработке и использованию при производстве ароматного спирта;
– исследование кинетических закономерностей процессов экстракции и ректификации при получении ароматного спирта с использованием теплового насоса;
– исследование показателей качества экстракта и ароматного спирта;
– разработка и реализация способа использования вторичной теплоты по замкнутому циклу;
– разработка математического описания функционирования установки при получении ароматного спирта с использованием теплового насоса и проведение технико-экономической оптимизации системы;
– разработка и изготовление пилотной установки с целью получения ароматного спирта с использованием теплового насоса;
– исследование показателей работы пилотной установки и определение рациональных технологических параметров процесса получения ароматного спирта;
– разработка программы для автоматического расчета параметров теплонасосной установки и выбора оптимального режима ее работы;
– термодинамическая оценка экспериментальной установки в виде ее эксергетического анализа;
– оценка экономической целесообразности использования теплового насоса в процессе ректификации ароматного спирта.
Научная новизна. Установлены кинетические закономерности процесса экстракции с применением ультразвука. Определены основные параметры качества экстрактов из древесной зелени сосны обыкновенной и мяты перечной, полученных с применением ультразвука и использованием анализатора запахов «МАГ-8» с методологии «Электронный нос».
Выявлены кинетические закономерности проведения процесса ректификации при получении ароматного спирта.
Разработано математическое описание режимов работы установки при получении ароматного спирта с использованием теплового насоса, позволяющей оценить технологические и энергетические параметры, а также проведена технико-экономическая оптимизация системы.
На основе полного факторного эксперимента на пилотной установке определены рациональные режимы работы ректификационной колонны с использованием теплового насоса при получении ароматного спирта.
Разработан прикладной программный продукт с использованием средств Visual Studio и языка программирования Visual Basic, предназначенный для автоматического выбора оптимального режима работы теплонасосной установки.
Практическая значимость работы. На основании комплекса исследований, проведенных в лабораторных и производственных условиях, разработан новый способ получения ароматного спирта с использованием ультразвука и принципа теплового насоса.
Проведена термодинамическая оценка эффективности процесса получения ароматного спирта на основе эксергетического анализа.
Новизна технических решений подтверждена положительным решением о выдачи патента РФ по заявке № 2011135122 и патентом РФ на полезную модель № 117151.
Апробация работы. Основные результаты исследований по теме диссертации опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК РФ: Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий (Воронеж, 2012); Вестник Воронежского государственного технического университета (Воронеж, 2012); Финансы экономика стратегия (Воронеж, 2011). В журнале Успехи современного естествознания (Москва, 2012). Результаты исследований доложены и обсуждены на научных конференциях в Воронежском государственном университете инженерных технологий (с 2009 по 2012 гг.).
Результаты работы экспонировались на Всероссийских и Межрегиональных специализированных выставках, форумах, конгрессах, ярмарках: V Воронежский промышленный форум 2012 г.; III, VII Воронежские агропромышленные форумы 2010 – 2011 гг.; Межрегиональный конгресс АГРОПРОМ – 2010.
Результаты работы используются в учебном процессе при выполнении лабораторных работ в виде методических указаний по работе на образце лабораторной теплонасосной установки и апробированы в производственных условиях ООО «Аннинский спиртзавод», ОАО «Ликеро-водочный завод «ВИСАНТ», ОАО «Песчанское».
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 1 патент на полезную модель РФ и одно положительное решение на выдачу патента РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и результатов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 202 страницах машинописного текста, содержит 90 рисунков и 18 таблиц. Список литературы включает 114 наименований. Приложения к диссертации представлены на 32 страницах.
