Введение к работе
1.1 Актуальность работы. Спирт этиловый абсолютированный крепостью не менее 99,7 % об., получаемый из зерна злаковых культур на предприятиях пищевой промышленности, считается сырьем высшего качества, широко используется в медицине и парфюмерно-косметической промышленности. В медицине в связи с последними достижениями он применяется для лечения методом инъекции желудочно-кишечных, проктологических, склеротических заболеваний, поликистоза почек, простатита и заболеваний вен. Кроме этого, этиловый абсолютированный спирт является сырьем для производства продукции бытовой химии, специальных растворителей, для флексографии, производства материалов для солнечных батарей, полупроводниковой электроники и биотоплива.
Обезвоживание спирта, используемого для технических целей в больших объемах, в частности, для получения биоэтанола осуществляют в паровой фазе на молекулярных ситах. Этиловый абсолютированный спирт, получаемый из зернового сырья для нужд медицинской и парфюмерно-косметической промышленности, предназначенный для непосредственного взаимодействия с организмом человека, получают азеотропной ректификацией. Оба этих способа характеризуются высокими энергетическими и капитальными затратами. Одним из основных разделяющих агентов, применяемых при азеотропной ректификации, является бензол, вызывающий рак крови. В настоящей работе эти проблемы решены путем совместной переработки спиртовых и углеводородных смесей. Технология совмещенного производства абсолютированного спирта и биоэтанола позволяет получать одновременно два продукта с меньшими затратами, чем сумма затрат на их отдельное производство. Эта инновационная идея не исследована в лабораторных условиях и не применяется в промышленности. Поэтому обоснование и разработка совмещенной технологии производства абсолютированного спирта и биоэтанола представляют актуальную задачу, которая может быть решена на основе теоретических и экспериментальных исследований, математического моделирования сложных химико-технологических систем и структурно-параметрической оптимизации.
Диссертационная работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований и региональных инвесторов в рамках грантов РФФИ «Обоснование термодинамических основ и разработка новых технологических способов переработки водно-спиртовых и углеводородных смесей с оптимальными параметрами получения биотоплива» (проект № 08.08.99134) и «Обоснование и теоретическое обеспечение энергосберегающего, экологически безопасного производства из зернового сырья пищевого спирта глубокой очистки путём совмещения стадий разваривания и брагоректификации с выпариванием барды, использования инновационного квазистационарного процесса ректификации, совмещённого с тепловым насосом, и переработки сивушных масел с выделением многокомпонентного гетероазеотропа» (проект № 11-08-96507-р_юг_ц).
1.2 Цель исследований. Целью настоящей работы явились обоснование и разработка технологии совмещенного производства абсолютированного спирта и биоэтанола.
1.3 Основные задачи исследований. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
– разработать математическую модель постепенной перегонки расслаивающихся жидких систем;
– теоретически и экспериментально исследовать закономерности изменения температур кипения смеси «этанол-вода-н-гексан» и состава фаз, полученных расслаиванием дистиллята при постепенной перегонке;
– разработать методику расчета состава азеотропов и обобщить экспериментальные данные по бинарным и тройным азеотропам;
– разработать математическую модель идеальной ректификации и определить концентрационные области разделения гетероазеотропной смеси «этанол-вода-н-гексан»;
– разработать ректификационную установку периодического действия, обеспечивающую непрерывное получение с верха колонны гетероазеотропа для осуществления эффективной дегидратации и получения в кубе абсолютированного спирта;
– экспериментально исследовать технологические операции дегидратации ректификованного спирта, отгонки из него разделяющего агента – гексана, расслаивания в системе «жидкость-жидкость» гетероазеотропной смеси «этанол-вода-н-гексан»;
– разработать инновационную технологию совмещенного производства абсолютированного спирта и биоэтанола из бражки, выработанной из зерна злаковых культур;
– выполнить технико-экономическое обоснование и разработать технологическую инструкцию по производству спирта этилового абсолютированного.
1.4 Научная новизна. Научно обоснована и разработана новая технология совмещенного производства абсолютированного спирта и биоэтанола из бражки, выработанной из зерна злаковых культур. Разработана методика расчета состава азеотропов и на ее основе обобщены экспериментальные данные по бинарным и тройным гетероазеотропам. Определены области разделения смеси «этанол-вода-н-гексан» на основе моделирования периодических процессов постепенной перегонки и идеальной ректификации. Разработана математическая модель постепенной перегонки расслаивающихся жидких систем с использованием метода численного интегрирования Эйлера.
Новизна технических решений подтверждена патентами РФ на полезные модели № 92808 «Установка непрерывного действия для получения бензанола» (2010 г.), № 97369 «Установка непрерывного действия для получения абсолютного спирта» (2010 г.) и № 105291 «Установка непрерывного действия для получения абсолютного спирта и бензанола» (2011 г.).
1.5 Практическая значимость. Определены оптимальные структура и технологический режим непрерывно-действующей установки по совмещённому производству этилового абсолютированного спирта и биоэтанола. Получен абсолютированный спирт и биоэтанол на стендовой ректификационной установке периодического действия, апробированы технологические операции дегидратации ректификованного спирта и отгонки от него разделяющего агента – гексана, а также расслаивания в системе «жидкость-жидкость» гетероазеотропной смеси «этанол-вода-н-гексан». В результате структурно-параметрической оптимизации разработан технологический режим работы установки. Экономический эффект по сравнению с бензольным способом в расчете на производительность по ректификату 1000 дал/сут. составляет 3,397 млн руб. в год. Технологическая инструкция по производству спирта этилового абсолютированного и акт о промышленном использовании результатов разработки совмещенного производства абсолютированного спирта и биоэтанола утверждены ООО «КХ Восход» г. Майкопа.
1.6 Апробация работы. Основные положения диссертации доложены, обсуждены и одобрены на XII Международной научно-практической конференции «Современные проблемы техники и технологии пищевых производств» (г. Барнаул, 2009 г.); Всероссийской научно-практической конференции аспирантов, докторантов и молодых ученых (г. Майкоп, 2009 г.); на X Международной конференции молодых ученых «Пищевые технологии и биотехнологии» (г. Казань, 2009 г.); на III Международной научно-практи-ческой конференции «Пищевая промышленность и агропромышленный комплекс: достижения, проблемы, перспективы» (г. Пенза, 2009 г.); на I Всероссийской студенческой научной конференции «Молодежная наука пищевой промышленности России» (г. Ставрополь, 2009 г.); на III Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Современное состояние и перспективы развития пищевой промышленности и общественного питания» (г. Челябинск, 2009 г.); на Международной научно-практической конференции «Комплексное использование биоресурсов: малоотходные технологии» (г. Краснодар, 2010 г.); на XXXVII научной конференции студентов и молодых ученых вузов Южного федерального округа (г. Краснодар, 2010 г.); на II Международной научно-технической конференции «Новое в технологии и технике пищевых производств» (г. Воронеж, 2010 г.); на XI международной конференции молодых ученых «Пищевые технологии и биотехнологии» (г. Казань, 2010 г.); на Всероссийской научно-практической конференции аспирантов, докторантов и молодых ученых (г. Майкоп, 2010 г.).
1.7 Публикация результатов исследования. По материалам диссертации опубликовано 19 научных работ, в том числе 5 статей в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ, получено 3 патента РФ на полезные модели.
1.8 Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, обзора научно-технической и патентной литературы, экспериментальной части, выводов, списка использованной литературы и приложения. Основной текст диссертации изложен на 167 страницах компьютерного текста, содержит 44 рисунка и 23 таблицы. Список использованных литературных источников включает 174 наименования, из них 55 - зарубежных авторов.
