Введение к работе
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.
2.1 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.
