Научное обоснование и разработка квазистационарного технологического режима получения пищевого спирта при импульсном отб о р е сивушных масел

На правах рукописи

ПАНЕШ Раиса Нальбиевна

НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ и разработка

КВАЗИСТАЦИОНАРНОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО РЕЖИМА

получения пищевого спирта при импульсном

ОТБОРе СИВУШНЫХ МАСЕЛ

05.18.01 – Технология обработки, хранения и переработки

злаковых, бобовых культур, крупяных продуктов,

плодоовощной продукции и виноградарства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Краснодар 2009

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Майкопский государственный

технологический университет»

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Сиюхов Хазрет Русланович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Агеева Наталья Михайловна

кандидат технических наук, доцент

Артамонова Валентина Викторовна

Ведущая организация: ГУ «Краснодарский научно-

исследовательский институт хранения

и переработки сельскохозяйственной продукции» Россельхозакадемии

Защита диссертации состоится 19 ноября 2009 года в 16.00 час. на заседании диссертационного совета Д 212.100.05 в Кубанском государственном технологическом университете по адресу: 350072, г. Краснодар, ул. Московская, 2, конференц-зал

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кубанского государственного технологического университета

Автореферат разослан 19 октября 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

Д 212.100.05, канд. техн. наук В.В. Гончар

1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1.1 Актуальность работы. Современным направлением повышения эффективности пищевых производств является совершенствование технологий с использованием новых идей и научных результатов. Одной из инновационных идей, направленных на улучшение показателей технологических процессов в пищевой промышленности, является использование импульсных возмущений и квазистационарного режима. В настоящее время проблема повышения эффективности производства в спиртовой промышленности остро стоит в связи со следующими причинами. Наблюдается рост объёмов производства этилового спирта из зернового сырья как для пищевой промышленности, так и для биоэтанола. Новый ГОСТ Р 51652-2000 на спирт этиловый ректификованный из пищевого сырья существенно повысил требования к содержанию в спирте сивушных масел. Спирт марки «Люкс» должен содержать не более 6 мг/дм3 сивушных масел, однако в настоящее время имеются затруднения в сбыте пищевого спирта даже такого высокого качества. Надежный сбыт имеет более высококачественный спирт с содержанием сивушных масел менее 2 мг/дм3. Повышение качества пищевого спирта обычно обеспечивается путем значительного увеличения отбора сивушной фракции. Следствием является снижение выхода спирта. Одновременно возникает проблема сбыта повышенных объемов сивушных спиртов и сивушных масел. На большинстве брагоректификационных установок (БРУ) косвенного действия, широко распространённых в России, не удаётся решить вышеизложенные проблемы в рамках стационарного технологического режима получения пищевого спирта и при практике отбора сивушных масел с тарелок, на которых их концентрация максимальна.

В связи с изложенным актуальным является научное обоснование и разработка квазистационарного технологического режима получения пищевого спирта при импульсном отборе сивушных масел и разработка новой методики определения оптимального места отбора сивушных спиртов и сивушных масел из спиртовой колонны, направленные на увеличение выхода спирта заданного качества и снижение величины отбора фракции сивушных масел (ФСМ), а также содержания этанола в ней.

Диссертационная работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований и региональных инвесторов в рамках ГРАНТа РФФИ «Обоснование термодинамических основ и разработка новых технологических способов переработки водно-спиртовых и углеводородных смесей с оптимальными параметрами получения биотоплива» (проект № 08.08.99134).

1.2 Цель исследования. Целью настоящей работы явилось научное обоснование и разработка квазистационарного технологического режима получения пищевого спирта при импульсном отборе сивушных масел и разработка методики определения оптимального места отбора сивушных масел.

1.3 Основные задачи исследования. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

• научно обосновать и разработать квазистационарный режим работы спиртовой колонны получения пищевого спирта при импульсном отборе сивушных масел;
• обосновать выбор сырья для производства бражки, выработанной из зерновой смеси;
• развить физико-химические основы разделения смесей, содержащих преимущественно воду и высшие спирты, экспериментально выполнить разгонку сивушной фракции на колонне четкой ректификации после предварительной отгонки этанола. Разработать адекватную модель описания равновесия в системе жидкость-жидкость для изучаемых смесей и определить энергетические параметры бинарного взаимодействия;
• оценить время насыщения колонны спиртовыми компонентами;
• выполнить сравнение квазистационарного и стационарного режимов работы спиртовой колонны;
• апробировать на производстве квазистационарный технологический режим получения пищевого спирта при импульсном отборе фракции сивушных масел;
• разработать и обосновать методику определения оптимального места отбора сивушных спиртов и сивушных масел из спиртовой колонны;
• разработать брагоректификационную установку непрерывного квазистационарного действия;
• выполнить технико-экономическое обоснование использования технологического квазистационарного режима работы спиртовой колонны с импульсным отбором фракции сивушных масел.

1.4 Научная новизна. Научно обоснован и разработан квазистационарный технологический режим получения пищевого спирта при импульсном отборе сивушных масел.

Разработана адекватная модель фазового равновесия в системе жидкость-жидкость для смесей, содержащих преимущественно воду и высшие спирты.

Разработана новая методика определения оптимальных мест отбора сивушных спиртов и сивушных масел из спиртовой колонны.

Новизна технических решений подтверждена патентом РФ на полезную модель № 86110 «Брагоректификационная установка непрерывного квазистационарного действия».

1.5 Практическая значимость. При переходе на квазистационарный режим работы спиртовой колонны достигнуто увеличение выхода ректификованного спирта и улучшение качества сивушного масла. Определены энергетические параметры бинарного взаимодействия модели NRTL, обеспечивающие адекватное описание разделения жидких смесей, содержащих преимущественно воду и высшие спирты. Определены оптимальные места отбора сивушных спиртов и сивушных масел из спиртовой колонны.

Выполнена производственная проверка и установлена эффективность использования квазистационарного режима при импульсном отборе фракции сивушных масел. Разработана брагоректификационная установка непрерывного квазистационарного действия. Результаты работы внедрены на предприятии ООО «КХ Восход».

1.6 Реализация результатов исследования. Выполнена производственная проверка эффективности использования квазистационарного технологического режима при импульсном отборе ФСМ. Обеспечено снижение содержания этанола в ФСМ в 2,5 раза и увеличение содержания в ней изоамилола до 53 % об. На ООО «КХ Восход» получен пищевой ректификованный спирт по ГОСТ Р 51652-2000, соответствующий марке «Люкс», с характерным запахом без посторонних тонов и сивушное масло по ГОСТ 17071-91.

1.7 Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 10-ти летию кафедры «Технология и организация питания» (г. Челябинск, 2007 г.); на Всероссийской научно-практической конференции аспирантов, соискателей и докторантов (г. Майкоп, 2008 г.); на II Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 65-летию Южно-Уральского государственного университета «Современное состояние и перспективы развития пищевой промышленности и общественного питания» (г. Челябинск, 2008 г.); на II Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Научное обеспечение агропромышленного комплекса» (г. Краснодар, 2008 г.); на одиннадцатой Международной научно-практической конференции «Современные проблемы техники и технологии пищевых производств» (г. Барнаул, 2008 г.); на XXXVI научной конференции студентов и молодых ученых вузов Южного федерального округа, посвященной 40-летнему юбилею Кубанского государственного университета физической культуры, спорта и туризма (г. Краснодар, 2009 г.); на I Всероссийской студенческой научной конференции «Молодежная наука пищевой промышленности России» (г. Ставрополь, 2009 г.); на X Международной конференции молодых ученых «Пищевые технологии и биотехнологии» (г. Казань, 2009 г.).

1.8 Публикация результатов исследования. По материалам диссертационной работы опубликовано 13 научных работ, в том числе 4 статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ, получен патент РФ на полезную модель.

1.9 Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, выводов, списка использованной литературы и приложения. Основной текст диссертации изложен на 178 страницах компьютерного текста, содержит 27 рисунков и 56 таблиц. Список использованной литературы включает 142 наименования, из них 23 зарубежных авторов.

2 ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1 Объекты исследований. Объектами исследований были бражка, выработанная из зерновой смеси, состоящей из 70 % пшеницы и 30 % ячменя ООО «КХ Восход», пищевой ректификованный спирт, сивушная фракция, отобранная из спиртовой колонны брагоректификационной установки косвенного действия ООО «КХ Восход», сивушное масло и подсивушная вода, содержащие преимущественно воду и высшие спирты и полученные при разгонке сивушной фракции на колонне четкой ректификации после предварительной отгонки этанола, технологические режимы промышленной установки непрерывного действия ООО «КХ Восход».

2.2 Методы исследований. Анализ покомпонентного состава бражки, пищевого ректификованного спирта, сивушной фракции, сивушного масла и подсивушной воды, содержащих преимущественно воду и высшие спирты, проведен на хроматографе «Кристалл 2000 М» в проблемно-исследовательской лаборатории ГНУ «Северо-Кавказский научно-исследовательский институт садоводства и виноградарства» Россельхозакадемии (г. Краснодар). Расчеты проведены в программной среде Borland Pascal. Моделирование разработанной установки проведено в среде сложных химико-технологических систем.

3 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ АНАЛИЗ

3.1 Развитие физико-химических основ разделения смесей, содержащих преимущественно воду и высшие спирты. В основе математического моделирования при разработке технологии разделения неидеальных многокомпонентных смесей спиртового производства лежат данные по термодинамическому равновесию в системах пар жидкость и жидкость жидкость. Надёжность этого термодинамического базиса определяет успех в решении задач получения высокого качества как пищевого спирта при высоком выходе его, так и сивушного масла. Для проверки и идентификации известных моделей UNIQUAC, UNIFAC и NRTL применительно к спиртовым смесям с повышенным содержанием высших спиртов проведена разгонка сивушной фракции с небольшим остаточным содержанием в ней этилового спирта. Для этого из исходной сивушной фракции, выработанной из бражки, полученной при переработке зерновой смеси, состоящей из пшеницы, ржи и 30 % сорго на ООО «КХ Восход», на стендовой ректификационной установке периодического действия отогнано основное количество этанола. После выхода на установившийся режим отобраны фракции с верха колонны с постоянной скоростью – 1 литр за 20 минут. Получено 14 фракций и определен их покомпонентный состав (таблица 1).

Анализ экспериментальных данных показывает, что при работе колонны в режиме бесконечного флегмового числа произошло накопление примесей в конденсаторе-дефлегматоре и на верхних тарелках колонны, поэтому в 1-й фракции наблюдается значительное содержание примесей, которое в последующих фракциях первоначально падает, затем возрастает и снова падает для легколетучих и возрастает для труднолетучих примесей, что не противоречит известным представлениям. В 9-й фракции преобладает преимущественно 1-пропанол (36061 мг/дм3) по сравнению с изобутанолом (4570 мг/дм3) и изоамилолом (14,93 мг/дм3). В 11-й фракции содержание этих компонентов значительно возрастает. 12-я, 13-я и 14-я фракции представляют собой расслоившиеся системы (таблица 2). В 12-й фракции преобладает 1-пропанол, в 13-й – изобутанол, в 14 изоамилол. Анализируя состав верхней фазы, можно отметить, что концентрации 1-пропанола, изобутанола и изоамилола составляют соответственно в % об.: 20,5; 39,47, 6,991 (таблица 1), а при пересчете на смесь без воды и спирта эти соотношения следующие: 1-пропанола 30,47 %, изобутанола 58,7 %, изоамилола 10,4 %.

Обработка по методам UNIQUAC и NRTL показала, что расчетные данные по расслаиванию не согласуются с экспериментальными. Установлено, что причина кроется в использовании известных параметров бинарного взаимодействия для системы жидкость – жидкость смеси 1-пропанол – вода. По расчёту она расслаивается на две жидкие фазы при температуре 20 0С. Это находится в противоречии с нашими и известными экспериментальными данными. Не удалось описать равновесие смеси 1-пропанол – вода одними и теми же параметрами бинарного взаимодействия в системе пар– жидкость и жидкость–жидкость ни с помощью двухпараметрического уравнения UNIQUAC, ни с помощью трехпараметрического уравнения NRTL.

Таблица 1 Покомпонентный состав летучих примесей, мг/дм3,

во фракциях, полученных на колонне четкой ректификации

Наименование компонента	Продолжительность гонки, мин
	20	40	60	80	100	120	140	160	180
	Номер полученной фракции
	1	2	3	4	5	6	7	8	9
	Гомогенная фаза
Ацетальдегид	88,86	14,37	4,08	2,39	1,47	1,87	2,15	3,03	2,15
Метилацеталь	5,44	1,14	0,62	-	0,36	-	0,44	-	-
Диацетил	88,86	-	-	-	-	-	-		1,36
Лимонен	0,033	0,013	0,012	0,005	-	-	0,018	0,171	0,395
Ацетоин	0,736	-	-	-	-	-	-	-	1,361
2,3-бутиленгликоль	1,442	-	0,311	0,955	-	0,924	1,479	-	11,63
Фурфурол	-	-	-	-	-	-	-	-	-
Этилформиат	0,625	1,157	0,283	0,377	0,330	0,278	0,427	0,576	0,105
Метилацетат	30,34	4,008	1,786	1,139	1,382	1,122	1,111	-	2,565
Этилацетат	21,98	11,63	3,982	1,961	1,101	1,511	0,935	-	1,250
Этилбутират	2,948	0,395	0,183	-	0,781	0,865	2,477	-	19,11
Этилвалериат	-	-	-	-	-	-	-	-	0,453
Изоамилацетат	0,661	-	-	-	-	-	0,167	1,634	17,60
Изобутилацетат	-	-	-	1,961	0,300	0,005	-	-	-
Метилкаприлат	-	0,395	1,168	0,346	0,177	0,303	0,289	1,315	0,390
Этилкаприлат	0,072	0,173	-	-	-	-	-	-	1,35
Этиллактат	1,087	0,727	-	0,455	0,381	-	0,189	-
Этилацеталь	12,63	0,420	0,109	0,030	0,246	0,210	0,084	-	0,121
Метанол	577,7	158,4	72,67	60,09	44,30	40,09	44,08	37,97	30,15
2-пропанол	20,26	6,672	3,943	4,276	5,553	6,896	5,811	21,27	40,23
2-бутанол	1,713	-	-	-	-	0,656	2,133	14,31	158,0
1-пропанол	127,2	1,802	0,806	0,904	2,674	23,66	262,3	3182	36061
Изобутанол	117,0	1,954	0,499	0,569	0,414	0,478	5,420	158,5	4570
1-бутанол	0,350	-	-	-	-	-	-	0,411	1,723
Изоамиловый	52,02	1,034	0,370	0,341	0,568	-	-	-	14,93
1-амилол	0,367	-	-		0,412	-	-	-	0,618
1-гексанол	-	-	-	-	-	-	0,167	-	-
Уксусная кислота	1,515	0,724	0,740	0,853	-	0,649	0,781	3,018	4,022
Пропионовая к-та	0,127	-	-	0,212	0,022	0,060	0,046	-	0,420
Масляная к-та	-	-	-	-	-	-	-	-	-
Изовалериановая	-	-	-	-	-	-	-	-	0,166
Фенилэтанол	0,663	-	-	-	-	0,117	-	-	2,833
Этанол, % об.	86,22	77,54	74,39	87,61	77,10	82,02	85,65	80,79	71,32

Продолжение таблицы 1

Наименование компонента		Продолжительность гонки, мин
		200	240	260		280		300
		Номер полученной фракции
		10	11	12		13		14
		гомогенная фаза		верхняя	нижняя	верхняя	нижняя	верхняя	нижняя
Ацетальдегид		2,88	1,18	1,17	1,54	0,93	1,127	1,102	2,114
Метилацеталь		-	-	-	-	-	0,207	-	-
Диацетил		1,58	-	-	-	-	-	2,38	-
Лимонен		4,095	0,011	-	-	-	-	-	-
Ацетоин		14,20	66,92	189	18,96	259,6	13,03	253,6	10,71
2,3-бутиленгликоль		1,39	0,977	-	0,892	13,04	1,073	1,380	1,162
Фурфурол		-	-	1,446	1,102	1,676	2,024	1,974	4,638
Этилформиат		0,191	0,710	0,439	0,959	0,474	0,548	0,292	0,636
Метилацетат		-	2,336	4,726	1,973	1,182	1,596	3,145	3,270
Этилацетат		0,265	0,758	0,860	0,578	0,533	0,729	1,732	1,061
	Этилбутират	-	56,45	22,96	45,23	90,21	28,85	10,87	21,82
	Этилвалериат	2,869	7,520	17,90	5,320	26,20	3,440	26,22	2,616
	Изоамилацетат	77,70	140,4	158,6	4,574	173,0	1,346	220,4	1,251
	Изобутилацетат	-	-	-	-	-	-	-	-
	Метилкаприлат	0,274	0,348	-	-	0,681	0,495	0,483	-
	Этилкаприлат	-	-	0,135	-	0,097	0,149	0,333	-
	Этиллактат	0,591	0,691	0,272	0,175	0,230	0,407	5,273	0,539
	Этилацеталь	-	-	-	-	-	-	0,075	-
	Метанол	20,33	12,83	11,33	17,73	5,406	9,806	2,422	5,848
	2-пропанол	38,81	9,065	0,973	2,315	-	2,344	1,892	1,497
	2-бутанол	717,4	899,7	461,1	130,5	232,3	48,24	132,7	27,67
	1-пропанол	171990	254050	164740	73941	81795	29821	42748	16430
	Изобутанол	45431	184640	317420	66020	292410	40881	229170	30902
	1-бутанол	6,7745	137,4	1509	291,1	3359	417,2	3780	432,5
	Изоамиловый	-	2155	57370	5713	216580	11150	350010	15377
	1-амилол	0,641	0,162	-	0,617	10,51	-	16,20	1,794
	1-гексанол	-	1,343	2,006	-	0,271	-	1,979	-
	Уксусная кислота	1,649	3,572	2,433	4,022	2,114	4,939	1,556	5,021
	Пропионовая к-та	0,523	1,696	4,567	0,765	0,006	0,433	0,432	1,893
	Масляная к-та	-	0,379	-	-	0,547	1,443	2,039	-
	Изовалериановая	-	0,385	-	0,097	0,319	0,288	0,584	0,230
	Фенилэтанол	-	3,761	-	-	-	-	0,482	-
	Этанол, % об.	46,81	14,47	4,77	4,75	2,42	2,37	1,14	1,48

Примечание – Количество фракции № 11 составляет 2 л, остальных – по 1 л.

Таблица 2 – Количество полученных фаз

Номер полученной фракции
12		13		14
Объем полученной фракции по эксперименту, см3
1000		1000		1000
Объем фаз после охлаждения и расслаивания при 20 0С, см3
верхняя	нижняя	верхняя	нижняя	верхняя	нижняя
790	180	130	850	15	985

Точность описания обеспечивает модель NRTL при найденной нами линейной зависимости параметров энергетического взаимодействия от температуры. Поиск параметров бинарного взаимодействия осуществили с учётом экспериментально полученных фракций, состоящих из основных компонентов сивушного масла: 1-пропанол, изобутанол, 1-бутанол, изоамилол, этанол и вода, суммарная концентрация которых в смеси составляет 99,9 % об.

Сравнение экспериментальных и расчетных данных приведено на диаграммах у-х на рисунке 1 и t-x,y на рисунке 2, где литературные экспериментальные данные; кривая по найденным параметрам ; ; . Сравнение экспериментальных данных по расслаиванию отобранных фракций № 12, № 13, № 14, полученных при разгонке, с результатами моделирования приведено в таблице 3.

Рисунок 1 – Диаграмма y-x

Рисунок 2 – Диаграмма t-x,y

Таблица 3 – Сравнение экспериментальных данных по расслаиванию

отобранных фракций № 12, № 13, № 14, полученных при разгонке,

с результатами моделирования

Наименование компонента	Верхняя фаза			Нижняя фаза
	номер отобранной фракции
	12	13	14	12	13	14
	концентрация компонента, % об.
1-пропанол Изобутанол 1-бутанол Изоамилол Этанол	20,49* 20,99 39,47 40,08 0,185 0,192 6,991 7,115 4,770 5,181	10,17 11,58 36,36 40,07 0,413 0,612 26,39 20,42 2,420 3,093	5,317 6,688 28,50 34,18 0,464 1,081 42,65 44,77 1,141 1,573	9,197 8,377 8,209 8,923 0,036 0,024 0,696 0,828 4,750 3,176	3,709 3,714 5,083 5,478 0,051 0,037 1,359 1,668 2,370 2,290	2,044 2,035 3,842 3,834 0,053 0,046 1,874 1,952 1,484 1,478

*числитель – экспериментальное значение; знаменатель – расчетное

3.2 Обоснование квазистационарного технологического режима работы спиртовой колонны при импульсном отборе фракции сивушных масел. Идея метода получения импульсного магнитного поля была высказана П.Л. Капицей в 1923 году. Согласно этой идее характерные времена многих физических явлений и процессов существенно меньше времени существования импульсного поля, так что для них последнее можно рассматривать как квазистационарное. Квазистационарный процесс успешно реализован П.Л. Капицей с положительным эффектом.

При разработанном нами квазистационарном режиме импульсный отбор ФСМ производится из спиртовой колонны. В период между импульсами изоамилол накапливается на нижних тарелках. По истечении этого периода он сбрасывается из паровой фазы через конденсатор. Преимуществом этого способа является повышенное по сравнению со стационарным режимом содержание высших спиртов и меньшие потери этанола.

3.3 Оценка времени насыщения колонны спиртовыми компонентами. Для определения условий реализации квазистационарного режима проведена оценка времени насыщения колонны этанолом, изобутанолом и изоамилолом. Определены профили концентраций (рисунок 3), расходы паров и жидкости, температуры по высоте колонны и количество молей жидкости на тарелках.

Рисунок 3 – Профиль концентраций изоамилола и этанола

на нижних тарелках спиртовой колонны

Расчет времени насыщения колонны i-м компонентом осуществлялся по следующему алгоритму. Высота слоя светлой жидкости на тарелке рассчитывалась по известной эмпирической формуле

, (1)

где вязкость жидкости, спз; поверхностное натяжение, дин/см;

высота переливного порога, м; нагрузка по жидкости на

единицу длины слива, м3/(мч);

, (2)

где объемный расход жидкости, м3/ч; П – периметр слива, м.

Скорость паров определялась при допущении, что пары подчиняются уравнению идеального газа.

Количество молей жидкости на тарелке, м3

, (4)

где рабочая поверхность тарелки, м2 (полное сечение за вычетом переливов); плотность жидкости, кг/м3; молекулярная масса смеси.

На каждой тарелке мольное количество компонента в жидкости

, (5)

где i – номер компонента, j – номер тарелки; мольная доля i-го компонента на j-й тарелке.

Суммарное количество i-го компонента на всех тарелках колонны

. (6)

Время насыщения колонны i-м компонентом

. (7)

В безотборном режиме по дистилляту колонна насыщается от момента пуска до значений концентраций, соответствующих стационарному режиму, по этанолу за 6,5 часов, по изоамилолу за 14,7 часа. Если учесть, что отбор ФСМ менее 3 % от производительности по ректификованному спирту, а содержание этанола в этой фракции до 15 % об., то для насыщения колонны по спирту за счет прекращения отбора ФСМ потребуется порядка 1400 часов. Это отвечает условию квазистационарности. Выполнена оценка отклика системы на возмущение, вызванное изменением величины отбора фракции сивушных масел. Как показывает опыт, периодический отбор целесообразно проводить через 8 часов. За этот период заметного изменения концентрации спирта, а, следовательно, и примесей по высоте колонны не произойдет и качество спирта не ухудшится. Исследовано влияние величины отбора ФСМ на содержание в ней изоамилола и этанола. При квазистационарном режиме во ФСМ возрастает концентрация изоамилола и снижается концентрация этанола. При выработке 3000 дал/сутки спирта и расходе острого пара 80 т/сутки содержание изоамилола увеличивается от 2 до 6 % мол, этанола уменьшается от 9,6 до 6 % мол. (рисунок 4). Аналогичные результаты получены для различных содержаний сивушных спиртов в бражке, расходов острого и глухого водяного пара.

Рисунок 4 – Зависимость концентрации этанола (кривая 1) и изоамилола

(кривая 2) от величины отбора ФСМ при расходе острого пара 80 т/сутки

3.4 Разработка новой методики определения оптимального места отбора ФСМ. Отбор ФСМ традиционно проводят с тарелки с максимальным содержанием изоамилола и не учитывают необходимость снижения потерь спирта с боковым погоном и обеспечения расслоения сивушной фракции в сепараторе на две фазы: сивушное масло и подсивушную воду. Анализ производственного технологического режима, реализованного на БРУ спиртзавода «КХ Восход» при отборе сивушной фракции с 5-й тарелки, считая снизу показывает, что максимальные концентрации имели место на следующих тарелках: изоамилола на 8-й, изобутанола на 14-й. При этом концентрация этанола снижается в направлении к низу колонны. На 14-й тарелке она составляет 23,4 % мол., на 8-й 6,5 % мол. и на 5-й (тарелке отбора из паровой фазы) 0,6 % мол. Таким образом, место реального отбора сивушной фракции не совпадает ни с одним из максимумов накопления основных компонентов сивушного масла.

Методика определения оптимального места отбора основана на ином критерии. В качестве такого критерия принят минимум потерь этанола с ФСМ, который представляет собой произведение величины отбора на концентрацию этанола в отборе. Величина бокового отбора в свою очередь зависит от концентрации примеси в месте отбора и определяется уравнением баланса по примеси. Если пренебречь расходом изоамилола с фракцией сивушных спиртов, ректификованным спиртом, с головной фракцией и с лютерной водой, то уравнение баланса для ректификационной колонны по примеси примет следующий вид

, (8)

где B расход отбираемой ФСМ, концентрация i-го компонента в паровой фазе ФСМ в отборе.

Количество этилового спирта , теряемого с фракцией сивушных масел, равно

, (9)

где концентрация этанола в паровой фазе в ФСМ.

Из уравнений (8) и (9) следует, что величина потерь этанола равна

. (10)

При изменении места отбора величина остается постоянной, поэтому достаточно определить минимум функции . Вид этой функции для изоамилола представлен на рисунке 4. Для изоамилола минимум функции приходится на 6-ю тарелку. Очевидно, что эта оценка является более точной, чем оценка по максимуму концентрации примесного компонента.

3.5 Разработка квазистационарного режима работы спиртовой колонны брагоректификационной установки. Производственная проверка эффективности использования квазистационарного режима. Производственная проверка, выполненная на промышленных БРУ ОАО АПФ «Фанагория» и ООО «КХ Восход» и сравнение квазистационарного и стационарного режимов работы спиртовой колонны подтвердили эффективность использования квазистационарного режима. Сравнение проведено для установки проектной мощности 3000 дал ректификованного спирта в сутки при периодическом (импульсном) и непрерывном способах отбора ФСМ. При этом рассмотрены два варианта требований к содержанию сивушных спиртов в ректификованном спирте: повышенные, обусловленные рыночным спросом, на уровне менее 1,3 мг/дм3, а также обусловленные ГОСТ Р 51652-2000 на спирт марок «Экстра» и «Люкс» на уровне менее 6 мг/дм3. Моделирование выполнено для двух расходов острого водяного пара, подаваемого в куб спиртовой колонны: 5000 кг/ч и 3333 кг/ч. Состав бражки взят по данным обследования БРУ косвенного действия ООО «КХ Восход» при переработке зерновой смеси, содержащей 70 % пшеницы и 30 % ячменя с использованием жёсткого режима разваривания с последующим осахариванием ферментными препаратами (таблица 4).

Таблица 4 – Состав летучих примесей бражки (70 % пшеницы и 30 % ячменя)

Наименование компонента	Концентрация, мг/дм3	Наименование компонента	Концентрация, мг/дм3
Ацетальдегид Фурфуроп Ацетоин Метилацетат Этилацетат Метилкаприлат Метанол 1-пропанол 1-бутанол 1-пентанол 1-гексанол	20,822 1,6615 6,9917 1,4588 11,190 2,8186 11,748 32,032 1,5291 2,0070 23,655	2-пропанол Изобутанол Изоамиловый Фенилэтанол 2,3-бутиленгликоль Уксусная кислота Масляная кислота Изомасляная кислота Валериановая кислота Этанол, % об.	0,5905 58,431 199,27 89,247 187,00 159,57 1,7251 0,7774 2,3503 7,62

Сравнение состава сбрасываемой ФСМ при квазистационарном режиме, с составом фракции, отобранной в том же количестве в стационарном режиме (таблица 5), показывает, что квазистационарный режим обеспечивает снижение содержания этанола во ФСМ и увеличение содержания изоамилола. Регулирование квазистационарного режима намного проще.

При производственной проверке на ОАО АПФ «Фанагория» на БРУ косвенного действия из спиртовой колонны из паровой фазы с 6 тарелки в очень малом количестве отбирали фракцию сивушного масла с последующей её конденсацией. Внешний вид фракции наблюдали через установленный на линии её отбора стеклянный ротаметр. Отбор с 6 тарелки прекращали примерно 1 раз в 6 часов при появлении в ротаметре мутной жидкой фазы, после чего открывали отбор с 4 тарелки и проводили с большой скоростью до тех пор, пока шло масло с ярко выраженными крупными хлопьями. Отбираемая фракция в течение этого времени направлялась в сепаратор жидкость-жидкость. В период проведения промышленного эксперимента расслаивание в сепараторе осуществлялось надежно без подачи воды, а полученное сивушное масло отвечало требованиям ГОСТ 17071-91.

Таблица 5 – Сравнение состава ФСМ

Наименование компонента	Режим
	непре- рывный	квазиста- ционарный	непре- рывный	квазиста- ционарный
	расход острого водяного пара в спиртовой колонне, кг/ч
	5000		3333
	Концентрация компонента, % об.
Метилкаприлат Метанол 1-пропанол 1-бутанол 1-пентанол 1-гексанол 2-пропанол Изобутанол Изоамиловый Фенилэтанол 2,3-бутиленгликоль Уксусная кислота Масляная кислота Изомасляная кислота Валериановая кислота Этанол Вода	0,49 1,3110-3 0,016 5,5510-3 0,16 1,42 6,9110-5 0,016 23,8 4,28 2,9010-4 1,1210-2 3,8610-4 1,3810-4 1,4210-4 8,38 61,5	4,29 9,4410-4 0,010 3,7610-3 0,17 0,72 4,4010-5 0,012 34,1 1,91 1,8410-4 8,4310-3 2,2610-4 8,2410-5 8,2710-5 4,84 53,9	0,079 4,8810-3 0,014 4,3110-3 0,10 1,54 6,3510-5 0,014 14,1 4,55 3,4310-4 1,1310-2 3,6510-4 1,3210-4 1,4510-4 17,81 61,71	0,376 3,9310-3 0,010 3,1510-3 0,12 0,016 4,8210-5 0,010 23,5 4,38 2,7110-4 9,6310-3 2,7710-4 1,0210-4 1,0910-4 12,48 57,50

Таким образом, разработанный квазистационарный режим имеет следующие преимущества перед стационарным режимом: улучшает качество сивушного масла, увеличивает выход этилового спирта и облегчает регулирование процесса в ректификационной колонне.

3.6 Разработка технологической схемы установки для реализации квазистационарного режима. Бражка через подогреватель бражки 6 подается в сепаратор диоксида углерода 16 (рисунок 5). Отсепарированная и нагретая до температуры 85-90 0С бражка поступает на верхнюю тарелку бражной колонны 1. Снизу в бражную колонну подается острый пар. Пары, обогащенные этанолом, альдегидами, эфирами, высшими спиртами, кислотами и другими спиртовыми примесями поступают в конденсатор бражной колонны 6. Бражной дистиллят подается на питательную тарелку эпюрационной колонны 2, снабженной выносным кипятильником 10. Снизу в эпюрационную колонну 2 подается глухой пар. Из конденсатора 7 эфиро-альдегидная фракция (ЭАФ) выводится из установки в сборник ЭАФ. Эпюрат, освобожденный от основной массы головных примесей, подается на питательную тарелку спиртовой колонны 3, обогреваемой острым паром. Непастеризованный спирт, отбираемый из конденсатора 8 спиртовой колонны 3, рециркулируется на верхнюю тарелку эпюрационной колонны 2. Сивушный спирт отбирается с тарелок выше питательной. Сивушная фракция, отбираемая из паровой фазы с тарелки ниже питательной, после конденсации в конденсаторе 9 при открытых кранах 13 и 15 и закрытом кране 14 сбрасывается во вновь установленный мерник 11, снабженный арматурой. После чего кран 13 перекрывается, а кран 14 открывается. Сивушная фракция из мерника 11 поступает в сепаратор 12 для расслаивания сивушной фракции на стандартное сивушное масло и подсивушную воду. Подсивушная вода рециркулируется в спиртовую колонну 3. Ректификованный спирт отбирается с верхних тарелок спиртовой колонны 3. Барда выводится из нижней части бражной колонны 1. Лютер выводится из нижней части спиртовой колонны 3. В период отсутствия отбора сивушной фракции при закрытом кране 13 сивушные спирты накапливаются на тарелках колонны, а их концентрация на тарелке отбора повышается до уровня, соответствующего стандартному сивушному маслу. По завершению этого периода перекрывается кран 14 и вновь открывается кран 13 и производится сброс. Время периода отсутствия отбора зависит от размеров ректификационной колонны и состава перерабатываемого сырья и устанавливается опытным путём. Режим работы установки остаётся непрерывным, но в период отсутствия отбора сивушной фракции имеет место незначительное изменение концентрации сивушных масел на тарелках колонны, а фракция отбирается периодически, поэтому установка непрерывного квазистационарного действия.

1 – бражная колонна; 2 – эпюрационная колонна; 3 – спиртовая колонна;

4, 5 – дефлегматоры; 6, 7, 8, 9 – конденсаторы; 10 – выносной кипятильник;

11 – мерник; 12 – сепаратор; 13, 14, 15 – краны; 16 – сепаратор СО2

Рисунок 5 – Брагоректификационная установка непрерывного

квазистационарного действия

3.7 Технико-экономическое обоснование квазистационарного технологического режима работы спиртовой колонны с импульсным отбором фракции сивушных масел. Выполнено технико-экономическое обоснование с расчетом ожидаемой годовой экономической эффективности производства пищевого спирта высокого качества из смеси зерна пшеницы и ячменя при квазистационарном технологическом режиме. Сравнение предлагаемой технологии проведено с технологией получения спирта при стационарном технологическом режиме БРУ косвенного действия (таблица 6).

Расчет ожидаемой прибыли от дополнительно произведенной продукции проведен для производительности 3000 дал/сут. ректификованного спирта. Цены приняты на основе действующих тарифов и цен на промышленных и пищевых предприятиях. Входящие в состав эксплуатационных затрат стоимости сырья и вспомогательных материалов, заработная плата и отчисления с неё, затраты на электроэнергию приняты одинаковыми по предлагаемой и известной технологиям.

Таблица 6 – Расчет годовой экономической эффективности от внедрения

квазистационарного режима

Количество дополнительно выработанного стандартного сивушного масла, дал/сут.	5
Доход от продажи стандартного сивушного масла, руб./сутки	2250
Количество дополнительно выработанного спирта, дал/сутки	60
Доход от продажи дополнительно полученного спирта, руб./сутки	19200
Дополнительная товарная продукция в стоимостном выражении, руб./год	6435000
Дополнительные капитальные вложения, руб.	315000
Амортизационные отчисления, руб.	47250
Затраты на ремонт, руб.	11812,5
Ожидаемая прибыль, руб./год	6375937,5

ВЫВОДЫ

1. Научно обоснован и разработан квазистационарный технологический режим получения пищевого спирта при импульсном отборе сивушных масел, обеспечивающий увеличение выхода высококачественного пищевого спирта, снижение концентрации этанола и повышение содержания изоамилола во фракции сивушных масел.
2. Развиты физико-химические основы разделения смесей, содержащих преимущественно воду и высшие спирты и разработана адекватная модель описания равновесия в системе жидкость-жидкость для изучаемых смесей. Определены параметры бинарного взаимодействия смеси 1-пропанол – вода, линейно зависящие от температуры: ; ; .
3. Необходимое условие квазистационарности оценено по времени насыщения колонны, которое составляет по этанолу – 6,5 часов, по изоамилолу – 14,7 часа, при времени насыщения колонны по этанолу за счет прекращения отбора фракции сивушных масел – 1400 часов.
4. На основе сравнения со стационарным режимом работы спиртовой колонны установлено, что квазистационарный режим обеспечивает дополнительный выход спирта 60 дал/в сут. и получение стандартного сивушного масла с содержанием высших спиртов более 60 % об. и этанола менее 5 % об.
5. Производственная проверка на ООО «КХ Восход» и ОАО АПФ «Фанагория» подтвердила эффективность использования квазистационарного технологического режима.
6. Разработана новая методика определения оптимального места отбора сивушных спиртов и сивушных масел из спиртовой колонны, обеспечивающая минимум потерь этилового спирта с фракцией сивушных масел.
7. Показано, что для принятого состава бражки отбор сивушных масел целесообразно проводить с 5-6-й тарелок при максимальной концентрации изоамилола на 8-й тарелке.
8. Разработана брагоректификационная установка непрерывного квазистационарного действия.
9. Выполнено технико-экономическое обоснование технологического квазистационарного режима работы спиртовой колонны с импульсным отбором фракции сивушных масел. Для установки производительностью 3000 дал в сутки абсолютного алкоголя ожидаемая прибыль составляет 6375,9 тыс. руб. в год.

Список работ, опубликованных по теме диссертации:

1. Сиюхов, Х.Р. Опыт реализации квазистационарного процесса при периодическом отборе сивушных масел из спиртовой колонны / Х.Р. Сиюхов, Р.Н. Панеш, П.Е. Романишин, Т.Г. Короткова, Е.Н. Константинов // Материалы Всероссийской научно-практич. конф., посвященной 10-ти летию кафедры «Технология и организация питания».: Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2007. С. 120-122.
2. Константинов, Е.Н. Математическое описание процесса ректификации спирта с периодическим отбором сивушных масел / Е.Н. Константинов, Х.Р. Сиюхов, Р.Н. Панеш, Т.Г. Короткова // Известия вузов. Пищевая технология, 2008. № 2-3. С. 117-118.
3. Панеш, Р.Н. Опыт реализации квазистационарного процесса спиртовой колонны и его моделирование / Р.Н. Панеш, Б.А. Хакуринов, Х.Р. Сиюхов // Материалы Всероссийской научно-практической конференции аспирантов, соискателей и докторантов. Майкоп: Изд-во ООО «Аякс», 2008. С. 149-151.
4. Панеш, Р.Н. Обоснование технологии выработки спирта повышенного качества / Р.Н. Панеш, Б.А. Хакуринов, Х.Р. Сиюхов, Е.Н. Константинов // Материалы II Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 65-летию Южно-Уральского государственного университета «Современное состояние и перспективы развития пищевой промышленности и общественного питания». Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2008. С.137-138.
5. Ктянц, Е.В. Пути повышения качества пищевого спирта на брагоректификационных установках косвенного действия / Е.В. Ктянц, Р.Н. Панеш, Х.Р. Сиюхов // Материалы II Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Научное обеспечение агропромышленного комплекса». Краснодар: КубГАУ, 2008. С. 234-236.
6. Панеш, Р.Н. Повышение выхода спирта повышенного качества / Р.Н. Панеш, Х.Р. Сиюхов, Е.Н. Константинов // Материалы одиннадцатой международной научно-практической конференции «Современные проблемы техники и технологии пищевых производств». Барнаул.: изд-во АлтГТУ, 2008. С.186-188.
7. Панеш, Р.Н. Идентификация математической модели нестационарного процесса фракционирования сивушной фракции брагоректификационной установки / Р.Н. Панеш, Х.Р. Сиюхов, Е.Н. Константинов // Тезисы докладов XXXVI научной конференции студентов и молодых ученых вузов Южного федерального округа, посвященной 40-летнему юбилею Кубанского государственного университета физической культуры, спорта и туризма / Под ред. д-ра мед. наук, проф. Г.Д. Алексанянца и д-ра пед. наук, проф. А.И. Погребного.-Краснодар, 2009. Ч.2. – С. 101-102.
8. Панеш, Р.Н. Квазистационарный технологический режим на брагоректификационной установке непрерывного действия / Р.Н. Панеш, Х.Р. Сиюхов // Материалы I Всероссийской студенческой научной конференции «Молодежная наука пищевой промышленности России». Ставрополь: СевКавГТУ, 2009. С.95-96.
9. Панеш, Р.Н. Опыт моделирования нестационарных режимов при переработке спиртосодержащего материала / Р.Н. Панеш, Х.Р. Сиюхов, Е.Н. Константинов // X Международная конференция молодых ученых «Пищевые технологии и биотехнологии». Казань: Изд-во «Отечество», 2009. С.213.
10. Сиюхов, Х.Р. Особенности технологического режима ректификации спирта с учетом величины насыщения жидкой фазы этанолом и сивушными спиртами / Х.Р. Сиюхов, Р.Н. Панеш, О.В. Мариненко, Е.Н. Константинов // Известия вузов. Пищевая технология, 2009. № 4. С. 79-83.
11. Сиюхов, Х.Р. Термодинамический базис моделирования технологии разделения сивушных смесей спиртового производства / Х.Р. Сиюхов, Р.Н. Панеш, Т.А. Устюжанинова, Т.Г. Короткова // Известия вузов. Пищевая технология, 2009. № 4. С. 110-113.
12. Сиюхов, Х.Р. Сравнение режимов работы ректификационной колонны при стационарном и квазистационарном отборе фракции сивушных масел / Х.Р. Сиюхов, Р.Н. Панеш, Х.Р. Блягоз, Е.Н. Константинов // Известия вузов. Пищевая технология, 2009. № 5-6. С. 71-73.
13. Патент РФ на полезную модель № 86110 Брагоректификационная установка непрерывного квазистационарного действия / Х.Р. Сиюхов, Р.Н. Панеш, Е.Н. Константинов, Т.Г. Короткова по заявке № 2009109429; Зарег. 16.03.2009 г. Опубл. 27.08.2009 Бюл. № 24.