Научное обоснование и разработка новой технологии получения биоэта нола
На правах рукописи
АЧЕГУ Зарема Асфаровна
НАУЧНОЕ обоснование и разработка
новой технологии получения БИОЭТАнола
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 – 2010
Работа выполнена в ГОУ ВПО «Кубанский государственный
технологический университет»
Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент
Короткова Татьяна Германовна
Официальные оппоненты: доктор сельско-хозяйственных наук,
профессор
Гугучкина Татьяна Ивановна
кандидат технических наук, доцент
Артамонова Валентина Викторовна
Ведущая организация: ГУ «Краснодарский научно-
исследовательский институт хранения
и переработки сельскохозяйственной
продукции» Россельхозакадемии
Защита диссертации состоится 13 мая 2010 года в 14.00 час. на заседании диссертационного совета Д 212.100.05 в Кубанском государственном технологическом университете по адресу: 350072, г. Краснодар, ул. Московская, 2, ауд. Г-251
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кубанского государственного технологического университета
Автореферат размещен на сайте КубГТУ www.kubstu.ru
Автореферат разослан 13 апреля 2010 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
Д 212.100.05, канд. техн. наук В.В. Гончар
1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
1.1 Актуальность работы. В мировой экономике все большее применение находит биоэтанол, смесь, получаемая при переработке возобновляемого растительного сырья, которая в качестве основного компонента содержит этанол и применяется для производства биотоплива. В странах, производящих большие объемы зерна, к которым относится и Россия, для производства биоэтанола широко используются злаковые культуры, среди которых пшеница, кукуруза, рожь, просо. Биоэтанол используется в качестве составного компонента этанольного моторного топлива, содержащего бензин, и называют это топливо бензанолом. Содержание в бензаноле этилового спирта составляет 5-10 % об. В странах ЕС предусмотрено обязательное использование этанола как компонента моторного топлива. Это направление использования возобновляемого сырья начинает развиваться и в России.
Поэтому анализ специфики производства биоэтанола, обоснование выбора зернового сырья и внесение изменений в технологическую схему и технологический режим работы брагоректификационных установок с целью уменьшения затрат на сырье, капитальных и энергетических затрат, снижения концентрации воды в биотопливе и увеличения выхода биоэтанола является важным и актуальным. С социальной и экономической точек зрения также является актуальной задача разработки новой технологии получения биоэтанола с целью снижения его себестоимости и получения в качестве продукта биоэтанола, не облагаемого акцизным налогом.
Важность и актуальность исследований данной диссертационной работы подчеркивает выполнение ее 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 новой технологии получения биоэтанола.
1.3 Основные задачи исследования. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- выявить особенности зернового сырья для получения биоэтанола и обосновать целесообразность использования наряду с зерном пшеницы и ржи зерна сорго;
- выполнить производственную проверку технологических операций размола, разваривания, осахаривания и брожения при добавлении зерна сорго к смеси зерна пшеницы и ржи;
- определить покомпонентные составы бражки, выработанной из смеси зерна пшеницы, ржи и сорго, и углеводородной добавки, применяемой при производстве биоэтанола;
- исследовать физико-химические параметры технологии разделения спиртово-углеводородных смесей и разработать математическую модель расслаивания системы «этанол – углеводороды – вода»;
- обосновать и разработать новую безотходную технологию и технологический режим совместной переработки спиртосодержащего сырья и углеводородных компонентов;
- исследовать технологические режимы получения биоэтанола при совместной переработке спиртовых и углеводородных смесей и определить оптимальный режим работы при получении в качестве продуктов биоэтанола и сивушного масла;
- определить оптимальную величину расхода, оптимальное место отбора фракции сивушных масел и оптимальную концентрацию бражного дистиллята с учетом ограничений на выход биоэтанола и на содержание воды в нём;
- разработать безотходную технологию получения биоэтанола;
- выполнить критический анализ влияния на экологическую ситуацию замены бензина на бензанол, исследовать содержание углеводородных компонентов в лютерной и подсивушной воде и его соответствие безопасности жизнедеятельности;
- разработать нормативную документацию и выполнить технико-экономическое обоснование новой технологии получения биоэтанола.
1.4 Научная новизна. Научно обоснована новая безотходная технология получения биоэтанола из смеси зерна пшеницы и ржи с добавлением зерна сорго. Развиты физико-химические основы технологии разделения спиртово-углеводородных смесей и обоснован механизм снижения концентрации воды в биоэтаноле. Новизна технических решений подтверждена патентом РФ на полезную модель № 83015 «Установка непрерывного действия для получения бензанола» (2009 г.).
1.5 Практическая значимость. Разработана новая безотходная технология получения биоэтанола из бражки, выработанной из смеси зерна пшеницы и ржи с добавлением зерна сорго. Определен оптимальный технологический режим, позволивший снизить себестоимость биоэтанола и концентрацию воды в нем. На базе технологии производства биоэтанола разработана технологическая инструкция по производству бензанола для установки производительностью 4470 дал в сутки в пересчете на этанол. Снижение капитальных затрат составляет 5000 тыс. руб. и экономия за счет снижения расходов греющего пара и охлаждающей воды 4827,6 тыс. руб. в год.
1.6 Реализация результатов исследования. Рекомендации по использованию новой технологии получения биоэтанола приняты к внедрению ОАО «Дондуковский элеватор». Предлагаемые технологический режим и технологическая схема предусматривают совместную переработку углеводородных и спиртовых смесей, смешение биоэтанола, отбираемого из конденсатора спиртовой колонны с основной частью бензина. Достигнуто снижение содержания воды в биоэтаноле и обеспечена устойчивая работа установки по совместной переработке спиртово-углеводородных смесей.
1.7 Апробация работы. Основные положения диссертации доложены, обсуждены и одобрены на Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 10-ти летию кафедры «Технология и организация питания» (г. Челябинск, 2007 г.); на I Всероссийской научно-практической конференции молодых учёных «Научное обеспечение агропромышленного комплекса» (г. Краснодар, 2007 г.); на десятой Международной научно-практической конференции «Современные проблемы техники и технологии пищевых производств» (г. Барнаул, 2007 г.); на Международной научно-практической конференции «Государственная программа развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2008-2012 годы» (г. Пенза, 2008 г.); на III научно-практической конференции «Качество продукции, технологий и образования» (г. Магнитогорск, 2008 г.); на II Всероссийской студенческой научно-технической конференции «Интенсификация тепло-массообменных процессов, промышленная безопасность и экология» (г. Казань, 2008 г.); на конференции получателей грантов регионального конкурса «ЮГ» Российского фонда фундаментальных исследований и администрации Краснодарского края «Вклад фундаментальных исследований в развитие современной инновационной экономики Краснодарского края» (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.).
1.8 Публикация результатов исследования. По материалам диссертации опубликовано 16 работ, в том числе 4 статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ, получено свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ и патент РФ на полезную модель.
1.9 Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 3 глав, выводов, списка использованной литературы и приложения. Основной текст диссертации изложен на 150 страницах компьютерного текста, содержит 26 рисунков и 36 таблиц. Список использованной литературы включает 142 наименования, из них 22 зарубежных авторов.
2 ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
2.1 Объекты исследований. В соответствии с поставленной целью и задачами в качестве объектов исследований использовали зерновое сырье, включающее пшеницу, рожь и сорго, выработанную из него на производственной линии ООО «КХ Восход» бражку. Для экспериментального исследования фазового равновесия в системе «этанол – гексан – вода» были взяты чистые компоненты: этанол 96,5 % об. по ГОСТ Р 51652-2000, гексан по ТУ 2631-003-05807999-98 и дистиллированная вода по ГОСТ 6709-72.
2.2 Методы исследований. При выполнении работы были использованы современные методы анализа покомпонентного состава спиртово-углеводородных смесей на хроматографах «Кристалл 2000М» в СКЗНИИСиВ и «Кристаллюкс 4000М» в ОАО «НИПИгазпереработка» и методы моделирования сложных химико-технологических систем. Органолептическая оценка полученной бражки осуществлялась по 10-ти бальной шкале дегустационной комиссией ГНУ «Северо-Кавказский научно-исследова-тельский институт садоводства и виноградарства» Россельхозакадемии г. Краснодара. Устойчивость работы двухколонной брагоректификационной установки при совместной переработке спиртовых и углеводородных смесей рассмотрена с позиций термодинамического анализа равновесия «жидкость – жидкость» и методов группового состава. Расчёт равновесия «жидкость – жидкость» в смесях «этанол углеводороды – вода» реализован в среде Borland Pascal с применением численных методов.
3 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ АНАЛИЗ
3.1 Особенности зернового сырья для получения биоэтанола и обоснование целесообразности использования наряду с зерном пшеницы и ржи зерна сорго. С позиций получения биоэтанола рассмотрены особенности основных зерновых культур: урожайность, содержание крахмала в зерне и выход спирта из 1 т зернового сырья (рисунки 1-3). Установлено, что сорго является предпочтительной культурой при производстве биоэтанола. В связи с этим из смеси злаковых культур пшеницы, ржи и сорго выработана бражка и проведен ее анализ.
Рисунок 1 – Урожайность зерновых культур
Рисунок 2 – Содержание крахмала в зерновых культурах
Рисунок 3 – Выход спирта из тонны сырья
3.2 Производственная проверка технологических операций размола, разваривания, осахаривания и брожения при добавлении зерна сорго к смеси зерна пшеницы и ржи и определение покомпонентного состава бражки. Размол обеспечивал 75%-ый проход через сито с отверстиями 1 мм. Разваривание проводилось в течение 45 минут при 138-1400С. Осахаривание – в течение 30 минут при 580С, брожение – в течение 72 часов при 350С. Во время брожения не наблюдалось пенообразование, которое отсутствовало также в бражной колонне. Для разжижжения замеса и его осахаривания применяли ферменты: альфамил 2500L (L-амилаза), глюкогам (глюкоамилаза), пролайв РАС 30L и вискостар. В результате получена бражка, состав летучих компонентов которой приведен в таблице 1. Она в большей степени, чем обычная зерновая бражка, содержит сивушные пропиловые спирты (2-пропанол, 1-пропанол) и в меньшей степени основные компоненты сивушного масла (изобутиловый и изопропиловый спирты). Суммарное содержание в мг/дм3 составляет: сложных эфиров 22,14, высших спиртов 336,63, кислот 39,74. Большое содержание 2-пропа-нола в биоэтаноле является положительным моментом и способствует сохранению агрегатной стабильности спиртово-углеводородных смесей при повышении содержания воды и снижении температуры.
Таблица 1 – Покомпонентный состав летучих примесей бражки,
выработанной из зерновой смеси пшеницы, ржи и сорго
| Наименование компонента | Массовая концентрация, мг/дм3 | Наименование компонента | Массовая концентрация, мг/дм3 |
| Ацетальдегид Фурфурол 2,3-бутиленгликоль Этилформиат Этилацетат Метилкаприлат Этиллактат Этилацеталь Метанол 2-пропанол 1-пропанол Изобутанол | 8,6908 1,4304 39,352 0,4635 20,600 0,2932 0,5447 0,4104 25,118 1,2363 65,759 64,016 | 1-бутанол Изоамиловый 1-амилол 1-гексанол Этанол, % об. Уксусная кислота Пропионовая кислота Изомасляная кислота Масляная кислота Изовалериановая кислота Валериановая кислота Фенилэтанол | 1,0137 203,34 0,3572 0,9072 7,1926 35,982 0,3610 0,3772 2,0470 0,5644 0,4100 72,478 |
3.3 Исследование физико-химических параметров технологии разделения спиртово-углеводородных смесей и разработка математической модели расслаивания системы «этанол – углеводороды – вода». При разработке технологии получения биоэтанола возникает проблема разделения спиртово-углеводородных смесей. Для моделирования технологии разделения необходимы данные по равновесию в системах «пар – жидкость» и «жидкость – жидкость» в этих смесях.
Экспериментально исследовано смешение расслаивание в системе «гексан этанол вода» (таблица 2). При приготовлении смесей количество гексана взято постоянным 15 мл. Соотношения этанола и воды изменялись таким образом, чтобы общее количество исходной смеси оставалось равным 50 мл. После тщательного перемешивания и последующего отстаивания определялся покомпонентный состав тяжёлой (водной) фазы.
Таблица 2 – Экспериментальные данные смешения расслаивания смеси
«гексан – этанол – вода»
| № п/п | Количество компонентов при смешении, см3 | Концентрация компонентов в тяжёлой (водной) фазе, % об. | ||||
| гексан | этанол 96, 5 % об. | вода | гексан | этанол | вода | |
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 12 13 14 15 16 | 20 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 | 0 2,5 5 7,5 10 12,5 15 17,5 20 25 30 32 33 33 34 34,5 35 | 20 32,5 30 27,5 25 22,5 20 17,5 15 10 5 3 2 2 1 0,5 0 | 0,0094 0,0049 0,0066 0,0049 0,0124 0,0354 0,0621 0,1886 0,5230 2,4270 8,5989 19,467 27,163 28,521 | 0 6,0783 14,390 19,951 29,903 36,935 42,835 49,209 57,121 66,107 72,106 75,148 67,461 70,066 | 99,9906 93,9168 85,6034 80,0441 70,0846 63,0296 57,1029 50,6024 42,3560 31,4660 19,2951 5,385 5,376 1,413 |
| Не расслаивается | ||||||
Установлено, что концентрация воды в лёгкой (гексановой) фазе очень мала, а правая ветвь бинодальной кривой, которая отвечает тяжёлой фазе, имеет куполообразный вид (рисунок 4). По данным хроматографического анализа тяжёлая фаза состоит практически полностью из этанола и воды, а содержание гексана незначительно. С ростом концентрации этанола и снижения концентрации воды в смеси содержание этанола в тяжёлой фазе увеличивается. Образование гетерогенных фаз свидетельствует о том, что при применении этанола в качестве оксигената в биотопливе необходимо контролировать содержание воды в этаноле, а при разработке технологии получения биоэтанола обеспечивать минимум содержания воды в нем.
расчётные значения по спрогнозированным параметрам группового
взаимодействия «жидкость – жидкость» метода UNIFAC;
кривая 1 – по методу UNIQUAC; кривая 2 – по методу NRTL;
экспериментальные данные
Рисунок 4 – Фазовая диаграмма смеси «гексан – этанол – вода»
при 20 0С и атмосферном давлении
Предшествующий опыт моделирования и внедрения технологических схем и режима работы брагоректификационных установок, перерабатывающих спиртовые расслаивающиеся смеси «сивушное масло – этанол – вода» свидетельствует о высокой точности метода UNIQUAC. Однако применительно к данной смеси он даёт большие погрешности (рисунок 4, кривая 1). Расчётные значения равновесных составов находятся в противоречии с экспериментальными данными, а при использовании групповых па-раметров «пар – жидкость» метода UNIFAC модель UNIQUAC вообще не предсказывает расслаивания в данной системе. Эксперимент удов-летворительно описывается при использовании модели NRTL, когда пара-метры бинарного взаимодействия молекул спрогнозированы по групповым параметрам «жидкость – жидкость» модели UNIFAC (рисунок 4, кривая 2).
Вид полученной экспериментальной бинодальной кривой является специфическим. Наиболее часто встречающиеся диаграммы имеют критическую точку вблизи максимума бинодальной кривой. Причём если на правой ветви составы отвечают тяжёлой фазе, то при равной концентрации распределяемого компонента на левой ветви при такой же концентрации распределяемого компонента составы отвечают лёгкой фазе. В отличие от этого на представленной диаграмме, например, для концентрации этанола (распределяемого компонента) 70 % об. концентрация воды на бинодальной кривой имеет два значения на правой ветви порядка 25 % и на левой ветви порядка 1 %. При этом оба этих состава принадлежат тяжёлой фазе. На представленной кривой отсутствует критическая точка. В лёгкой фазе весь состав лежит практически на стороне бинарной смеси этанол – гексан, а концентрация воды в нём чрезвычайно низка. Расчетное значение максимального содержания спирта в лёгкой фазе составляет порядка 11 % об. Такой необычный вид бинодальной кривой приводит к представлению о кажущейся инверсии фаз при изменении концентрации спирта в области 70-76 % об. Действительно с ростом концентрации спирта в смеси возрастает концентрация гексана, так как гексан растворяется в спирте значительно лучше, чем в воде. При этом рассматриваемая фаза является тяжёлой. Однако из диаграммы видно, что при концентрации спирта 70 % и концентрации гексана 30 %, имеется второе решение. Таким образом, установлено, что при расчётном моделировании может встретиться инверсия фаз. При экспериментальной проверке на системах «этанол – углеводород – вода» это явление нами не обнаружено.
точность сходимости коэффициентов распределения 
по методу последовательных приближений и шаг по доле фаз 
. После задания значения доли фаз 
(отношения количества молей лёгкой фазы к мольному количеству смеси), проводится расчёт составов компонентов в фазах 
и 
, где индексами ' и " обозначены лёгкая и тяжёлая фазы.
Результаты исследования систем «этанол – углеводород – вода» использованы при разработке технологии совместной переработки спиртово-углеводородных смесей.
3.4 Разработка новой безотходной технологии и технологического режима совместной переработки спиртосодержащего сырья и углеводородных компонентов. Патентный поиск показал, что технологические схемы совместной переработки углеводородных и спиртовых смесей для получения биоэтанола не разработаны и не используются промышленностью как в нашей стране, так и за рубежом.
Разработка новой технологии получения биоэтанола предполагает не только совместную переработку этанола и бензина, но и выбор тарелки спиртовой колонны, на которую будет осуществляться подача углеводородной смеси с целью минимизации содержания воды в бензаноле. При обосновании и разработке новой технологии в качестве базового варианта принята технологическая схема брагоректификационной установки (БРУ) косвенного действия. При переводе действующих БРУ на производство биоэтанола отпадает необходимость эпюрации. Поэтому из схемы исключена эпюрационная колонна. В этом случае бражной дистиллят подаётся непосредственно в спиртовую колонну. При производстве биоэтанола отпадает необходимость его очистки от эфиров, альдегидов, сивушных спиртов и сивушных масел. С этой точки зрения спиртовая колонна может работать без боковых отборов. Однако для определения такой возможности необходимо исследовать устойчивость работы двухколонной химико-технологической системы при совместной переработке спиртовых и углеводородных смесей. Оказалось, что при работе без боковых отборов наблюдается неустойчивый режим. Последнее связано с тем, что промежуточные примеси не могут быть удалены ни с дистиллятом, ни с лютерной водой при жестких требованиях, предъявляемых по содержанию воды в дистилляте (менее 4 % об.) и спирта в лютере (не более 0,015 % об.). Установлено, что можно не проводить пастеризацию спирта, исключить отбор головной фракции, возвращаемой в классической схеме в эпюрационную колонну. При подаче в колонну углеводородной добавки можно также не проводить отбор сивушных спиртов. При этом устойчивый технологический режим обеспечивается за счёт отбора фракции сивушных масел (ФСМ).
В качестве углеводородной добавки, применяемой при производстве биоэтанола, принят неэтилированный бензин «Нормаль-80», покомпонентный состав которого определен хроматографическим методом. Бензин содержал нормальные углеводороды от С4 до С10 и их изомеры, циклические углеводороды: метилциклопентан и циклогексан и ароматические углеводороды: бензол, толуол, о-ксилол. Для целей моделирования сложных технологических систем при совместной переработке спиртово-углеводородной смеси, содержащей большое число компонентов, возникла необходимость объединения их в представительные группы: углеводороды C4–C10, свойства которых взяты по соответствующим нормальным парафинам, циклические и ароматические углеводороды, которые из-за специфических свойств сохранены как индивидуальные компоненты. Бензин, используемый при моделировании (таблица 3), содержал незначительное количество пропана, небольшое количество углеводородов C5 и C8 и состоял в основном из углеводородов C6 – C7.
Таблица 3 – Состав неэтилированного бензина «Нормаль-80»
| № п/п | Наименование | % мас. | № п/п | Наименование | % мас. |
| 1 2 3 4 5 | Пропан Н-бутан Н-пентан Н-гексан Метилциклопентан | 0,24 2,22 8,87 26,57 8,73 | 6 7 8 9 10 | Бензол Циклогексан Н-гептан Толуол Н-октан | 1,11 7,48 33,09 1,21 10,48 |
Определены оптимальные режимы работы бражной колонны (таблица 4) и спиртовой колонны (таблица 5), в которой в качестве питания используются бражной дистиллят и бензин, а в качестве продуктов получается биоэтанол и сивушное масло.
Таблица 4 – Технологический режим работы бражной колонны БРУ
производительностью 4470 дал/сут. по абсолютному алкоголю
| № | Наименование потока | Расход, м3/сут. | Температура, 0C | Крепость, % об. | ||||
| в нагреватель | в колонну | |||||||
| 1 | Бражка | 620 | 25 | 80 | 7,26 | |||
| 2 | Подсивушная вода | 0,153 | 60 | 80 | 15,70 | |||
| 3 | Острый пар | 90 т/сут. | 133 | |||||
| 4 | Бражной дистиллят | 96,36 | 85,5 | 46,94 | ||||
| 5 | Барда | 613,8 | 104,8 | 0,01 | ||||
| Бражная колонна | ||||||||
| Температура, 0С верха низа | 96,3 105 | Давление, МПа верха низа | 0,11 0,12 | |||||
Таблица 5 – Технологический режим работы спиртовой колонны БРУ
производительностью 4470 дал/сут. по абсолютному алкоголю
| № | Наименование потока | Расход, м3/сут. | Тарелка подачи/ отбора | Температура, 0C | Крепость, % об. | |||
| 1 | Бражной дистиллят | 96,36 | 16 | 85,5 | 46,94 | |||
| 2 | Бензин | 30 | 80 | 30 | ||||
| 3 | Дистиллят | 75,79 | конденсатор | 59,25 | 58,6 | |||
| 4 | Сивушная фракция | 0,45 | 4 | 100,4 | 62,1 | |||
| 5 | Лютер | 50,1 | ребойлер | 106,7 | 0,015 % об. этанола | |||
| Спиртовая колонна | ||||||||
| Температура, 0С верха низа Температура, 0С орошения колонны на питательной тарелке (16-я тарелка) на тарелке отбора ФСМ (4-я тарелка) | 72,6 106,7 59,3 88,2 98,1 | Давление, МПа верха низа | 0,105 0,128 | |||||
Определение оптимальных технологических и структурных параметров осуществлялось последовательным изменением расходов бензина, подаваемого в спиртовую колонну и на смешение с дистиллятом, расходов греющего пара в бражную и спиртовую колонны, величины отбора ФСМ, а также выбором номеров тарелок подачи бензина и отбора ФСМ. Для определения количества отбора ФСМ исследовано влияние этой величины на состав ФСМ (рисунок 6).
С уменьшением величины отбора ФСМ снижалась концентрация этанола в нём, что благоприятно сказывалось на расслаивание ФСМ в сепараторе, и росте концентрации высших спиртов, что обеспечивало минимальный переход воды в сивушное масло и позволяло подмешивать последнее в биотопливо, обеспечивая безотходное производство.
1 – этанол; 2, 3 – 1-пропанол, изобутанол; 4 – изоамилол
Рисунок 6 – Зависимость концентрации этанола, 1-пропанола, изоамилола
и изобутанола от величины отбора сивушной фракции
При производительности по абсолютному алкоголю 4470 дал в сутки оптимуму отвечает расход бензина 30 м3 в сутки и подача его в колонну на 80-ю тарелку. Окончательно биотопливо получают смешением спиртово-углеводородного дистиллята с бензином до концентрации спирта 7 % об. Расходы острого пара в бражную колонну – 90 т в сутки, греющего пара в спиртовую колонну – 150 т в сутки. Оптимальной из условия минимума концентрации этанола оказалась 4-я тарелка при отборе ФСМ в количестве 45 дал в сутки, что составляет 0,6 % от потенциального содержания этанола. Наконец, остаётся задача использования полученной фракции сивушных масел. Предложено после разделения её в сепараторе рециркулировать подсивушную воду в бражную колонну (или в передаточный чан), а сивушное масло подавать на смешение с бензанолом.
Всё это позволяет без повышения энергозатрат при безотходной технологии снизить содержание воды в биотопливе до 0,2 % об. и выработать 650 м3 в сутки бензанола.
1 – бражная колонна; 2 – спиртовая колонна; 3 – конденсатор бражной колонны; 4, 5 – конденсаторы; 6 – дефлегматор, 7 – термосифонный кипятильник;
8 – сепаратор; 9, 10 – смесители
Рисунок 7 Технологическая схема установки непрерывного действия
получения биоэтанола
Действие установки непрерывного действия для получения биоэтанола состоит в том (рисунок 7), что бражка, подогреваемая в конденсаторе бражной колонны 3, подается на верхнюю тарелку бражной колонны 1, обогреваемой острым паром. С низа бражной колонны 1 выводится барда. По выходе из колонны 1 пары, содержащие летучие примеси, поступают в конденсатор бражной колонны 3. Бражной конденсат подается на 16-ю тарелку 80-ти тарельчатой спиртовой колонны 2, снабженной термосифонным кипятильником 7 и обогреваемой глухим паром. Нижняя часть колонны снабжена штуцером для отбора сивушной фракции. Лютер, содержащий кислоты и незначительное количество высших спиртов, выводится снизу спиртовой колонны 2. На 80-ю тарелку спиртовой колонны 2 подается бензин. Спирто-бензиновые пары с верха спиртовой колонны 2 поступают в дефлегматор 6. Часть спирто-бензиновой смеси (биоэтанол), отбираемой из конденсатора 4, подается в смеситель 9 для смешения с основной частью бензина. Сивушная фракция, отбираемая с 4-й тарелки спиртовой колонны 2, поступает в сепаратор 8, где расслаивается на сивушное масло и подсивушную воду. Подсивушная вода возвращается в цикл брагоректификации, а сивушное масло подается для смешения со спирто-бензиновой смесью. Бензанол отбирается из смесителя 10.
3.5 Критический анализ влияния на экологическую ситуацию замены бензина на бензанол, исследование содержания углеводородных компонентов в лютерной и подсивушной воде и его соответствие безопасности жизнедеятельности. По разработанной технологии получается бензанол, который по своему составу отвечает бензиновым смесям, обеспечивающим уменьшение выбросов окиси углерода на 30 % и снижает загрязнение атмосферного воздуха вредными веществами. При разработанных параметрах технологического режима отсутствуют углеводородные компоненты в лютерной и подсивушной воде, что отвечает условиям безопасности жизнедеятельности. Всё это позволит улучшить экологическую обстановку курортной зоны Краснодарского края.
3.6 Разработка нормативной документации и технико-экономи-ческое обоснование новой технологии получения биоэтанола. В настоящее время в РФ эксплуатируются спиртзаводы мощностью до 6000 дал в сутки. С технической точки зрения не представляет трудности создание более мощных заводов для производства биоэтанола. В этих условиях, во-первых, становится целесообразным внедрение технологии глубокой переработки зерна по типу элеваторного хозяйства. Во-вторых, в связи с изменением требований к брагоректификационным установкам и качеству спирта можно перейти на схему с двумя колоннами, вместо трёх-пяти колонн БРУ. Представляется целесообразной совместная переработка бражного дистиллята и бензина. Ужесточаются требования к экономии энергоресурсов. Сравнение предлагаемой технологии проведено с технологией получения бензанола смешением бензина со спиртом, полученным на БРУ (таблица 6).
Таблица 6 Экономическая эффективность новой технологии получения
биоэтанола из зерновой смеси пшеницы, ржи и сорго
| Дополнительно выработано абсолютного алкоголя, дал/сут. | 156,45 |
| Дополнительная технологическая продукция в денежном выражении, руб. в год. | 15019000 |
| Сокращение расхода греющего пара, кг/сут. | 35760 |
| Экономия эксплуатационных затрат, руб. в год | 4827600 |
| Экономия капитальных затрат, руб. | 5000000 |
В связи с изложенным, нормативная документация разработана на новую технологию получения биоэтанола объемом 4470 дал в сутки в пересчете на этанол.
ВЫВОДЫ
- Выявлены особенности зернового сырья для получения биоэтанола и обоснована целесообразность использования наряду с зерном пшеницы и ржи зерна сорго;
- Выполнена производственная проверка технологических операций размола, разваривания, осахаривания и брожения при добавлении зерна сорго к смеси зерна пшеницы и ржи.
- Определены покомпонентные составы бражки, выработанной из смеси зерна пшеницы, ржи и сорго, и углеводородной добавки, применяемой при производстве биоэтанола.
- Уточнены физико-химические параметры технологии разделения спиртово-углеводородных смесей и разработана математическая модель расслаивания системы «этанол – углеводороды – вода».
- Обоснована и разработана новая безотходная технология и технологический режим совместной переработки спиртосодержащего сырья и углеводородных компонентов.
- Определены технологические режимы получения биоэтанола при совместной переработке спиртовых и углеводородных смесей и оптимальный режим работы при получении в качестве продуктов биоэтанола и сивушного масла. При производительности по этанолу 4470 дал в сутки оптимальный режим работы ректификационной колонны, в которой в качестве питания используется бражной дистиллят и бензин, а в качестве продуктов получается биоэтанол и сивушное масло, отвечает расходу бензина 30 м3/сутки и подаче его в колонну на 80-ю тарелку.
- Определена оптимальная величина отбора фракции сивушных масел, равная 45 дал в сутки. Установлено, что 4-я, считая снизу, тарелка отбора фракции сивушных масел является оптимальной. Оптимальной является крепость бражного дистиллята 46,07 % об. при следующих параметрах работы бражной колонны: температура верха 96,3 0С, низа 105 0С, давление низа 0,12 МПа, верха 0,11 МПа.
- Разработана безотходная технология получения биоэтанола на двухколонной брагоректификационной установке. Показано, что подача бензина в спиртовую колонну позволяет вывести 2-пропанол и изобутанол в дистиллят, снизить концентрацию воды в бензаноле и обеспечить устойчивую работу установки путём отбора в небольшом количестве только фракции сивушных масел. Расслаивание её в сепараторе без подачи в него воды создаёт возможность рециркуляции подсивушной воды в бражную колонну и смешения сивушного масла с биоэтанолом.
- Выполнен критический анализ влияния на экологическую ситуацию замены бензина на биоэтанол. При разработанных параметрах технологического режима отсутствуют углеводородные компоненты в лютерной и подсивушной воде при содержании воды в бензаноле 0,2 % об. Это позволяет улучшить экологическую обстановку курортной зоны Краснодарского края.
- Разработанная технология и технологическая инструкция производства бензанола приняты к внедрению на ОАО «Дондуковский элеватор». Снижение капитальных затрат составляет 5000 тыс. руб. и экономия за счет снижения расходов греющего пара и охлаждающей воды 4827,6 тыс. руб. в год.
Список работ, опубликованных по теме диссертации:
- Ачегу З.А. Совершенствование системы получения этанола для добавки в моторное топливо / З.А. Ачегу, Т.Г. Короткова, Е.Н. Константинов // Известия вузов. Пищевая технология, 2007. – № 5-6. – С.105-106.
- Ачегу З.А. Производство спирта для моторного биотоплива / З.А. Ачегу, Т.Г. Короткова, Е.Н. Константинов // Материалы Всерос. научно-практич. конф., посвященной 10-летию кафедры «Технология и организация питания». – Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2007. – С.14-16.
- Ахметгалиева Л.В. Снижение энергозатрат на брагоректификацию при получении этанола для биотоплива / Л.В. Ахметгалиева, З.А. Ачегу, Т.Г. Короткова // Матер. I Всерос. научно-практич. конф. молодых учёных «Научное обеспечение агропромышленного комплекса». – Краснодар, КубГАУ, 2007. – С.146-148.
- Ачегу З.А. О специфике технологии производства спирта для моторного биотоплива / З.А. Ачегу, Т.Г. Короткова, Е.Н. Константинов // Матер. десятой межд. научно-практич. конф. «Современные проблемы техники и технологии пищевых производств». – Барнаул, АлтГТУ, 2007. – С.47-48.
- Константинов Е.Н. Необычное явление скачкообразной инверсии фаз при моделировании равновесия в трёхкомпонентных спиртово-углеводородных смесях / Е.Н. Константинов, З.А. Ачегу, А.В. Кикнадзе, Т.Г. Короткова // Известия вузов. Пищевая технология, 2008. – № 4. – С.73-75.
- Константинов Е.Н. Специфика термодинамического анализа и моделирования равновесия смесей практически нерастворимых друг в друге компонентов / Е.Н. Константинов, Т.Г. Короткова, З.А. Ачегу, А.В. Кикнадзе // Известия вузов. Пищевая технология, 2008. – № 4. – С.96-98.
- Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2008612940 Прогнозирование энергетических параметров бинарного взаимодействия модели NRTL по параметрам межгруппового взаимодействия модели UNIFAC / Т.Г. Короткова, З.А. Ачегу, Е.Н. Константинов, Л.В. Ахметгалиева (РФ). – Заявлено № 2008611730 от 21.04.2008. – Зарег. 18.06.2008 г.
- Ачегу З.А. Влияние углеводородов с С6 и выше на расслаивание сивушной фракции / З.А. Ачегу, Т.Г. Короткова, Е.Н. Константинов // Сб. статей межд. научно-практич. конф. «Государственная программа развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2008-2012 годы». – Пенза, 2008. – С.72-73.
- Кикнадзе А.В. Использование пищевого спирта в качестве добавки в топливо – одно из решений улучшения экологической обстановки / А.В. Кикнадзе, З.А. Ачегу, Е.Н. Константинов, Т.Г. Короткова // Матер. III научно-практич. конф. «Качество продукции, технологий и образования». – Магнитогорск, 2008. – С. 88-89.
- Ахметгалиева Л.В. Моделирование равновесия в системе гексан – вода / Л.В. Ахметгалиева, З.А. Ачегу, Т.Г. Короткова // Матер. II Всерос. студ. научно-технич. конф. «Интенсификация тепло-массообменных процессов, промышленная безопасность и экология». – Казань, 2008. – С.216-217.
- Константинов Е.Н. Обоснование технологии производства биотоплива путем совместной переработки водно-спиртовых смесей и углеводородных компонентов моторного биотоплива / Е.Н. Константинов, Т.Г. Короткова, Х.Р. Сиюхов, З.А. Ачегу // Матер. конф. получателей грантов регионального конкурса «ЮГ» Российского фонда фундаментальных исследований и администрации Краснодарского края «Вклад фундаментальных исследований в развитие современной инновационной экономики Краснодарского края». – Краснодар, 2008. – С.184-185.
- Ачегу З.А. Сырье для производства биоэтанола / З.А. Ачегу, А.В. Кикнадзе, Т.Г. Короткова, Е.Н. Константинов // Матер. одиннадцатой межд. научно-практич. конф. «Современные проблемы техники и технологии пищевых производств». Барнаул.: изд-во АлтГТУ, 2008. С.110-112.
- Ачегу З.А. Биоэтанол / З.А. Ачегу, Л.М. Левашова, Е.Н. Константинов // Тез. докл. XXXVI науч. конф. 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.10.
- Кикнадзе А.В. Разработка новой технологии получения этанола для биотоплива / А.В. Кикнадзе, З.А. Ачегу // Матер. I Всерос. студ. науч. конф. «Молодежная наука пищевой промышленности России». Ставрополь: СевКавГТУ, 2009. С.73-74.
- Константинов Е.Н. Перспективность технологии производства бензанола на базе достижений спиртовой промышленности / Е.Н. Константинов, Т.Г. Короткова, Л.М. Левашова, З.А. Ачегу, С.К. Чич, А.В. Кикнадзе // Известия вузов. Пищевая технология, 2009. – № 2-3. – С.57-59.
- Патент РФ на полезную модель № 83015 Установка непрерывного действия для получения бензанола / Е.Н. Константинов, Т.Г. Короткова, З.А. Ачегу, А.В. Кикнадзе по заявке № 2009106412; Опубл. 20.05.2009г. Бюл. № 14.
