Введение к работе
Актуальность работы. В Российской" Федерации" перерабатываются на" спирт большие объемы крахмало- и сахаросодержащего сырья. В основном, получение пищевого этилового спирта осуществляется на установках непрерывного действия с использованием традиционной технологии брагоректификации. Наиболее распространены брагоректификационные установки (БРУ) косвенного действия. В настоящее время возникли две задачи, стимулирующие дальнейшие исследования в области улучшения показателей работы БРУ. Первая задача -улучшение качества спирта, что обусловлено изменением условий потребительского рынка. Вторая - снижение удельных энергетических затрат, что связано с увеличивающейся стоимостью энергии и ее ограниченными ресурсами. Вместе с тем, развитие среднего и малого бизнеса привело к росту спроса на гибкие, простые в эксплуатации и не требующие больших капиталовложений установки брагоректификации малой и средней мощности. Перечисленным требованиям отвечают в большей степени установки не непрерывного, а периодического действия или установки, комбинирующие оба способа ведения процесса.
Современный уровень оснащения вычислительной техникой, последние достижения в области теории парожидкостпого равновесия, развитая теория массопередачи в многокомпонентных смесях позволяют решать эти задачи, опираясь на методы математического моделирования. Исследование процессов брагоректификации методами математического моделирования требует комплексного решения вопросов теории расчета многокомпонентной ректификации, массопередачи в системах с примесными компонентами, а также адаптации к конкретному классу нейдеальной смеси современных методов описания парожидкостно-го равновесия.
По сложившимся теоретическим представлениям о ректификации спиртосодержащих смесей они относятся к бинарной системе с примесными компонентами. Это позволяет определять независимо распределения спирта и воды по высоте колонны, а на следующем этапе рассчитывать независимо друг от друга профиль концентраций примесных компонентов по высоте колонны. Такой подход является приближенным, и возникает задача разработки эталонной модели, учитывающей взаимное влияние всех компонентов и тепловые эффекты на всех действительных тарелках колонны.
Работа финансировалась по гранту "Разработка теории тепломассообмена в многокомпонентных смесях и ее интеграция с групповыми моделями' йарожид-костного равновесия в технологии переработки вторичного сырья пищевой промышленности" (конкурс грантов Министерства образования Российской Федерации по фундаментальным исследованиям в области сельхозмашиностроения).
Цель настоящей работы состоит в разработке математической модели ректификации спиртовых смесей, учитывающей массопередачу в многокомпонентных смесях, изменение расхода потоков паров и жидкости от тарелки к тарелке, влияние всех компонентов на парожидкостное равновесие, а также в применении этой Модели для совершенствования схемы и режима работы брагоректификаци-онных установок косвенного действия и разработки БРУ малой мощности.
Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что:
на основе анализа данных по парожидкостному равновесию бинарных и
трехкомпонентных смесей, содержащих компоненты, характерные для примесей,
сопутствующих спирту, уточнены параметры группового взаимодействия модели
UNIFAC; '"'"' ''' '" ' '' ' :i""7" '!
на основе теории массопередачи в многокомпонентных смесях получены уравнения для расчета эффективности тарелки по примесным компонентам;
разработана1 математическая модель ректификации спиртовых смесей, учитывающая перекрестные эффекты массопередачи при определении эффективности'тарелки, парожидкостное равновесие по методу UNIFAC и изменение расходов потоков паров и жидкости от тарелки к тарелке (на основе применения уравнения теплового баланса на каждой действительной ступени разделения). В основу расчета положен релаксационный метод, для которого разработана методика расчета параметров потоков, покидающих действительную тарелку по данным о параметрах питающих тарелку потоков;
проанализированы особенности расчета ректификации многокомпонентных смесей с учетом массопередачи в многокомпонентных смесях и предложен метод, обеспечивающий надежную сходимость вычислений;
на основе численного эксперимента на идентифицированной математической модели разработана усовершенствованная технологическая схема ректификации спиртосодержащих смесей.
Практическое значение диссертационной работы заключается в том, что
на основе исследований:
уточнены параметры взаимодействия для следующих групп, характерных для примесных и спиртовых компонентов рассматриваемых смесей: СНО-ОН,
он-сно, СНО-Н20, Н20-СНО, соон-сно, сно-соон, ссоо-он,
ОН-ССОО;
разработаны программы расчета ректификации спиртовых смесей на IBM Pentium 200, рекомендовано использовать для бражной и эпюрационной колонн модель расчета по теоретическим тарелкам, а для спиртовой колонны - по действительным;
разработаны рекомендации по режиму работы бражной, эпюрационной и спиртовой колонн, а также усовершенствована технологическая схема брагорек-тификационной установки косвенного действия;
предложена технологическая схема установки малой мощности комбинированного типа для разделения спиртосодержащих смесей, включающая бражную колонну непрерывного действия и спиртовую колошгу периодического действия;
проведенные исследования использованы при внедрении комбинированных установок малой мощности.
Достоверность и надежность результатов доказана экспериментально и подтверждена при внедрении. Производственные испытания показали, что предложенные установки позволяют получать продукцию высокого качества при интенсивных режимах работы.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены на межрегиональной научно-практической конференции "Пищевая промышленность -2000" (г. Казань, 1996), Второй Всероссийской научно-теоретической конференции "Прогрессивные экологически безопасные технологии хранения и комплексной переработки сельхозпродукции для создания продуктов питания повышенной пищевой и биологической ценности" (г. Углич, 1996), The First European Congress Chemical Engineering Florence (Italy, 1997), на студенческой научно-технической конференции "Модернизация существующего и разработка новых видов оборудования для пищевой промышленности" (г. Воронеж, 1996), на международной научной конференции "Рациональные пути использования
вторичных ресурсов агропромышленного комплекса" (г. Краснодар, 1997), на международной научно-технической конференции "Прогрессивные технологии и оборудование для пищевой промышленности" (г. Воронеж, 1997), на международной научно-практической конференции "Пищевая промышленность - 2000" (г. Казань, 1998), на Всероссийской студенческой научной конференции с международным участием (г. Краснодар, 1998), на студенческой научно-технической конференции "Модернизация существующего и разработка новых видов оборудования для пищевой промышленности" (г. Воронеж, 1998).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 158'страницах, содержит 113 рисунков и 15 таблиц.