Введение к работе
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.
