Введение к работе
Актуальность темы диссертационной работы. Интенсификация режимов переработки растительного сырья на промышленных установках, с целью повышения выхода полезных компонент в готовых формах, снижение себестоимости за счет сокращения расхода сырья, энергии требуют осуществления оптимального автоматизированного управления, основой которого являются модели, адекватные процессам. Актуальность их разработки возрастает с интенсификацией переработки органического сырья, - обладающего меньшей устойчивостью по отношению к технологическим факторам: Кроме того, для промышленного производства продуктов растительного сырья актуальна проблема сокращения в готовых формах вредных для организма веществ, которые в условиях кустарного производства не выявлялись и не нормировались.
Повышение качества пищевого этилового спирта, который получают непосредственно из растительного сырья (зерно, картофель)" или из продуктов его переработки (сахар) связывают с содержанием в нем метанола. В поячфабрикате, полученном в результате сбраживания, содержится около ста веществ, используемых в пищевой, парфюмерной, фармацевтической и других отраслях промышленности. В том числе, в исходном полуфабрикате содержатся вещества, являющиеся ядовитыми. или ухудшающие вкус и другие органолептические качества готового продукта. Все компоненты имеют уникальные физико - химические характеристики, следовательно. по различному участвуют в превращениях при общих для всех условиях их осуществления. Поэтому обязательной стадией технологического процесса получения пищевого зтанола является его выделение из полупродукта с минимизацией в готовом продукте вредных примесей. В том числе, при допустимой концентрации метилового спирта в готовом продукте 0.03 - 0.05% об., принятом в России, требования к концентрации метанола на мировом рьнже составляют 0.01 - 0 02% об Однако.
4 литературные источники и лабораторные данные свидетельствуют о том, что в процессе ректификационной очистки зтилового спирта осуществляются химические реакции, приводящие к появлению в дистилляте новых веществ. Известно, например, что, в составе мелассной бражки, получаемой на основе сахара, метанол не содержится. Однако ректификованный этиловый спирт, полученный из мелассной бражки, загрязнен метанолом на уровне 0.03-0.05% об. Появление метанола в дистилляте этилового спирта может быть объяснено гипотезой о химической реакции, происходящей в зоне массо-тешюобмена при ректификационном выделении этанола из мелассной бражки, что невозможно воспроизвести в лаборатории.
Целью диссертационной работы является математическое описание ректификационного процесса, совмещенного с химической реакцией в зоне тепломассообмена (реакционно - ректификационных процессов). Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:
изучить методы моделирования реакционно - ректификационных процессов (РРП) и использования моделей в промышленной практике;
разработать математическую модель РРП, описывающую изменения концентрации веществ, участвующих в химических превращениях по всей зоне ректификации;
разработать вычислительную схему реализации разработанной модели РРП;
на примере промышиелного технологического процесса очистки этилового спирта от метанола оценить адекватность и полезность разработанной модели;
- дать рекомендации по совершенствованию технологического процесса
ректификационной очистки этилового спирта.
Объектом исследования настояшей работы являются реакционо-ректификационные процессы.
Предмет исследования - процесс ректификационной очистки этилового спирта в эпюрационноЯ колонне, .совмещенный с химическими реакциями в зоне ректификации.
Достоверность пол\ченных результатов и научных выводов подтверждается обоснованностью выбранных методов решения задачи, использованием современных методов и средств обработки данных, сравнением результатов моделирования с экспериментальными данными, всесторонним анализом литературных источников по теме диссертации.
Доказательство достоверности разработанной математической модели РРП осуществляется её адаптапией к технологическому процессу выделения этанола из мелассной бражки. В том числе, производится адатггация и доказывается адекватность разработанной модели производственным данным, полученным н' процессе эксплуатации брамой, спиртовой и эпюрационнои колонн. Лдаптированная модель эпюрационнои колонны используется для исследования технологических условий повышения качества готового продукта за счет подавления побочных химических реакций, приводящих к появлению метанола в ректификованном этиловом спирте.
На защиту выносятся:
Постановка задачи математического моделирования реакционно-ректификационных процессов, обеспечивающих расчет состава компонентов по всей зоне массообмена колонны.
Математическая модель, описывающая экспериментально установленный факт появлепня метанола в процессе ректификационного выделения этилового спирта из мелассной бражки, как следствия химической реакции взаимодействия метилацстата с подои, происходящей в зоне массообмена колонны.
Параметpы ректификационной очистки этилового спирта, оптимизирующие процесс по критерию минимума метанола и готовом продукте, рассчитанные на модели ректификации, совмещенной с химическими реакциями в зоне массообмена.
Методика использования математических моделей реакционно ректификационных процессов для исследования режимов переработки нестойкого по температуре обработки сырья с целью оптимизации режимов работы промышленного оборудования, а том числе и при автоматизированном управлении.
Научная новизна диссертационной работы:
-
Предложена математическая модель реакционно - ректификационного процесса, обеспечивающая расчет изменения концентрации веществ, вступающих в химические реакции в зоне тепло - массообмена, распределенной по длине колонны.
-
Для расчета кинетики химических превращений предложено применить тсрмодинамические методы.
-
Предложен алгоритм реализации математической модели РРП, обеспечивающий требуемую эффективность и качество расчета.
-
С помощью математической модели РРП, адаптированной к процессу ректификационного выделения этанола из мелассной бражки, показано, что появление метанола в дистилляте обусловлено реакцией взаимодействия метилацетата с водой. В результате реакции образуются метанол и уксусная кислота, которые, согласно экспериментальных и лабораторных данных, являются сопутствующими спирту примесями.
-
С использованием математической модели РРП найдены технологические условия подавления химических реакций в зоне массообмена и, соответственно, обеспечивающие понижение концентрации метанола в дистилляте эпюрационной колонны.
Практическая значимость. Разработанная математическая модель позволяет найти технологические условия переработки растительного сырья на стадиях с интенсивным тепло-массо обменом (концентрирования, выпарки, ректификации, сушки). Адаптированная к процессам получения ректификованного этилового спирта математическая модель позволяет найти оптимальные режимы работы бражной, эпюрационной и спиртовой колон и применить эти результаты в автоматизированном управлении производством. Для использования математической модели в других подобных технологических процессах требуется предварительная её настройка, состоящая в описании возможных химических реакций, предполагаемых. к изучению матСіМатическим моделированием и заданию соответствующих констант.
Реализация результатов. Результаты исследования режимов работы эпюрационной колонны использованы для повышения эффективности процесса очистки этилового спирта ОАО «Бийский спиртзавод». По данным завода выход этилового спирта марки «экстра» увеличился на 1-1.5 %. Работа выполнялась в рамках региональной научно-технической программы «Алтай-Наука» (1998-1999 г.).
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на выездной научной сессии МАНЭБ (Бийск-Барпаул, 1999 г.); региональных научно-практических конференциях (Бийск, 1997, 1999 г.); первой краевой конференции по математике МАК-98 (АГУ, Барнаул. 1998); Всероссийской научно-практичсской конференции «Образование и наука на пороге третьего тысячелетия» (ИЭнП, Барнаул, 1999); Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Материалы и технологии 21 века» (ФНГІІД «Алтай», Бийск. 2000 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ.
Диссертационная работа состоит из введения, трех глав и заключения, изложенных на 112 с. текста, включающих 12 рисунков, 8 таблиц и содержит список литературы из 129 наименований, 2 приложения.