CC BY
79
2. Базарнова Ю.Г. Стабилизирующие смеси с криопро-текторными свойствами. Ч. 2. // Кондитер. производство. - 2005. -№ 6. - С. 52-56.
3. Рогов И.А., Куцакова В.Е., Филиппов В.И., Фролов С.В. Консервирование пищевых продуктов холодом (теплофизические основы). - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: КолосС, 2002. -184 с.
4. Чижов Г.Б. Теплофизические процессы в холодильной технологии пищевых продуктов. - М.: Пищевая пром-сть, 1979. -272 с.
5. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. - М.: Атом, 1979. - 416 с.
Поступила 19.12.08 г.
MODEL OF FRUITS AND BERRIES DEFROSTING IN LIQUID MEDIA
S.V. FROLOV, V.E. KUTSAKOVA, M.I. KREMENEVSKAYA, V.I. FILIPPOV, R.S. NECHAY
St. Petersburg State University of Refrigeration and Food Engineering,
9, Lomonosov st., Sankt Peterburg, 191002; fax: (812) 571-80-16, e-mail: [email protected]
The fact that defrosting of fruit and berries in syrup media leads to formation of frozen ice layer on their surface was illustrated. Equations for calculation of the time required for ice layer of maximum thickness formation are offered. It is was determined that the frozen ice layer can holy defrosted after the beginning of berry defrosting. This fact assist to the losses of important soluble constituents decreasing and maintaining of fruit and berry turgor.
Key words: defrosting of fruits, frozen a layer, cryoscopic temperature, decrease in losses of soluble components.
663.551
ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА СПИРТА В ПЕРИОДИЧЕСКОЙ ДВУХСЕКЦИОННОЙ КОЛОННЕ С ПРОМЕЖУТОЧНОЙ ЕМКОСТЬЮ
А.И. ФРИДТ
Кубанский государственный технологический университет,
350072, г. Краснодар, ул. Московская, 2; электронная почта: [email protected]
Разработана математическая модель периодической ректификации многокомпонентных неидеальных смесей в двухсекционной колонне с промежуточной емкостью между секциями. Проанализировано влияние на выход пищевого спирта и длительность процесса разделения местоположения промежуточной емкости, флегмового числа, соотношения объемов жидкости в емкости и кубе колонны, а также крепости сырья. Обнаружено наличие оптимальных значений этих параметров, обеспечивающих максимальный выход спирта или минимальное время процесса разделения. Ключевые слова: пищевой спирт, математическое моделирование, периодическая ректификация, двухсекционная колонна.
Для получения пищевого спирта на небольших предприятиях, которые в силу объективных причин не могут организовать непрерывный способ производства, используются установки периодической ректификации. Высокое качество спирта, вырабатываемого на таких установках, может быть обеспечено только при работе ректификационной колонны с большим флег-мовым числом. Это существенно увеличивает время процесса разделения сырья, что приводит к значительным энергозатратам. Поэтому сокращение длительности процесса перегонки является актуальной задачей.
Опыт эксплуатации установок периодического действия [1] свидетельствует, что качество получаемого спирта зависит от содержания в нем головных примесей, представляющих собой легколетучие альдегиды и эфиры. Как показывает расчетная практика [1, 2], область минимального содержания альдегидов и эфиров при разделении этанолсодержащих смесей находится не вверху ректификационной колонны, а в средней ее части. В этой связи целесообразно отбор готового продукта осуществлять не с дистиллятом, а из зоны колонны с минимальным содержанием головных примесей.
При этом, возможно, имеет смысл производить не постоянный отбор спирта, а получать его в емкости большого объема, расположенной в этой зоне. Такая организация процесса периодической ректификации позволит значительно сократить время разделения исходного сырья.
Цель настоящей работы - анализ возможности получения пищевого спирта в периодической двухсекционной колонне с емкостью между секциями и исследование закономерностей этого процесса.
Поставленная задача решалась методом математического моделирования с помощью модели процесса периодической ректификации многокомпонентных неидеальных смесей. В основу модели положена концепция «теоретической тарелки». При разработке модели принято, что мольный расход паровой фазы по высоте колонны постоянен, а расход стекающей вниз жидкой фазы определяется из условия постоянства заданного объема жидкости на тарелке.
С учетом принятых допущений математическое описание процесса включает следующие уравнения.
Уравнения общего и покомпонентного материального балансов для каждой тарелки, включая промежуточную емкость:
СІТ
+ С¥и_1-І,іХи-С¥и,
где V - количество жидкой фазы на тарелке, моль; т - время, с; Ь — расход жидкой фазы, стекающей с тарелки, моль/с; С - расход паровой фазы, поднимающейся вверх по колонне, моль/с; X, У - соответственно мольная доля компонента в жидкой и паровой фазах, моль/моль; / = 2, 3,..., п - индекс, указывающий номер тарелки; п -число тарелок, включая куб, промежуточную емкость и конденсатор-дефлегматор; і =1,2,..., т - индекс, указывающий номер компонента в смеси; т - число компонентов в смеси.
Уравнения общего и материального балансов для куба колонны
А
= Ь2-Є;
X,
сіх
- = -Є7.
2 1,2 г,.
Уравнения общего и покомпонентного балансов для конденсатора-дефлегматора
(1¥„
СІТ
=є-4-д
^х, ,п)
а
= СУи„_І-{ЦІ+0)Хі^І,
где В - расход дистиллята, моль/с.
Уравнения фазового равновесия на тарелках, промежуточной емкости и кубе колонны
^ * Л' Л'
7= 1 ■»
где К - константа фазового равновесия; у - коэффициент активности; Р0 - упругость паров компонента, Па; Р - давление в колонне, Па.
Условие постоянства объема жидкости на тарелках, в кубе колонны и конденсаторе-дефлегматоре
»' М.Х. .
^ = соп51,
где I) - заданный объем жидкости, м3; М- молярная масса компонента, кг/моль; р - плотность компонента, кг/м 3.
При расчете упругости паров компонентов использовано уравнение Антуана [3], а для вычисления коэффициентов активности применен метод ЦЫТРАС [4].
Интегрирование системы дифференциальных уравнений осуществляли методом Эйлера с переменным шагом интегрирования [5]. Так как пуск ректификационных установок производится, как правило, при бесконечном флегмовом числе, то перед интегрированием для получения начального профиля концентраций ком-
понентов по высоте колонны осуществляли расчет стационарного режима колонны при бесконечном флегмовом числе.
Путем численного эксперимента на описанной математической модели проанализирована работа ректификационной колонны диаметром 600 мм, разделяющая способность которой соответствует 40 теоретическим тарелкам при разделении 8 м3 исходного сырья. При этом объем жидкости на каждой теоретической тарелке принимали равным 20 л, а расход паровой фазы по высоте колонны - 20 кмоль/ч. В качестве сырья принята водно-спиртовая смесь, содержащая 20 примесей, наиболее характерных для спирта-сырца, в том числе 5 альдегидов, 6 эфиров, 5 высших спиртов и 4 органические кислоты. Суммарное содержание каждой группы примесей принято максимально допустимым в соответствии с ГОСТ на спирт-сырец, а соотношение концентраций примесей в пределах каждой группы взято на основе анализа литературных данных [1, 6, 7].
При анализе работы ректификационной установки исследовали влияние на выход спирта и длительность процесса разделения следующих параметров: местоположения промежуточной емкости, флегмового числа, соотношения объемов жидкости в кубе колонны и промежуточной емкости, а также концентрации этанола в сырье.
Расчеты показали, что при любом наборе исходных данных имеется оптимальное местоположение промежуточной емкости, обеспечивающее максимум объема получаемого спирта или минимум времени процесса разделения. При этом эти оптимумы практически всегда совпадают и находятся на месте 22-24-й теоретической тарелки. На рис. 1 в качестве примера представлены характерные зависимости объема получаемого
650
600
550
500
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
* 1
Л
*
♦ 2
■ ■ ■ V'" . ** *
2
/
7 о 1 / „ « "
/
/
65
60
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
20 21 22 23 24 25 26
Номер теоретической тарелки
Рис. 1
= і
600
550
500
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
<
4 1
■
2 2
V
- ' * ш
/
''
60
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
4 8 12 16 20 24 28 32
Флегмовое число
Рис. 2
спирта и времени процесса от местоположения промежуточной емкости при разделении сырья с содержанием этанола 2р = 50% об. и работе колонны с флегмовым числом Я = 31,5 при поддержании объема жидкости в кубе ¥к = 4 м3. На всех рисунках приняты обозначения: 1 - спирт 1-го сорта; 2 - спирт сорта «высшая очистка»; сплошная линия - выход спирта; пунктирная линия -время процесса разделения.
Как видно из рис. 1, оптимальное местоположение промежуточной емкости практически не зависит от того, спирт какого сорта получают в емкости.
650
600
^ 550 Ц
« 500 §■ 450
О
“ 400
га
03
350
М 300 я
Р 250 §"
с 200
а
а 150
ю
о 100
50
0
1 ■
1 1 1
1 1 1
1
1 1
2
■
■» - -
2
1 ^ * .' -
ч . , г - 9
70
65
60 -п
55 I 50 |
45
а
40 я §
35 д
О
30 а
25 |
20 ё. га
15
10
5
На рис. 2 приведены характерные зависимости анализируемых показателей работы установки от флегмо-вого числа для одного из возможных вариантов технологического режима. При других значениях объема жидкости в кубе колонны, местоположении промежуточной емкости и крепости перерабатываемого сырья наблюдается аналогичная картина.
Как видно из рис. 2, выход спирта, как 1-го сорта, так и сорта «высшая очистка», растет с увеличением флегмового числа. Минимумже времени процессараз-деления в пересчете на 1 м получаемого спирта обеспечивается при флегмовом числе Я = 10 в случае получения спирта 1-го сорта и при флегмовом числе Я = 20в случае получения спирта сорта «высшая очистка». Необходимо отметить, что оптимальные значения флегмового числа слабо зависят от объема жидкости в кубе колонны и местоположения промежуточной емкости.
Наиболее ярко выраженные оптимумы наблюдаются в зависимостях объема получаемого спирта и времени процесса разделения от объема жидкости в кубе колонны. На рис. 3 в качестве примера представлены эти зависимости при переработке сырья с содержанием этанола = 50% об. в колонне, работающей с флегмовым числом Я = 31,5, когда промежуточная емкость расположена на месте 24-й теоретической тарелки.
Из рис. 3 видно, что при поддержании объема жидкости в кубе колонны менее 3,7 м в промежуточной емкости нельзя получить спирт даже 1-го сорта. При увеличении объема от 3,7 до 3,85 м3 происходит резкий рост количества получаемого спирта. Дальнейшее увеличение объема жидкости в кубе приводит к постоянному снижению количества спирта в промежуточной емкости. Такое поведение этой зависимости объясняется тем, что при малых объемах жидкости в кубе часть труднолетучих альдегидов и эфиров вытесняется в
3,6 3,8 4 4,2 4,4 4,6 4,8 5 5,2 Объемжидкости в кубе, м3
40
35
30
25
20
15
10
Концентрация этанола в сырье, % об.
5
Рис. 3
Рис. 4
верхнюю часть колонны. Это препятствует получению спирта в промежуточной емкости, отвечающего требованиям ГОСТ. С увеличением объема жидкости в кубе все большая часть труднолетучих примесей остается в нижней части колонны, что способствует увеличению объема сортового спирта в емкости. С другой стороны, с ростом объема жидкости в кубе все большая часть находящегося в сырье этанола остается в нижней части колонны. Это ведет к снижению количества сортового спирта, получаемого в промежуточной емкости. Противоборством этих двух факторов и объясняется наличие оптимального объема жидкости в кубе колонны, обеспечивающего максимальный выход спирта.
Как видно из рис. 3, минимум времени процесса разделения, отнесенного в 1 м3 получаемого спирта, практически достигается при том же значении объема жидкости в кубе, что и максимум выхода спирта. Это связано с тем, что длительность процесса в меньшей степени зависит от объема жидкости в кубе, чем количество получаемого спирта.
Все это в полной мере относится и к случаю, когда в промежуточной емкости получают спирт сорта «высшая очистка», с той лишь разницей, что оптимальное значение объема жидкости в кубе несколько больше, чем в случае получения спирта 1-го сорта, а объем спирта несколько меньше.
На рис. 4 приведены зависимости объема получаемого спирта и длительности процесса разделения от содержания этанола в сырье. При этом значения остальных параметров технологического режима взяты оптимальными для каждой концентрации этанола. Крепость сырья не оказывает существенного влияния на выход спирта и время процесса разделения, хотя с ростом концентрации этанола в сырье выход спирта несколько увеличивается. Это является особенностью
способа получения спирта в двухсекционной колонне с промежуточной емкостью, так как при производстве спирта традиционным методом периодической ректификации оптимальная концентрация этанола составляет порядка 60% об.
В заключение необходимо отметить следующее. Сравнение в сопоставимых условиях описанного способа получения спирта с традиционным способом периодической ректификации показало, что при традиционном способе выход спирта приблизительно на 40% больше. Однако длительность процесса разделения сырья при этом возрастает в 1,8 раза. Поэтому выбор того или иного метода получения спирта определяется конкретной экономической ситуацией. В случае, если определяющим является величина энергозатрат, то предпочтительнее способ получения спирта в двухсекционной колонне с промежуточной емкостью между секциями.
ЛИТЕРАТУРА
1. Стабников В.Н. Перегонка и ректификация этилового спирта. - М.: Пищевая пром-сть, 1969. - 456 с.
2. Фридт А.А. Математическое моделирование процесса замкнутой ректификации многокомпонентных спиртовых смесей: Дис. ... канд. техн. наук. - Краснодар, 2001. - 168 с.
3. Рид Р., Праусниц Дж., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей: Справоч. пособие / Пер. с англ. - 3-е изд., перераб. и доп. -Л.:Химия, 1982.-592 с.
4. Уэйлес С. Фазовые равновесия в химической технологии: В 2 ч./ Пер. с англ. - М.: Мир, 1989.- 360 с.
5. Калиткин Н.Н. Численные методы. - М.: Наука, 1978. -512с.
6. Маринченко В.А., Матюшов В.Д., Швец В.Н. Технология спирта из мелассы. - Киев: Вища школа, 1975. - 283 с.
7. Справочник работника спиртовой промышленности / Под ред. П.В. Рудницкого. - Киев: Техшка, 1972. - 377 с.
Поступила 22.04.08 г.
SPECIAL FEATURE OF THE PRODUCTION PROCESS OF ALCOHOL IN THE PERIODIC TWO-SECTION COLUMN WITH THE INTERMEDIATE CAPACITY
A.I. FRIDT
Kuban State Technological University,
2, Moskovskaya st., Krasnodar, 350072; e-mail: [email protected]
Is developed the mathematical model of the periodic rectification of multicomponent imperfect mixtures in the two-section column with the intermediate capacity between the sections. Is analyzed effect on the yield of food alcohol and the duration of the process of the separation of the position of intermediate capacity, reflux ratio, relationship of the volumes of liquid in capacity and cube of column, and also fortress of raw material. Is discovered the presence of the optimum values of these parameters, which ensure the maximum yield of alcohol or the minimum time of the process of separation.
Key words: food alcohol, mathematical simulation, periodic rectification, two-section column.
