На правах рукописи
АРТАМОНОВА Валентина Викторовна
ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ГЛУБОКОЙ ОЧИСТКИ
ПИЩЕВОГО СПИРТА ПРИ ПЕРЕРАБОТКЕ СМЕСИ ЗЛАКОВЫХ
КУЛЬТУР, ВКЛЮЧАЮЩЕЙ ЗЕРНО СОРГО
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 – 2008
2
Работа выполнена в ГОУ ВПО «Майкопский государственный
технологический университет»
Научный руководитель:
кандидат технических наук, доцент
Сиюхов Хазрет Русланович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Агеева Наталья Михайловна;
кандидат технических наук, доцент
Чич Саида Казбековна
Ведущая организация:
ГУ «Краснодарский научноисследовательский институт хранения
и переработки сельскохозяйственной
продукции» Россельхозакадемии
Защита диссертации состоится 29 декабря 2008 года в 15.00 часов 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 разослан 28 ноября 2008 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Д 212.100.05,
канд. техн. наук
В.В. Гончар
3
1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
1.1 Актуальность работы. При получении пищевого спирта высших
сортов серьёзной проблемой является обеспечение его качества согласно
ГОСТ Р 51652-2000. Наряду с высоким качеством необходимо получить
максимальный выход спирта и выработать сивушное масло с соблюдением
требований ГОСТ 17071-91. В рыночных условиях не менее важна задача
снижения себестоимости спирта. В структуре себестоимости основной статьей являются затраты на зерновое сырье.
При решении этих проблем необходимо учесть, что в настоящее время изменились требования к качеству спирта и к качеству сивушного масла и что на территории России стало широко культивироваться зерновое
сорго, стоимость которого значительно ниже, чем стоимость традиционного зернового сырья. В отечественной промышленности отсутствует опыт
переработки зерна сорго на пищевой спирт.
По действующей технологии при производстве спирта марок
«Экстра» и «Люкс» увеличивают расходы отбираемых из спиртовой колонны сивушных спиртов и сивушных масел, что снижает выход спирта и
отрицательно влияет на качество сивушной смеси, которая не расслаивается, не соответствует требованиям ГОСТ 17071-91 на сивушное масло и не
принимается на переработку специализированными заводами. Не исследован вопрос получения высоких органолептических показателей пищевого
спирта при производстве его из зерна сорго. В связи с изложенным является актуальной задача обоснования и разработки технологии глубокой
очистки пищевого спирта при переработке смеси зерна злаковых культур,
содержащей зерно сорго.
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с инициативной
научно-исследовательской темой Майкопского государственного технологического университета «Региональный потребительский рынок: качество,
мониторинг, сертификация товаров и услуг» (№ гос. регистрации
01.2.00309344) и ГРАНТом РФФИ «Обоснование термодинамических основ и разработка новых технологических способов переработки водно-
4
спиртовых и углеводородных смесей с оптимальными параметрами получения биотоплива» (номер проекта 08-08-99134).
1.2 Цель исследования. Научное обоснование и разработка технологии глубокой очистки пищевого спирта при переработке смеси зерна злаковых культур, содержащей зерно сорго.
1.3 Основные задачи исследования. Для достижения поставленной
цели решались следующие задачи:
обоснование целесообразности использования зерна сорго для производства пищевого спирта на основе сравнения с традиционным зерновым сырьем;
анализ покомпонентного состава фракции сивушного масла, выработанной из смеси зерна пшеницы, ржи и сорго и определение возможности выделения из неё пищевого этилового спирта марок «Экстра» или
«Люкс» с высокими органолептическими показателями;
изучение физико-химических основ водной экстракции этанола из сивушной фракции на базе экспериментального исследования равновесия
жидкость-жидкость и определение энергии парного взаимодействия в
системах сивушное масло − вода;
обоснование технологии экстрагирования спирта из фракции сивушных
масел методом математического моделирования одноступенчатой экстракции и трёхступенчатой противоточной экстракции этилового спирта водой из сивушной фракции;
разработка технологии глубокой очистки пищевого спирта путем совмещения трёхступенчатой противоточной экстракции и брагоректификации в схемах установок косвенного действия, работающих с применением нового вида зернового сырья;
технико-экономическое обоснование предлагаемой технологии.
1.4 Научная новизна. Научно обоснована и разработана технология
глубокой очистки пищевого спирта при использовании зерна сорго в качестве добавки в сырьё путем совмещения способов трёхступенчатого противоточного экстрагирования и брагоректификации в схемах установок
5
косвенного действия. Разработаны математические модели совмещенного
технологического процесса брагоректификации, в том числе программные
модули одноступенчатой экстракции этилового спирта водой из сивушной
фракции и трёхступенчатой противоточной экстракции. Изучены физикохимические основы водной экстракции этанола из жидких систем и на базе
экспериментального исследования равновесия жидкость-жидкость определены энергии парного взаимодействия в системах компоненты сивушного
спирта − вода.
1.5 Практическая значимость. Разработана технология получения
спирта ректификованного марки «Люкс» по ГОСТ Р 51652-2000 и сивушного масла по ГОСТ 17071-91 из смеси зерна пшеницы, ржи и сорго. Реализован принцип совмещения способов трёхступенчатого противоточного
экстрагирования и брагоректификации. Разработана технологическая схема и определен оптимальный технологический режим работы брагоректификационной установки непрерывного действия.
Высокое качество спирта, выработанного из смеси зерна пшеницы,
ржи и сорго, подтверждено хроматографическим анализом, органолептические показатели апробированы в аккредитованной испытательной лаборатории
переработки
винограда
ГНУ
«Северо-Кавказский
научно-
исследовательский институт садоводства и виноградарства» Россельхозакадемии г. Краснодара и внедрены на предприятии ООО «КХ Восход».
1.6 Реализация результатов исследования. На стендовой установке
получен из сивушной фракции, выработанной из зерновой смеси, состоящей из пшеницы, ржи и нового компонента – зерна сорго, пищевой ректификованный спирт по ГОСТ Р 51652-2000, соответствующий марке
«Люкс». На производственной установке косвенного действия ОО «КХ
Восход» получен пищевой ректификованный спирт, соответствующий
марке «Люкс», с характерным запахом без посторонних тонов. Обеспечено
снижение себестоимости спирта за счет удешевления зернового сырья при
добавке в него зерна сорго, увеличения выхода спирта, выработки стандартного сивушного масла, уменьшения расхода экстракционной воды.
6
Экономический эффект составляет 14,5 млн. руб. в год на установке, перерабатывающей 90 тонн зерна в сутки.
1.7 Апробация работы. Основные положения диссертации доложены
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 Всероссийской научно-практической конференции аспирантов, соискателей и докторантов (г. Майкоп, 2008 г.); на
III научно-практической конференции «Качество продукции, технологий и
образования» (г. Магнитогорск, 2008 г.); на II Международной научнопрактической конференции «Пищевая промышленность и агропромышленный комплекс: достижения, проблемы, перспективы» (г. Пенза, 2008).
1.8 Публикация результатов исследования. По материалам диссертации опубликовано 11 работ, в том числе 3 статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ, и Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ.
1.9 Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из
введения, 5 глав, выводов, списка использованной литературы, приложений. Основной текст диссертации изложен на 118 страницах компьютерного текста, содержит 19 рисунков и 31 таблицу. Список использованной литературы включает 135 наименований, из них 26 зарубежных авторов.
2 ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
2.1 Объекты исследований. В соответствии с поставленной целью и
задачами в качестве объектов исследований использовали зерновое сырьё
для производства пищевого спирта, включающее пшеницу, рожь и новую
добавку − зерно сорго; сивушную фракцию, выработанную на трёхколонной брагоректификационной установке косвенного действия из зернового
сырья, включающего пшеницу, рожь и новую добавку зерно сорго, а также
7
промышленные технологические схемы и технологические режимы БРУ
косвенного действия. Для исследования равновесия в системах этанол –
вода − сивушное масло были взяты чистые компоненты изобутанол по
ГОСТ 6016-77, изоамилол по ГОСТ 5830-79, дистиллированная вода по
ГОСТ 6709-72.
2.2 Методы исследований. При выполнении работы использованы
современные методы анализа покомпонентного состава спиртовых смесей
на хроматографе Кристалл 2000 М и современные методы моделирования
сложных химико-технологических систем. При проведении экспериментальных исследований зерна сорго использованы методы анализа: влажность – ГОСТ 28561-90; жир – ГОСТ 8756.21-89; зола – ГОСТ 25.555.4-91;
белок – фотометрический метод; крахмал − поляриметрический метод;
клетчатка – метод Кюршнера.
Трехступенчатая противоточная экстракция сивушного масла водой
рассмотрена с позиций термодинамического анализа равновесия жидкость
– жидкость и методов группового состава UNIFAC, UNIQUAC, NRTL. Алгоритмы расчёта равновесия жидкость – жидкость и противоточной экстракции сивушного масла водой реализованы в среде Borland Pascal с применением численных методов анализа.
3 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ АНАЛИЗ
3.1 Определение физико-химических показателей зерна сорго, выращенного в Краснодарском крае и используемом на ООО «КХ Восход»
для получения пробной партии пищевого спирта, проводили по следующим показателям: влажность, жир, зола, белок, крахмал, клетчатка (таблица 1). Полученные данные стали основой для обоснования возможности
использования зерна сорго в качестве добавки к зерновому сырью для получения пищевого этилового спирта высших сортов. Высокий показатель
крахмала, высокая засухоустойчивость и низкая стоимость зерна сорго говорят о целесообразности возделывания и использования его в качестве
добавки в зерновое сырье для производства пищевого спирта.
8
Таблица 1 – Физико-химические показатели зерна сорго
Показатели
(НД)
Влажность
Жир
Зола
(ГОСТ 28561-90) (ГОСТ 8756.21-89) (ГОСТ 25.555.4-91)
Значение, %
14,59
3,6
2,5
Белок
Крахмал
Клетчатка
Продолжение таблицы 1
Показатели
(НД)
Значение, %
(фотометрический (поляриметрический
(метод
метод)
метод)
Кюршнера)
8,8
66,62
3,8
3.2 Определение возможности выделения из сивушной фракции
пищевого спирта марки «Люкс» с высокими органолептическими показателями. Несмотря на то, что показатели зерна сорго по содержанию
целевого компонента (крахмала) и сопутствующих с точки зрения производства спирта белков, жиров и клетчатки очень близки к показателям зерна пшеницы, при его добавлении в общую зерновую смесь возникли проблемы глубокой очистки пищевого спирта. Решение этих проблем потребовало определения причин ухудшения качества продуктов брагоректификации. Как показывает опыт определение этих причин эффективно использование фракционирования сивушной фракции методом четкой ректификации на колонне периодического действия с получением ректификованного спирта и последующим его хроматографическим и органолептическим анализом. При переработке бражки, полученной из зерновой смеси
пшеницы, ржи и сорго, на БРУ косвенного действия ООО «КХ Восход»
для обеспечения требуемого качества спирта в повышенном количестве
отбиралась сивушная фракция. Она характеризуется (таблица 2) большим
содержанием этанола (51 % об.), изоамилола (48 г/дм3) и 2-пропанола
(6 мг/дм3). Нами экспериментально исследована возможность получения
из выработанной сивушной фракции пищевого этилового спирта марки
«Люкс» с высокими органолептическими показателями.
9
Таблица 2 – Покомпонентный состав сивушной фракции ООО «КХ Восход»,
полученной при переработке бражки, выработанной из зернового
сырья, включающего пшеницу, рожь и сорго
Наименование
компонента
Ацетальдегид
Ацетоин
Фурфурол
2,3-бутиленгликоль
Этилформиат
Метилацетат
Этилацетат
Этилвалериат
Изоамилацетат
Метилкаприлат
Этилкаприлат
Этиллактат
Метилкапринат
Этилацеталь
Метанол
2-пропанол
2-бутанол
1-пропанол
Изобутанол
1-бутанол
Изоамилол
1-амилол
1-гексанол
Этанол, % об.
Уксусная
Пропионовая
Изомасляная
Масляная
Изовалериановая
Валериановая
Каприловая
Каприновый альдегид
Фенилэтанол
ООО
«КХ Восход»,
мг/дм3
14,572
3,1172
1,5272
4,1560
0,3057
2,8377
1,8421
1,0302
20,326
0,6643
1,6505
4,2673
6,2389
0,0653
117,14
5,9586
46,968
13405
13979
97,117
47919
6,3994
103,68
51,231
20,330
8,9180
0,8159
264,47
0,7499
1,9736
21,044
9,2849
7,2882
10
На стендовой установке осуществлена перегонка 100 л сивушной
фракции ООО «КХ Восход». Получен пищевой ректификованный спирт по
ГОСТ Р51652-2000, соответствующий марке «Люкс» с характерным запахом без посторонних тонов (таблица 3).
Полученные образцы спирта-ректификата прошли органолептическую
оценку
в
аккредитованной
испытательной
лаборатории
научно-
исследовательского института садоводства и виноградарства г. Краснодара. В протоколе испытаний отмечено, что по органолептическим показателям представленные образцы не уступают спиртам зерновым. Качество
проанализированных образцов спирта характеризуется следующими показателями, в мг/дм3: альдегиды не превышают 2; эфиры 4; сивушные спирты и сивушные масла 3. Крепость полученного спирта около 96,7 % об.
Таким образом, хроматографический и органолептический анализы
показывают, что из сивушной фракции, выработанной из зернового сырья
с добавлением зерна сорго, полученный спирт отвечает нормам ГОСТ Р
51652-2000, предъявляемым к пищевому спирту и характеризуется высокими органолептическими показателями.
Таблица 3 – Покомпонентный состав образцов спирта, выработанных
из сивушной фракции ООО «КХ Восход»
Наименование
компонента
Образец
№4
Образец
№6
Образец
№7
мг/дм3
Ацетальдегид
Метилацетат
Этилацетат
Метанол, % об.
2-пропанол
1-пропанол
Изобутанол
Изоамиловый
Крепость, % об.
1,1668
3,3836
0,0038
2,0117
0,1328
96,95
1,3302
0,6038
2,2153
0,0200
1,5933
0,1156
0,5652
96,91
1,7767
1,0667
1,6747
0,0169
1,1901
0,4142
0,3370
96,87
11
3.3 Изучение физико-химических основ водной экстракции этанола из сивушной фракции на базе экспериментального исследования
равновесия жидкость-жидкость. Определение энергии парного взаимодействия в системах сивушное масло − вода. Технология водной экстракции играет существенную роль в части повышения выхода спирта и
качества сивушного масла. Точность моделирования водной экстракции
этанола из сивушной фракции, моделирование ректификации спирта и
определение состава получаемого сивушного масла требует надежного
описания равновесия в системе сивушное масло – этанол – вода. Для повышения точности определения энергий парного взаимодействия (энергетических параметров), которые используются в моделях группового состава, требуется исследование смесей, состоящих из чистых компонентов.
В таблицах 4 и 5 приведены собственные экспериментальные данные
по составам лёгкой и тяжёлой фаз систем изобутанол – вода и изоамилол –
вода. На фазовых диаграммах (рисунок 1) представлены бинодальные кривые с гомогенной и гетерогенной областями.
Таблица 4 – Составы лёгкой и тяжёлой фаз системы изоамилол − вода при 21 0С
Лёгкая фаза (верхняя)
Изоамилол
Тяжёлая фаза (нижняя)
Вода
Изоамилол
Вода
% об.
% мас.
% об.
% мас.
% об.
% мас.
% об.
% мас.
90
88,1
10
11,9
6
4,99
94
95,01
Таблица 5 – Составы лёгкой и тяжёлой фаз системы изобутанол − вода при 21 0С
Лёгкая фаза (верхняя)
Изобутанол
Тяжёлая фаза (нижняя)
Вода
Изобутанол
Вода
% об.
% мас.
% об.
% мас.
% об.
% мас.
% об.
% мас.
84
80,88
16
19,12
12
9,9
88
90,1
12
Этанол,
% об.
10
90
20
80
30
70
40
60
50
50
1
60
40
70
30
2
80
20
90
Изобутанол,
% об.
10
10
20
30
40
50
60
70
80
Вода,
% об.
90
а)
Этанол,
% об.
10
90
20
80
30
70
40
60
2
50
50
60
40
70
30
1
80
20
90
Изоамилол,
% об.
10
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Вода,
% об.
б)
– экспериментальные данные;
1 – расчёт по известным параметрам; 2 – расчёт по уточнённым параметрам
а) изобутанол – вода; б) изоамилол – вода
Рисунок 1 – Фазовые диаграммы системы сивушное масло – этанол – вода
13
3.4 Моделирование технологических приёмов и режимов переработки сивушных масел при производстве пищевого спирта. Наиболее
распространённым на спиртовых заводах технологическим приемом извлечения спирта водой из сивушных фракций является жидкостная экстракция. Применяется одноступенчатая или многоступенчатая последовательная экстракция. Противоточная экстракция практически не используется на БРУ, хотя имеет принципиальные преимущества по селективности
разделения. Поэтому смоделированы технологические приемы водной экстракции, основанные на экстрагировании водой из сивушной фракции этилового спирта в процессе массообмена: одноступенчатая экстракция этилового спирта водой из сивушной фракции, трёхступенчатая экстракция
этилового спирта с подачей воды на каждую ступень и трёхступенчатая
противоточная экстракция этилового спирта из сивушной фракции. Освобожденное от этилового спирта сивушное масло с водой расслаивается на
две жидкие фазы, верхняя фаза представляет собой сивушное масло, а
нижняя, являющаяся экстрактом, – подсивушную воду. Проведено сравнение указанных технологических приёмов с целью совершенствования технологических схемы и режима работы БРУ.
Расслаивающиеся смеси спиртового производства, содержащие сивушные масла, являются многокомпонентными. В общем случае при анализе фазового равновесия расслаивающиеся многокомпонентные системы
характеризуются весьма сложным фазовым портретом. Опыт разделения
этих смесей показывает, что они не образуют при расслаивании более двух
жидких фаз, большинство компонентов в них имеют низкую концентрацию, являясь примесными, сивушные масла состоят в основном из
н-пропанола, изобутанола, изоамилола, этанола и воды. Согласно правилу
фаз Гиббса число степеней свободы такой системы равно числу компонентов. При решении задачи расслаивания исходной смеси появляется ещё две
неизвестных: количества фаз, получающихся при равновесном расслаивании. Поэтому при задании давления, температуры, состава и количества
14
исходной смеси задача равновесного расслаивания полностью определена.
Для исходной смеси в количестве один моль имеем следующую систему
уравнений.
Общий материальный баланс
l l 1 .
(1)
l xi l xi zi .
(2)
xi K i xi ,
(3)
Покомпонентный баланс
Уравнения равновесия
где Ki
i
− коэффициент распределения; i , i − коэффициенты актив i
ности i-го компонента в каждой из двух жидких фазах; l , l − доли фаз;
xi , xi − концентрация i-го компонента в каждой их двух жидких фазах;
zi − концентрация i-го компонента в исходной смеси.
Из уравнений (1)-(3) имеем
xi
zi
.
K i l 1 K i
(4)
Складывая по всем компонентам, из уравнения (4) получим
n
xi 1 0 .
(5)
i 1
Основной проблемой при решении системы нелинейных уравнений
(1)-(5) является обеспечение сходимости вычислений, что связано с сильной зависимостью коэффициентов активности от состава. К тому же решение не является единственным и не всегда имеет физический смысл, в
частности, получаются отрицательные значения мольных долей. Легко видеть, что функция, определённая уравнениями (4) и (5) в зависимости от l
имеет точки разрыва, число которых равно числу компонентов. Действительно, в точке разрыва функции
K i l 1 K i 0 или при li
,
что имеет место при
Ki
. Из этого соотношения следует, что
Ki 1
15
для K i 1 li 1 , а для K i 1 li 1 . Область без разрывов функции определится тогда соотношением 0 l 1 . Область xi 0 также не имеет физического
смысла.
Этому
случаю
отвечает
следующее
условие:
K i l 1 K i 0 . Согласно этому условию для K i 1 отрицательных xi нет,
а для K i 1 величина l
Ki
1.
Ki 1
Из проведённого анализа следует, что корень функции l может
быть найден пошаговым методом в области, определённой соотношением
0 l 1 . Если при этом корень окажется тривиальным ( l 1 ), то неудачно
заданы для поиска начальные значения K i или смесь не расслаивается.
Метод определения начальных значений K i предложен нами ранее. В
настоящей работе на основе многочисленных расчётов установлено, что
для реально встречающихся в технологической практике составов сивушных фракций хорошим начальным приближением являются следующие
значения коэффициентов распределения K i : для воды – 0,3; для этанола –
1,5; для остальных компонентов – 13. При поиске корня одновременно
определяются составы обеих фаз, по которым рассчитываются с использованием метода UNIQUAC уточнённые значения коэффициентов распределения, и далее расчёт выполняется методом простых итераций. Ещё один
вопрос возникает в связи с известным из термодинамического анализа
фактом возможности получения двух решений в случае наличия трёх минимумов на кривой зависимости энергии Гиббса от состава бинарной смеси. Нами установлено, что эта ситуация не имеет места в смесях вода – сивушные масла. Однако в двух независимых расчётах может быть получено
два решения. На самом деле это одно и то же решение, и для определения,
какая из фаз является лёгкой, предусмотрен расчёт плотностей фаз.
В качестве примера на рисунке 2 приведена управляющая программа
расчета противоточной трёхступенчатой экстракции. Она состоит, из 4
блоков: исходных данных, базы свойств по компонентам, собственно
управляющей программы и печати результатов расчёта.
16
В управляющую программу вхо-
Исходные данные: состав исходной
сивушной смеси zi ,количество
дят модули исходных данных
исходной сивушной смеси GCM и воды GB ,
температура процесса расслаивания
для сивушной смеси и воды,
включающие расход, давление,
База свойств по компонентам
температуру и состав. Програм-
-8
Сивушнаясмесь
мный модуль процесса смеше-
1
ния включает расход, состав,
Программный модуль
процесса смешения
температуру и давление по сме-
2
Подсивушная
вода в
передаточный
чан
Программный
модуль процесса
расслаивания
жидкость – жидкость
-7
Программный модуль
процесса смешения
шиваемым потокам. Жирными
Лёгкая фаза
3
Тяжёлая
фаза
формационным потоком являетЛёгкая фаза
5
Программный модуль
процесса смешения
которому обеспечивается схораций. Установлено, что число
6
Тяжёлая
фаза
ся идентификатором рецикла, по
димость методом простых ите-
Вода
9
и прямые информационные потоки. Знак «минус» перед ин-
4
Программный
модуль процесса
расслаивания
жидкость – жидкость
стрелками обозначены исходные
Программный
модуль процесса
расслаивания
жидкость – жидкость
Сивушное
масло на
склад
Печать расходов и составов
сивушного масла и
подсивушной воды
итераций, равное 10, обеспечивает заданную точность сходимости составов до 10-10. Выполнено сравнение трёх технологических
приемов
экстракции
1, 9 – исходные информационные потоки;
спирта из сивушной фракции
2, 3, 4, 5, 6 – прямые информационные потоки;
(таблица 6). Наилучшее каче-
-7, -8 – рецикловые информационные потоки
ство сивушного масла с мини-
Рисунок 2 − Блок-схема управляющей
мальным содержанием в нём
программы расчёта противоточной
спирта и максимальной концен-
трёхступенчатой экстракции
трацией высших спиртов полу-
чено при противоточной много ступенчатой экстракции. Одновременно обеспечен максимальный возврат в технологический цикл этанола с подсивушной
водой и, следовательно, повышение его выхода при брагоректификации.
17
Таблица 6 – Сравнение технологических приемов экстракции спирта из
сивушной фракции
Наименование Исходная Сепаратор Экстрак- Три сепара- Три сепарапоказателя сивушная с подачей
тор
тора с пода- тора (профракция
воды
три
чей воды в тивоток)
0,15 м3/сут. тарелки каждый по с подачей
0,05 м3/сут.
воды
0,15 м3/сут.
Сивушное масло
Количество,
0,120
0,030
0,021
0,023
0,021
м3/сут.
Этанол, % об.
9,85
12,40
1,25
5,38
1,25
Вода, % об.
83
21,04
18,60
19,33
18,60
Сивушное
7,15
66,56
80,15
75,29
80,15
масло, % об.
Подсивушная фракция
Количество,
0,120
0,240
0,249
0,247
0,249
м3/сут.
Этанол, % об.
9,85
8,21
9,75
9,42
9,75
Вода, % об.
83
86,60
84,67
85,07
84,67
Сивушное
7,15
5,19
5,58
5,51
5,59
масло, % об.
Таким образом, целесообразно внедрение технологического приема
противоточной трехступенчатой экстракции.
3.5 Обоснование и разработка технологии глубокой очистки пищевого спирта путем совмещения трёхступенчатой противоточной
экстракции и ректификации в схемах брагоректификационных установок косвенного действия, работающих с применением смеси зерна
пшеницы, ржи и сорго. Первоначально решался вопрос, в какой мере
вновь найденные параметры парного взаимодействия влияют на расчётные
показатели работы БРУ. Представленное сравнение (таблицы 7, 8) свидетельствует о существенном различии переходящих в сивушное масло количеств компонентов. В этой связи последующее исследование проводи-
18
лось с использованием вновь найденных параметров. Решались две задачи.
Во-первых, обоснование предложенной технологии и определение для неё
оптимального технологического режима, во-вторых, разработка рекомендаций по оптимальному режиму для действующей технологической схемы
БРУ косвенного действия.
Таблица 7 – Распределение компонентов по потокам (схема с сепаратором)
№
Наименование
п/п
компонента
Количество компонентов по потокам, %
ЭАФ
Сивушный
Сивушное
Спирт-
спирт
масло
ректификат
1
Этанол
2,705
3,737
0,126
93,43
2
Вода
0,019
0,040
0,010
0,328
3
1-пропанол
0,158
72,34
27,50
0,0006
4
2-пропанол
1,836
34,49
0,816
62,86
5
Изобутанол
0,032
11,45
88,44
1,44∙10-7
6
Изоамиловый
0,001
0,121
99,82
9,56∙10-17
7
Амилол
0,0004
0,029
99,95
1,85∙10-18
Таблица 8 – Распределение компонентов по потокам (схема с экстрактором)
№
Наименование
Распределение компонентов по потокам, %,
п/п
компонента
(схема с экстрактором)
ЭАФ
Сивушный
Сивушное
Спирт-
спирт
масло
ректификат
1
Этанол
2,705
3,467
0,080
93,74
2
Вода
0,019
0,036
0,009
0,328
3
1-пропанол
0,165
59,52
40,31
0,0005
4
2-пропанол
1,861
34,05
1,141
62,95
5
Изобутанол
0,034
7,119
92,79
9,07∙10-8
6
Изоамиловый
0,001
0,068
99,88
5,59∙10-17
7
Амилол
0,0004
0,017
99,97
1,17∙10-18
19
Согласно технологической схеме (рисунок 3) бражка подается в подогреватель бражки 11. Нагретая бражка поступает в сепаратор диоксида углерода 12 для отделения СО2 от бражки. Отсепарированная бражка поступает на верхнюю тарелку бражной колонны 1. Снизу в бражную колонну
подается острый пар. Барда выводится из нижней части бражной колонны,
а пары, обогащенные этанолом, альдегидами, эфирами, высшими спиртами, кислотами и другими спиртовыми примесями поступают в конденсатор бражной колонны 6. Бражной конденсат поступает на питательную тарелку эпюрационной колонны 2. Снизу в эпюрационную колонну 2 подается острый пар. По выходе из колонны 2 пары, содержащие летучие примеси, пройдя дефлегматор 4 и конденсатор 7, состоящие из эфиров, альдегидов, метанола и растворимых в них летучих веществ, в виде эфироальдегидной фракции (ЭАФ) выводятся из установки. Эпюрат, освобожденный от основной массы головных примесей, подается на питательную
тарелку спиртовой колонны 3. Снизу в спиртовую колонну 3 подается острый пар. Непастеризованный спирт (головная фракция ГФ), отбираемый из
конденсатора 8 спиртовой колонны 3, сбрасывается на верхнюю тарелку
эпюрационной колонны 2. Сивушный спирт выводится из установки. Сивушная фракция, отбираемая из паровой фазы с нижних тарелок спиртовой
колонны 3, пройдя конденсатор 9, поступает в сепаратор для расслаивания
сивушной фракции 10, где разделяется на сивушное масло (верхний слой)
и подсивушную воду (нижний слой). Ректификованный спирт отбирается с
верхних тарелок спиртовой колонны 3, а из ее нижней части выводится
лютер, содержащий кислоты и хвостовые примеси. Подсивушная вода рециркулируется в эпюрационную колонну 2.
Отличием установки, представленной на рисунке 3, является совмещение способов трёхступенчатого противоточного экстрагирования и ректификации.
При разработке технологии глубокой очистки пищевого спирта использовались современные методы моделирования сложных химикотехнологических систем. При поиске оптимума в качестве функции цели,
20
максимум которой обеспечивался, служил выход ректификованного спирта. Поиск проводился в рамках следующих ограничений: содержание в
спирте альдегидов менее 2 мг на дм3 и сивушных спиртов не более 6 мг на
дм3 (ГОСТ Р 51652-2000); содержание высших спиртов не менее 50 % об.,
в сивушном масле (ГОСТ 17071-91).
7
СО2
ЭАФ
4
12
8
11
5
ГФ
6
Сивушное
масло
Бражка
2
1
Пар
3
Пар
Барда
Эпюрат
Пар
Ректификованный
спирт
Вода
Сивушный спирт в
передаточный чан
Сивушная фракция
из паровой фазы
Лютер
10
9
Подсивушная вода
1 – бражная колонна; 2 – эпюрационная колонна; 3 – спиртовая колонна;
4, 5 – дефлегматоры; 6, 7, 8, 9 – конденсаторы; 10 – экстрактор;
11 – подогреватель бражки; 12 – сепаратор диоксида углерода
Рисунок 3 – Брагоректификационная установка косвенного действия с противоточным
экстрактором для получения этилового ректификованного спирта
При получении ректификованного спирта на производственной БРУ
косвенного действия ООО «КХ Восход» в случае использования зернового
сырья с добавкой сорго для обеспечения качества спирта по содержанию
сивушных спиртов были повышены отборы эфиро-альдегидной фракции,
сивушных спиртов и фракции сивушных масел. В результате наблюдался
не только повышенный расход сивушных масел, но и высокое содержание
21
в них этанола. Распределение компонентов по потокам вторичных продуктов показывает, что при производственном технологическом режиме потери спирта с эфиро-альдегидной фракцией, сивушным спиртом и сивушными маслами составляют 11 % от его потенциального содержания в бражке.
Методами математического моделирования выполнена оптимизация технологического режима БРУ. По сравнению с производственным режимом
потери с эфиро-альдегидной фракцией снижены с 8,55 % до 2,71 % и с сивушным маслом с 0,3 % до 0,08 %. При этом выход этанола в ректификованном спирте увеличен с 88,88 % до 93,74 % от потенциала. Требуемое
ГОСТ 17071-91 качество сивушного масла при переработке зерна сорго не
удаётся обеспечить при использовании в схеме БРУ одноступенчатой экстракции. Обоснованная выше технологическая схема совмещения противоточной многоступенчатой экстракции с ректификацией решает эту проблему. По сравнению с производственным режимом количество отбираемой сивушной фракции в рекомендованной схеме снижено с 3,22 м3/сут.
до 2,5 м3/сут., а количество сивушных масел, полученных из этой фракции,
уменьшилось с 0,268 м3/сут. до 0,2 м3/сут. Содержание спирта в сивушных
маслах снизилось с 28 % об. до 12,28 % об. При использовании экстрактора возможно дальнейшее улучшение качества сивушного масла за счёт более глубокой экстракции спирта. Однако при этом одновременно увеличивается содержание 2-пропанола в подсивушной воде и не обеспечивается
максимальный выход спирта марки «Экстра» из-за необходимости увеличения отбора сивушных спиртов. При оптимизации выход спирта увеличен
до 2962 дал/сут. вместо 2806 дал/сут. в производственном режиме.
Выполнено технико-экономическое обоснование с расчетом ожидаемой годовой экономической эффективности производства пищевого спирта при использовании зернового сырья с добавкой зерна сорго при совмещении трёхступенчатой противоточной экстракции и ректификации по
сравнению с оптимальным режимом в схеме с сепаратором (таблица 9).
22
Таблица 9 Расчет ожидаемого экономического эффекта при
использовании предлагаемой технологии
Показатели
Предлагаемая схема
Использовано зерна сорго взамен пшеницы, т/сут.
25
Доход от использования зерна сорго взамен
пшеницы руб./сут.
31250
Увеличение выхода спирта, дал/сут.
10
Доход от продажи дополнительно полученного
спирта, руб./сут.
7000
Получено стандартного сивушного масла, дал/сут.
20
Доход от продажи стандартного сивушного
масла, руб./сут.
10000
Уменьшение расхода экстракционной воды,м3/сут.
3,3
Экономия на экстракционной воде, руб./сут.
25,08
Капитальные затраты на экстрактор, тыс. руб.
900
Затраты на монтаж и наладку, тыс. руб.
225
Ожидаемый годовой доход, тыс. руб.
14 482,52
Срок окупаемости, месяцы
1
ВЫВОДЫ
1. Научно обоснована и разработана технология глубокой очистки пищевого спирта при использовании смеси зерна пшеницы, ржи и нового
компонента – зерна сорго путем совмещения способов трёхступенчатого противоточного экстрагирования и брагоректификации в схемах
установок косвенного действия.
2. Изучены физико-химические основы разделения жидких систем на базе
экспериментального исследования равновесия жидкость-жидкость и
определены энергии парного взаимодействия изобутанол-вода и изоамилол-вода.
3. Определен оптимальный технологический режим предложенной технологии глубокой очистки пищевого спирта с использованием разработанной математической модели трехступенчатой противоточной экстракции.
4. Усовершенствована брагоректификационная установка косвенного действия путем совмещения ректификации с противоточной экстракцией.
23
5. Разработаны технологические режимы работы установок непрерывного
действия для получения на БРУ, оснащённых экстрактором сивушного
масла, спирта ректификованного по ГОСТ Р 51652-2000 и сивушного
масла по ГОСТ 17071-91.
6. Доказана возможность получения пищевого ректификованного спирта
по ГОСТ Р 51652-2000 и сивушного масла по ГОСТ 17071-91 при переработке смеси злаковых культур, включающей зерно сорго.
7. На стендовой установке получен из сивушной фракции, выработанной
из зерновой смеси, состоящей из пшеницы, ржи и нового компонента –
зерна сорго, пищевой ректификованный спирт по ГОСТ Р 51652-2000,
соответствующий марке «Люкс». На производственной установке косвенного действия ОО «КХ Восход» получен пищевой ректификованный
спирт, соответствующий марке «Люкс», с характерным запахом без посторонних тонов.
8. Высокое качество ректификованного спирта, выработанного из зерновой смеси, состоящей из пшеницы, ржи и нового компонента – зерна
сорго, отвечает требованиям ГОСТ Р 51652-2000, соответствующим
марке «Люкс», что подтверждено хроматографическим анализом, органолептические показатели апробированы в аккредитованной испытательной лаборатории переработки винограда ГНУ Северо-Кавказского
научно-исследовательского института садоводства и виноградарства
Россельхозакадемии г. Краснодара и внедрены на предприятии ООО
«КХ Восход».
9. Обоснована целесообразность использования зерна сорго при добавке
его в зерновое сырьё в количестве 30 % при производстве пищевого
спирта. Обеспечено снижение себестоимости спирта за счет удешевления зернового сырья при добавке в него зерна сорго, увеличения выхода спирта за счет снижения его потерь с сивушной фракцией, выработки
стандартного сивушного масла и уменьшения расхода экстракционной
воды за счет использования трехступенчатой противоточной экстракции спирта.
10.Разработано технико-экономическое обоснование предлагаемой технологии. Экономический эффект составляет 14,5 млн. руб. в год.
Список работ, опубликованных по теме диссертации:
1. Сиюхов Х.Р. Моделирование технологических приёмов и режимов отбора сивушных масел при производстве пищевого спирта / Х.Р.
Сиюхов, В.В. Артамонова, Е.Н. Константинов, О.В. Мариненко // Известия вузов. Пищевая технология, 2008. −№ 2-3. −С.104-107.
2. Сиюхов Х.Р. Равновесие в тройных системах жидкость – жидкость изобутанол-этанол-вода и изоамилол-этанол-вода / Х.Р. Сиюхов, В.В. Артамонова, Ю.Ф. Якуба, Т.Г. Короткова, А.М. Артамонов // Известия вузов. Пищевая технология, 2008. −№ 2-3. −С.83-86.
24
3. Артамонова В.В. Совершенствование процесса получения сивушного
масла при производстве биоспирта / В.В. Артамонова, Х.Р. Сиюхов,
Т.Г. Короткова, Е.Н. Константинов // Известия вузов. Пищевая технология, 2008.−№ 1. − С. 75-76.
4. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ
№ 2008612943 Расчет противоточной экстракции спирта из сивушных
масел водой / Х.Р. Сиюхов, В.В. Артамонова, Т.Г. Короткова, Е.Н. Константинов (РФ). −Заявлено № 2008611735 от 21.04.2008.
5. Сиюхов Х.Р. К вопросу о проблеме комплексного исследования технологических способов и приёмов при получении и переработке сивушного масла / Х.Р. Сиюхов, В.В. Артамонова, Т.Г. Короткова, Е.Н. Константинов // Материалы Всероссийской научно-практич. конф., посвященной 10-ти летию кафедры «Технология и организация питания».:
−Челябинск, ЮУрГУ, 2007. −С. 118-120.
6. Величко О.В. Технология утилизации сивушных масел при получении
спирта для биотоплива / О.В. Величко, В.В. Артамонова, Х.Р. Сиюхов //
Материалы I Всероссийской научно-практической конференции молодых учёных «Научное обеспечение агропромышленного комплекса».
−Краснодар.: КубГАУ, 2007. −С. 154-156.
7. Сиюхов Х.Р. Сравнение различных технологических приёмов обработки сивушных масел спиртовой колонны / Х.Р. Сиюхов, В.В. Артамонова, А.М. Артамонов // Сб. научных трудов МГТУ «Новые технологии».
−Майкоп.: изд-во МГТУ, 2007. −вып. 4. −С. 51-53.
8. Артамонова В.В. Анализ способов и установок для выделения спирта и
сивушного масла из сивушной фракции / В.В. Артамонова, Х.Р.
Сиюхов, Е.Н. Константинов // Материалы десятой международной
научно-практической конференции «Современные проблемы техники и
технологии пищевых производств».−Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2007.−С.
43-46.
9. Артамонова В.В. Сравнение технологических приёмов экстракции
спирта из фракции сивушных масел / В.В. Артамонова, А.М. Артамонов, Х.Р. Сиюхов, Е.Н. Константинов // Материалы Всероссийской
научно-практической конференции аспирантов, соискателей и докторантов. −Майкоп: Изд-во ООО «Аякс», 2008. −С. 117-118.
10.Кикнадзе А.В. Совершенствование технологии получения сивушного
масла / А.В. Кикнадзе, В.В. Артамонова, Т.Г. Короткова // Материалы
III научно-практической конф. «Качество продукции, технологий и образования». −Магнитогорск, 2008. −С. 115-117.
11.Короткова Т.Г. Разработка рекомендаций по технологическому режиму
БРУ при переработке зерна сорго / Т.Г. Короткова, А.В. Кикнадзе,
Е.Н. Константинов, В.В. Артамонова // Сб. статей II Международной
научно-практической конференции «Пищевая промышленность и агропромышленный комплекс: достижения, проблемы, перспективы».
−Пенза, 2008. −С. 54-56.
25
