Способ очистки и концентрирования водных растворов спиртового и дрожжевого производства

УДК 66.021.3

СПОСОБ ОЧИСТКИ И КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ СПИРТОВОГО И ДРОЖЖЕВОГО ПРОИЗВОДСТВА

© С.И. Лазарев, С.В. Ковалев

Ключевые слова: обратный осмос; мембрана; раствор.

В представленной работе показано применение экспериментальной обратноосмотической установки для разделения пищевых растворов с получением экспериментальных зависимостей основных кинетических коэффициентов процесса. Также представлены эмпирические зависимости для расчета основных кинетических коэффициентов баромембранного разделения, опирающиеся на классические зависимости отечественных авторов. Представлено теоретическое описание экспериментальных зависимостей удельного потока растворителя, коэффициента задержания от исходной концентрации растворенных веществ раствора производства спирта и дрожжей из мелассы.

ВВЕДЕНИЕ

В процессе производства хлебопекарных дрожжей и этилового спирта из свеклосахарной мелассы образуется слабокислая барда, содержащая 5-6 % сухих веществ и 94-95 % воды [1-3]. Для дальнейшего использования скоропортящейся и малотранспортабельной последрожжевой барды в производстве кормовых дрожжей, кормового белка, органоминеральных удобрений, а также строительных материалов (цемента, бетона) её необходимо предварительно сконцентрировать (обезводить) [3]. Обычно для этих целей используют процесс выпаривания. Применение процесса выпаривания при концентрировании последрожжевой барды характеризуется большими площадями выпарных аппаратов и огромными энергозатратами на процесс испарения воды, а также на поверхности выпарного аппарата образуется накипь, что требует частой регенерации теплообменной поверхности выпарного аппарата.

С целью снижения энергозатрат и уменьшения теплообменной поверхности выпарных аппаратов на процесс концентрирования были проведены исследования по концентрированию и очистке последрожжевой барды АО «Рассказовский биохимический завод» обратным осмосом.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Для более глубоких исследований проведены эксперименты по изучению влияния концентрации в растворе на удельный поток растворителя и коэффициент задержания процесса обратноосмотического разделения.

В экспериментальных исследованиях использовались промышленно выпускаемые ЗАО НТЦ «Влади-пор» образцы мембран серии МГА-100 и ОПМ-К, паспортные данные которых легко найти в открытой печати или каталогах центра производителя [4].

Экспериментальные данные по удельному потоку растворителя и коэффициентам задержания от исход-

ной концентрации растворенных веществ были получены на лабораторной обратноосмотической установке плоскокамерного типа с замкнутой циркуляцией раствора по тракту ретентата, схема которой представлена на рис. 1.

Установка работает следующим образом. Из расходной емкости (Еі) через систему вентилей высокого давления рабочий раствор нагнетается в камеру разделения плунжерным насосом НД100/63 (Н1). Пройдя рабочую ячейку (Я), дроссели (Вр6-7) и поплавковые ротаметры (Р1-2), разделяемый раствор по шлангу возвращается в расходную емкость (Е1). Для сглаживания пульсаций давления и расхода в системе установлен ресивер (Ак), который представляет собой цилиндрический сварной сосуд (V = 3,5 л), предварительно заполняемый сжатым воздухом до давления, составляющего 30 + 40 % от рабочего, компрессором высокого давления (К1). Давление в установке контролируется образцовым манометром (М2), установленным до ячейки (Я). Кроме измерительного манометра в установке используется электроконтактный манометр (ЭМ), который при превышении давления в системе выше установленного значения отключает плунжерный насос (Н1) с помощью электроконтактного реле. Расход раствора задается регулированием рабочего хода плунжерного насоса (Н1). Раствор, прошедший в результате

Рис. 1. Схема лабораторной обратноосмотической установки плоскокамерного типа

А-А

Зыход ретентата

зыход пермеата

гН Нп

+1 _ J

+ +

+ +

Вход исходного растЬора Рис. 2. Схема обратноосмотической разделительной ячейки

разделения через мембраны, собирается в стеклянные емкости (Е2-3). Сброс давления в системе осуществляется игольчатым вентилем (Вр3). Колебания давления и расхода на описанной установке не превышали 5 % от установленного значения.

Основным элементом установки является разделительная ячейка (Я), в которой непосредственно происходит процесс обратноосмотического разделения. Конструкция ячейки представлена на рис. 2.

Ячейка представляет собой двухкамерный разделительный модуль плоскокамерного типа. Рабочий раствор входит в один из штуцеров ячейки (Я) и равномерно распределяется по разделительным камерам, образованным двумя мембранами (3) и поверхностями средней части (1), и выходит по штуцерам. Часть раствора при этом под действием избыточного давления проникает через мембраны (3), затем через ватман (4), служащий прокладкой под мембраной, через пористую подложку (5), через металлическую сетку (6), выполненную из нержавеющей стали, и по каналам, сделанным в штуцерах, попадает в сборники пермеата (бюксы объемом 50 мл). С каждой стороны ячейки на фланцах (2) расположены по три штуцера для отвода пермеата. Для уплотнения фланцев (2) со средней частью (1) ячейки использовались прокладки (7) из паронита толщиной 0,3^2-10-3 м. Ячейка стягивается шестью болтами (8) при помощи прокладок (9) и шайб (10). Размеры камер разделения ячейки в собранном виде составляют

0,06 х 0,13 х (0,0003 0,002) м. Рабочая площадь мем-

бран в каждой камере разделения равняется 7,8-10-3 м2.

Исследования проводились при рабочем давлении Р = 4,0 МПа, температуре Т = 293 К и скорости раствора в плоском канале над поверхностью мембраны Ш = = 0,25 м/с.

Удельный поток растворителя рассчитывали по следующей формуле:

где V - объем полученного пермеата, м3; ¥м - рабочая площадь мембраны, м2; т - время проведения эксперимента, с.

Экспериментальные и расчетные зависимости удельного потока растворителя от исходной концентрации растворенных веществ раствора производства спирта и дрожжей из мелассы для исследуемых обратноосмотических мембран МГА-100 и ОПМ-К представлены на рис. 3.

Стоит отметить, что удельный поток растворителя с увеличением концентрации растворенных веществ уменьшается, что объясняется повышением осмотического давления раствора производства спирта и дрожжей из мелассы. С ростом исходной концентрации

ихЮ , кг/мг

3,05

2,65

2,25 -

1,85

1,45

—

—

-і- —!(

45

50

-МГА-100 МГА-100 расч

60

-ОПМ-К ОПМ-К расч

, кг/пг

Рис. 3. Экспериментальные и расчетные зависимости удельного потока растворителя от исходной концентрации растворенных веществ для мембран МГА-100 и ОПМ-К при Р = 4,0 МПа, Т = 293 К и V = 0,25 м/с

растворенного вещества снижается эффективная движущая сила процесса, а также возрастает вязкость исследуемого раствора [5].

Так как удельный поток растворителя при увеличении концентрации растворенного вещества представлен убывающей зависимостью и на основании того, что в литературных данных удельный поток описывается формулой [5]:

J = К1 -

где К - коэффициент водопроницаемости мембраны, ((м3/м2с)/МПа); ДР - перепад давления на мембране, МПа; Дп - перепад осмотического давления в растворах по обе стороны мембраны, МПа, было принято решение использовать эмпирическую зависимость следующего вида с учетом основных параметров процесса баромембранного разделения (давления, концентрации, температуры):

J = К1 А — kl • Сисх )• exP I T

где Сисх - концентрация растворенных веществ в исходном растворе, кг/мЗ; Т - температура раствора, К; ki, k2 - эмпирические коэффициенты, зависящие от типа мембраны и раствора.

Полученные при помощи программы Excel 2007 в результате расчета методом поиска решения эмпирические коэффициенты kl, k2 представлены в табл. 1.

Сравнение экспериментальных и расчетных значений удельного потока растворителя от исходной концентрации растворенных веществ (см. рис. З) дало удовлетворительный результат. (Расхождение не превышает ±10 %).

По концентрациям растворенных веществ в пер-меате и исходном растворе рассчитывался коэффициент задержания по следующей формуле [5]:

С

К = 1 — пер

с

где Спср - концентрация растворенных веществ в пер-меате, кг/м3.

Экспериментальные зависимости коэффициентов задержания от исходной концентрации растворенных веществ раствора производства спирта и дрожжей из мелассы для исследуемых обратноосмотических мембран МГА-100 и ОПМ-К представлены на рис. 4.

Зависимость коэффициента задержания от исходной концентрации растворенных веществ рис. 4 имеет убывающий характер, а при анализе можно отметить,

Рис. 4. Экспериментальные и расчетные зависимости коэффициента задержания от исходной концентрации растворенных веществ для мембран МГА-100 и ОПМ-К при Р = 4,0 МПа, Т = 293 К и V = 0,25 м/с

что К от Сисх снижается, т. к. возрастает концентрационная поляризация. Также, вероятно, с изменением концентрации раствора производства спирта и дрожжей из мелассы изменяется структура раствора, и эти изменения отражаются на толщине слоя воды, связанной с поверхностью мембраны водородной связью, что, в свою очередь, и приводит к уменьшению коэффициента задержания [5].

На основе анализа полученных экспериментальных и литературных данных было принято решение применить для расчета коэффициента задержания методику, предложенную Б.В. Дерягиным, Н.В. Чураевым, В.М. Старовым и Г. А. Мартыновым [6, 7]:

К = 1 —

1

1+(г—1) 1—exp(—V^) -exp|

_V£V

DJ

где Д0, Дт - коэффициенты диффузии в свободном объеме и в мембране соответственно, которые зависят от концентрации растворенного вещества и температуры раствора, м2/с; к, 5 - толщина мембраны и не перемешиваемого слоя, м; у - равновесный коэффициент распределения; V - скорость фильтрации раствора, (м3/м2с).

После некоторых преобразований для нашей системы формула (5) примет вид:

К = 1 — -

1

1+I ^-1 к

1—ex

p(

—J-к,'

где к1, к2, к3 - эмпирические коэффициенты, зависящие от типа мембраны и раствора.

Таблица 1

Таблица 2

Значения эмпирических коэффициентов для уравнения

Значения эмпирических коэффициентов для уравнения

Mембрана к,  10б kl k2 Mембрана К К2 КЗ

MTA-100 0,7б8 0,0ЗЗ 1,0З5 MTA-100 l,00E+00 2,00E+00 9,24E+05

ОП^К 1,705 0,0З7 -50,0З8 ОП^К 1,00E+00 2,00E+00 4,50E+05

Полученные при помощи программы Excel 2007 в результате расчета методом поиска решения эмпирические коэффициенты к1, к2, кЗ представлены в табл. 2.

Сравнение экспериментальных и расчетных значений коэффициента задержания от исходной концентрации растворенных веществ (см. рис. 4) дало удовлетворительный результат. (Расхождение не превышает ±10 %).

ВЫВОДЫ

1. На основе анализа литературных данных предложены баромембранные методы разделения растворов производства спирта и дрожжей из мелассы.

2. Показано применение экспериментальной обратноосмотической установки для разделения пищевых растворов с получением экспериментальных зависимостей основных кинетических коэффициентов процесса.

3. Представлены эмпирические зависимости для расчета основных кинетических коэффициентов баромембранного разделения, опирающиеся на классические зависимости отечественных авторов.

4. Представлено теоретическое описание экспериментальных зависимостей удельного потока растворителя, коэффициента задержания от исходной концентрации растворенных веществ раствора производства спирта и дрожжей из мелассы.

ЛИТЕРAТУРA

1. Мариченко В.А., Смирнов В.А., Устинов Б.А. и др. Технология

спирта. M.: Легкая и пищевая пром-сть, 1981. 41б с.

2. Фукс А.А. Технология спиртового производства. М.: Пищепромиз-дат, 1951. 583 с.

3. Артюхов В.Г., Горбатенко В.Г., Гайворонский Я.С. Переработка мелассы на спирт и другие продукты по безотходной технологии. М.: Агропромиздат, 1985. 287 с.

4. Мембраны, фильтрующие элементы, мембранные технологии. Каталог. Владимир: ЗАО НТЦ «Владипор», 2004. 22 с.

5. Дытнерский Ю.И. Обратный осмос и ультрафильтрация. М.: Химия, 1978. 352 с.

6. Дерягин Б.В., Чураев Н.В., Мартынов Г.А. и др. // Химия и технология воды. 1981. Т. 3. № 2. С. 99-104.

7. Дерягин Б.В., Чураев В.М., Муллер В.М. Поверхностные силы. М.: Наука, 1985. 398 с.

БЛАГОДАРНОСТИ: Научно-исследовательская работа выполнена в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.

Поступила в редакцию 5 июля 2010 г.

Lazarev S.I., Kovalev S.V. Way of clearing and concentration of water solutions of spirit and barmy manufacture

In the presented work the application of experimental reverse osmosis installations for division of food solutions with reception of experimental dependences of the basic kinetic factors of process is shown. Also the empirical dependences for calculation of the basic kinetic factors baromembrane divisions based on classical dependences of native authors are presented. The theoretical description of experimental dependences of specific stream of solvent, factor of detention from initial concentration of the dissolved substances of solution of manufacture of spirit and yeast from molasses is presented.

Key words: reverse osmosis, membrane, solution.