Необычное явление скачкообразной инверсии фаз при моделировании равновесия в трехкомпонентных спиртово-углеводородных смесях

Таким образом, использование представленных моделей позволяет определить экономически обоснованные оптимальные времена экстракции, увеличивающие не только выход продуктов, но и дающие дополнительный доход.

ВЫВОД

Показана возможность дополнительного получения прибыли при оптимизации длительности процесса

экстрагирования с одновременным ростом экономической эффективности экстракционного производства.

ЛИТЕРАТУРА

1. Goodarznia I., Elkani M.H. Supercritical carbon dioxide extraction of essential oils: Modeling and simulation // Chemical Engineering Science. - 1998. -53. - № 7. - Р. 1387-1395.

2. Ши Д. Численные методы в задачах теплообмена: Пер. с англ. - М.: Мир, 1988. - 544 с.

Кафедра машин и аппаратов пищевых производств

Поступила 29.05.08 г.

663.52:66-9

НЕОБЫЧНОЕ ЯВЛЕНИЕ СКА ЧКООБРАЗНОИ ИНВЕРСИИ ФАЗ ПРИ МОДЕЛИРОВАНИИ РАВНОВЕСИЯ В ТРЕХКОМПОНЕНТНЫХ СПИР ТОВО-УГЛЕВОДОРОДНЫХ СМЕСЯХ

Е.Н. КОНСТАНТИНОВ, З.А. АЧЕГУ, А.В. КИКНАДЗЕ,

Т.Г. КОРОТКОВА

Кубанский государственный технологический университет

При разработке технологии получения биотоплива на основе этилового спирта [1] возникает проблема ректификации спиртово-углеводородных смесей. Для моделирования этого процесса необходимы данные по равновесию в системах пар-жидкость и жидкость-жидкость в этих смесях.

В настоящей статье этот вопрос рассматривается на примере 3-компонентной смеси гексан-этанол-вода. Одновременно решается вопрос выбора модели для описания равновесных данных. В справочнике химика приводится растворимость отдельных компонентов бензина (гексана, гептана, октана) в этаноле при определенной температуре, например, 50 г гексана на 100 мл этанола при температуре 30°С [2].

Приведены результаты экспериментального иссле -дования смешения-расслаивания в системе гек-сан-этанол-вода (таблица). Смеси готовили из чистых компонентов: гексан - по ГОСТ ТУ 2631-00305807999-98, дистиллированную воду - по ГОСТ 6709-72 , этиловый спирт 96,5% об. - по ГОСТ Р 51652-2000. При приготовлении смесей количество гексана взято постоянным - 15 мл. Соотношения этанола и воды изменялись таким образом, чтобы общее количество исходной смеси оставалось равным 50 мл. После тщательного перемешивания и последующего отстаивания покомпонентный состав тяжелой фазы (водной) определяли хроматографическим методом в лаборатории Северо-Кавказского зонального научно-исследовательского института садоводства и виноградарства (СКЗНИИСиВ). На основе этих данных выполнена проверка применимости методов ЦЖри АС и МЯТЬ [3, 4] для описания равновесия в смеси гек-сан-этанол-вода. Одновременно проанализированы

Таблица

№ п/п Количество компонентов при смешении, см3 Концентрация компонентов в тяжелой (водной) фазе, % об.

Гексан Этанол 96,5% об. Вода Гексан Этанол Вода

1 20 0 20 0,0094 0 99,9906

2 15 2,5 32,5 0,0049 6,0783 93,9168

3 15 5 30 0,0066 14,390 85,6034

4 15 7,5 27,5 0,0049 19,951 80,0441

5 15 10 25 0,0124 29,903 70,0846

6 15 12,5 22,5 0,0354 36,935 63,0296

7 15 15 20 0,0621 42,835 57,1029

8 15 17,5 17,5 0,1886 49,209 50,6024

9 15 20 15 0,5230 57,121 42,3560

10 15 25 10 2,4270 66,107 31,4660

11 15 30 5 8,5989 72,106 19,2951

12 15 32 3 19,467 75,148 5,385

13 15 33 2 27,163 67,461 5,376

14 15 33 2 28,521 70,066 1,413

15 15 35 0 Не расслаивается

Уоа11 ё, % I а.

Yoaí I ё, % I а.

10/ \90

А /д

2^ \ 80

10/

^90

40/

к60

Ъ0^ П X 70

50/ / ут ^>50

60^ / ______________ 4 40

70/

80/

____ ______ -410

20/

^80

30/

^70

40/

^60

50/

70,

80/

90/

ч

IV \

.X

60

к 50

\40

30

>,20

/£ёга , Ш.. "Ж....................................^ АТ аа,

% т а. 10 20 30 40 50 60 70 80 90 % т а.

• - расчетные значения по спрогнозированным параметрам

группового взаимодействия жидкость-жид кость метода иМРАС; кривая 1 - по методу ШЧЮиАС; кривая 2 - по методу МТП_;

- экспериментальные данные

Рис. 1

особенности описания этих смесей, содержащих труднорастворимые компоненты, различными методами. При этом параметры бинарного взаимодействия между молекулами в моделях ИМрИАС и МЯТЬ спрогнозированы по параметрам межгруппового взаимодействия модели ИЖБАС, полученным на основе обработки данных в системах пар-жидкость и жидкость-жидкость [5, 6].

Фазовая диаграмма смеси гексан-этанол-вода при 20°С и атмосферном давлении приведена на рис. 1. Установлено, что концентрация воды в легкой фазе (гек-сановой) очень мала, а правая ветвь бинодальной кривой, которая отвечает тяжелой фазе, имеет куполообразный вид. По данным хроматографического анализа, тяжелая фаза состоит практически полностью из этанола и воды, содержание гексана в ней незначительно. С ростом концентрации этанола и снижения концентрации воды в смеси содержание этанола в тяжелой фазе увеличивается. Образование гетерогенных фаз свидетельствует, что при применении этанола в качестве оксигената в биотопливе необходимо контролировать содержание воды в этаноле.

Опыт моделирования и внедрения технологических схем и режима работы брагоректификационных установок, перерабатывающих спиртовые расслаивающиеся смеси сивушное масло-этанол-вода, свидетельствует о высокой точности метода ИМрИАС. Однако применительно к данной смеси он дает большие погрешности (рис. 1, кривая 1). Расчетные значения равновесных составов находятся в противоречии с экспериментальными данными. А при использовании групповых параметров пар-жидкость метода ИМБАС модель ИМрИАС вообще не предсказывает расслаивания в данной системе.

Эксперимент удовлетворительно описывается при использовании модели МЯТЬ, когда параметры бинарного взаимодействия молекул спрогнозированы по групповым параметрам жидкость-жидкость модели ИМБАС (рис. 1, кривая 2).

£аёга, % Т а.

10 20 30 40 50 60 70 80 90

Ат аа, % Т а.

• - расчетные значения по методу ИКП. по спрогнозированным параметрам группового взаимодействия пар-жидкость метода 11№1РАС

Рис. 2

Вид полученной экспериментальной бинодальной кривой является специфическим. Наиболее часто встречающиеся диаграммы имеют критическую точку вблизи максимума бинодальной кривой. Причем если на правой ветви составы отвечают тяжелой фазе, то при равной концентрации распределяемого компонента на левой ветви при такой же концентрации распределяемого компонента составы отвечают легкой фазе. В отличие от этого, на представленной диаграмме, например, для концентрации этанола (распределяемого компонента) 70% об., концентрации воды на бино-дальной кривой имеет два значения на правой ветви порядка 25% об. и на левой ветви порядка 1% об. При этом оба этих состава принадлежат тяжелой фазе. На представленной кривой отсутствует критическая точка. В легкой фазе весь состав лежит практически на стороне бинарной смеси этанол-гексан, а концентрация воды в нем чрезвычайно низка. Расчетное значение максимального содержания спирта в легкой фазе составляет порядка 11% об. Такой необычный вид би-нодальной кривой приводит к представлению о кажущейся инверсии фаз при изменении концентрации спирта в области 70-76% об. Действительно, с ростом концентрации спирта в смеси возрастает концентрация гексана, так как гексан растворяется в спирте значительно лучше, чем в воде. При этом рассматриваемая фаза является тяжелой. Однако из диаграммы видно, что при концентрации спирта 70% об. и концентрации гексана 30% об., т. е. практически при отсутствии в смеси воды, фаза остается тяжелой. Это напоминает явление инверсии фаз.

При использовании параметров, полученных прогнозированием по параметрам пар-жидкость метода ИМБАС (рис. 2), согласие с экспериментом наблюдается только в области концентрации тяжелой фазы от 0 до 30% об. этанола в исходной смеси, а при концентрации в районе 30% об. имеется второе решение. Действительно, при увеличении концентрации этанола до 30% об. тяжелая фаза практически не содержит гексана, а концентрация воды порядка 70% об. При этой же концентрации этанола существует легкая фаза, кото-

рая содержит порядка 15% воды, происходит инверсия фаз.

Таким образом, установлено, что при расчетном моделировании может встретиться инверсия фаз, однако экспериментально это явление нами не обнаружено. Для моделирования систем получения биотоплива рекомендуется использовать метод МЯТЬ.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований в рамках гранта № 08-08-99134.

ЛИТЕРАТУРА

1. Емельянов В.Е., Крылов Н.Ф. Альтернативные экологически чистые виды топлива: Свойства, разновидности, примене -ние. - М.: Астрель, АСТ, 2004. - 128 с.

2. Справочник химика. Основные свойства органических и неорганических соединений. Т. 2. - Л.: Химия, Ленигр. отд-ние,

1971.

3. Короткова Т.Г. Прогнозирование энергетических параметров бинарного взаимодействия модели ИМрИАС по параметрам межгруппового взаимодействия модели ИШБАС // Изв. вузов. Пищевая технология. - 2007. - № 5-6. - С. 90-94.

4. Короткова Т.Г. Прогнозирование энергетических параметров бинарного взаимодействия модели МЯТЬ по параметрам межгруппового взаимодействия модели ИМБАС // Изв. вузов. Пи -щевая технология. - 2008. - № 4. - С. 70-71.

5. Уэйлес С. Фазовые равновесия в химической технологии: В 2 кн. / Под ред. В.С. Бескова; Пер. с англ. - М.: Мир, 1989.

6. Рид Р., Праусниц Дж., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей. - Л.: Химия, 1982. - 591 с.

Кафедра процессов и аппаратов пищевых производств

Поступила 02.06.08 г.

658.012.011.56:663.479.1

АНАЛИЗ ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА КВАСА КАК ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ

В.О. МОРОЗОВ, В.В. ОСОКИН

Кубанский государственный технологический университет

Приготовление основного сырья для хлебного кваса и производство самого кваса - сложные биохимические процессы. Они обусловлены действием входящих в состав сырья особых органических веществ - ферментов (энзимов). На стадии разведения дрожжей и сбраживания квасного сусла происходит накопление витаминов как результат жизнедеятельности микроорганизмов.

Хлебоприпасы - ржаной и ячменный солод, мука ржаная хлебопекарная обойная - основное сырье для производства хлебного кваса. Они (в первую очередь ржаной солод) обусловливают вкус, аромат и цвет напитка. Выпекаемые из смеси ржаного и ячменного солодов, ржаной муки и воды квасные хлебцы используются в производстве хлебного кваса по настойному способу получения сусла. Свежевыпеченные квасные хлебцы - распространенное сырье для приготовления квасного сусла, но хранить их можно не более 4-5 сут, поскольку они начинают плесневеть. Для длительного хранения и транспортировки выпеченные хлебцы сушат и дробят, получая так называемый сухой квас. Квасные хлебцы и сухой квас до середины прошлого века широко использовались как сырье в промышленном производстве хлебного кваса. Технология приготовления их неэкономична и не обеспечивает однородности качества хлебцев и получаемого из них кваса. Такой квас нередко бывает лишен характерного хлебного аромата и вкуса.

Еще в 1968 г. были доказаны экономические преимущества производства кваса из концентратов [1]. Использование концентрата квасного сусла (ККС) в промышленном квасоварении не только упрощает технологию, позволяет обеспечить повсеместную стабильность и однородность качества кваса, повышает

его вкусовые достоинства, но и дает большой экономический эффект [1].

Технология приготовления кваса на основе ККС выбрана нами для анализа как наиболее распространенная и перспективная с точки зрения автоматизации.

Брожение квасного сусла производят в бродиль-но-купажном аппарате (БКА), представляющем собой цилиндрический сосуд с коническим днищем, сферической крышкой, закрытой герметичным люком, и опорами. Аппарат снабжен штуцерами для подачи воздуха, сусла, сиропа, воды и т. д., а также отводами и технологическими врезками для измерения температуры (термопреобразователь сопротивления), давления (датчик избыточного давления) и уровня (датчик дифференциального давления). Корпус аппарата покрыт слоем теплоизоляционного материала. Сначала в БКА подают квасное сусло, сахарный сироп и воду в количестве, предусмотренном рецептурой, после этого вносят комбинированную закваску из чистых культур дрожжей и молочнокислых бактерий. Брожение производят при температуре 25-28°С до понижения содержания сухих веществ в сусле на 1% мас. и достижения кислотности не ниже 2 см3 раствора щелочи концентрацией 1 моль/дм3 на 100 см3 кваса. Затем производят купажирование сброженного квасного сусла, находящегося в БКА, добавляя сахарный сироп согласно рецептуре. Полученную смесь - купаж - тщательно перемешивают, охлаждают, продувают через нее при необходимости диоксид углерода, проверяют соответствие качества кваса требованиям стандарта и направляют готовый продукт на розлив.

Задание количества дрожжей, молочной кислоты и жидкой углекислоты в автоматическом режиме на данном этапе работ не рассматривается при допущении, что влияние этих компонентов ничтожно мало ввиду их корректной дозировки. Рассмотрим данный технологический процесс как объект управления (рисунок).