Использование механотронных подсистем в брагоректификационных установках

ТЕХНОЛОГИЯ

К 130-летию НУПТ

УдК 663.551

использование механотронных подсистем

в брагректификационных установках

С. В. Иванов,

д-р техн. наук, профессор; П. Л. Шиян,

д-р техн. наук, профессор; Ю. В. Булий,

канд. техн. наук, доцент Национальный университет пищевых технологий, Украина, г. Киев

Процессы перегонки бражки и очистки этилового спирта от летучих органических примесей являются завершающей стадией спиртового производства и осуществляются на брагоректификационных установках (БРУ), в которых происходят процессы тепломассообмена между материальными потоками, движущимися по отдельным элементам установки.

При общем содержании примесей в спирте-сырце 0,3-0,5% в их составе идентифицировано более 50 соединений, которые относятся к одной из групп химических веществ: альдегидам, кетонам, эстерам, высшим спиртам и органическим кислотам. Среди ключевых примесей преобладают уксусный, пропионовый, муравьиный, масляный и кротоновый альдегиды, кетоны — акролеин, диа-цетил, ацетон, уксусно-метиловый, уксусно-этиловый, масляно-этиловый, диэтиловый, пропионметиловый, про-пионэтиловый, изомасляноизобути-ловый эфиры, изопропиловый, про-пиловый, изобутиловый, бутиловый, амиловый, изоамиловый, метиловый, гексиловый, гептиловый спирты, уксусная, масляная, изомасляная, валериановая, изовалериановая, пропионо-вая кислоты, а также амины — метиламин, диметиламин, триметиламин, этиламин, диэтиламин, триэтиламин и др. Большинство из них токсичны и могут отрицательно влиять на качество товарного спирта.

Эффективность извлечения и концентрирования летучих органических соединений зависит от многих факторов: количества колонн, схемы их обвязки паровыми и жидкостными потоками, организации отбора вто-

ричных и побочных продуктов из зон их максимального концентрирования, их количества, температуры и давления в колоннах, эффективности контактных массообменных устройств, способов контакта фаз на поверхности тарелок и др.

При использовании традиционных способов очистки спирта от примесей на типовых БРУ некоторые из них в незначительных количествах все-таки присутствуют в товарном спирте. Для более полного их выделения в схемы БРУ кроме основных ректификационных колонн включают дополнительные — сивушную, разгонную и колонну окончательной очистки. На рис. 1 схематически показано движение основного продукта, полупродуктов и отходов брагоректифика-ции по элементам БРУ, их содержание указано в процентах от абсолютного алкоголя (а. а.) бражки.

Основные элементы тарельчатых колонных аппаратов — контактные устройства, которые должны удовлетворять следующим требованиям: обеспечивать на поверхности тарелки соответствующий запас жидкости (задержку жидкости), достижение необходимой разделяющей способности при изменении нагрузки по пару или жидкости, небольшее гидравлическое сопротивление паровому потоку, минимальный унос жидкости из нижних тарелок на верхние, возможность работы аппаратов в различных адиабатических условиях. Исследования физико-химических основ процессов разделения многокомпонентных систем, разработка на основе законов термодинамики рациональных методов расчета и конструирования

ПИВО и НАПИТКИ

3^ 2014

ректификационных колонн, числа контактных устройств, оптимальных условий для эффективного контакта паровой и жидкостной фаз, систем автоматического контроля и управления процессами массообмена остаются актуальными проблемами и в настоящее время. Решению поставленных задач посвящено большое количество исследований, результаты которых проанализированы в монографии [1].

В НУПТ (ранее КТИПП — Киевский технологический институт пищевой промышленности) под руководством профессора В. Н. Стабнико-ва была основана всемирно известная школа по созданию высокоэффективных массообменных контактных устройств ректификационных колонн. Проведены первые исследования фазового равновесия бинарных и многокомпонентных систем при атмосферном давлении и давлениях ниже атмосферного, предложены методы расчета конструкций контактных устройств для барботажного и струйного режимов, изучены оптимальные условия их действия (расстояние между тарелками, скорость пара в свободном сечении колонн и в щелях контактных элементов, их размеры, расположение и др.), приведена сравнительная характеристика эффективности их работы.

Профессор П. С. Цыганков вместе с учениками обосновал научную

школу по разработке энерго- и ресурсосберегающих БРУ повышенной единичной мощности. Под его руководством разработана и внедрена в производство технология разгонки ГФЭС. Использование инновационной технологии позволило увеличить выход ректификованного спирта с 94-96 до 98,0-98,5%, отбор органических примесей осуществлять в виде КЭС в количестве 0,1-0,2%. Работы выдающихся ученых КТИПП получили всемирное признание не только в Украине, но и за ее пределами.

Продолжая традиции, используя многолетнюю практику и наработанный опыт старших поколений, специалисты НУПТ проводят системные исследования, направленные на разработку и создание энерго- и ресурсосберегающих БРУ повышенной мощности для производства пищевого, технического спирта и топливного биоэтанола. Работы в области теории и практики ректификации, выполненные в университете, были отмечены Государственной премией Украины в области науки и техники.

Под руководством профессора В. М. Тарана разработаны теоретические основы циклической ректификации, предложена конструкция колонных аппаратов, действие которых позволило обеспечить раздельное движение фаз по тарелкам, интенсифицировать процесс массообмена за счет

КЭС ГФЭС ЛВ

Рис. 1. Схема движения спиртосодержащих потоков, обогащенных летучими органическими соединениями, по элементам БРУ: БК — бражная колонна; ЭК — эпюрационная колонна; СК — спиртовая колонна; КОО — колонна окончательной очистки; РК — разгонная колонна; КЭР — колонна экстрактивной ректификации; БД — бражной дистиллят; ЭП —эпюрат; РС — ректификованный спирт; ГФЭС — головная фракция этилового спирта; КЭС — концентрат эстеро-сивушный; ЛВ — лютерная вода; ВСЖ — водно-спиртовая жидкость; ГП — греющий пар; ГУВ — горячая умягченная вода; СМ — сивушное масло; НПП — нижние промежуточные примеси; ВПП — верхние промежуточные примеси; НС — непастеризованный спирт

1 технология

единовременной смены жидкостной задержки на тарелках, повысить эффективность работы контактных устройств в период подачи греющего пара и сократить его расход [2].

Первые колонные аппараты циклического действия без прерывания подачи жидкостной и паровой фаз были разработаны сотрудниками НУПТ и ООО «Техинсервис-процесс». Их действие предусматривает проведение управляемых циклов задержки жидкости на тарелках и синхронного ее перелива по всей высоте ректификационной колонны в два последовательных этапа, повторяющихся периодически во времени по заданному алгоритму [3, 4].

Экспериментальные исследования проводили в производственных условиях Чудновского филиала ГП «Житомирский ликероводочный завод». Объектом исследований была разгонная колонна (РК), задача которой — выделение и очистка этилового спирта из фракций, наиболее обогащенных летучими органическими примесями — ГФЭС, потоков из конденсаторов бражной и спиртовой колонн, конденсатора сепаратора диоксида углерода, спиртоловушек и сивушного спирта.

Для управления циклами задержки и перелива жидкости авторами предложено включить в схему обвязки РК механотронную подсистему на основе пневмоэлектроавтоматики. Ме-ханотроника — своеобразная современная философия проектирования сложных управляемых технических объектов. Научно-техническое решение считают механотронным, если составляющие компоненты не просто взаимодействуют друг с другом, но при этом образовавшаяся система приобретает новые свойства, которые не были характерны ее составляющим. Механотронный подход к разработке и внедрению технологии управляемой ректификации заключается в том, что при проектировании бра-горектификационного оборудования ректификационные колонны должны образовывать целостные электроме-ханопневмоэлектронные технические системы, включающие электронно-компьютерную аппаратуру. Такое техническое решение позволяет осуществлять автоматизированное управление циклами ректификации, контролировать и поддерживать технологические параметры процесса массообмена в заданных пределах [5].

3^ 2014

ПИВО и НАПИТКИ 49

ПЦели работы — исследование степени извлечения и кратности концентрирования ключевых органических примесей спирта в процессе разгонки спиртосодержащих фракций при использовании механотронной подсистемы управления циклами ректификации, разработка функциональной схемы автоматизации БРУ с применением пневмоострова МРА/СРХ, построение алгоритмов и разработка программного обеспечения механо-тронной подсистемы.

Для достижения поставленных задач экспериментальная РК была оснащена микропроцессорной пневматикой фирмы FESTO (стандартными пневмоцилиндрами двунаправленного действия типа DNT 63-50-PPV-А), связанной через подвижные тяги с клапанами, которые поочередно открывали и закрывали переливные отверстия парных и непарных по порядку размещения тарелок по заданному алгоритму, и современными компьютерно-интегрированными средствами (рис. 2).

Основные преимущества пнев-моцилиндров типа DNT — простота их конструкции и технического обслуживания, полная пожаро- и взры-вобезопасность, надежность работы в широком диапазоне температур в условиях, в которых существует высокий риск возгорания или взрыва газа [6].

Управление клапанами и работой пневмоцилиндров, контроль технологических параметров (температуры, давления) осуществляли с помощью автоматических датчиков, сигнал от которых передавался на микро-

Рис. 2. Реализация механотронной подсистемы для управления процессами массообмена в РК

Органические примеси К Питание онцентрация, мг/дм Кубовая жидкость л3 КЭС Степень извлечения примесей

Этанол, видимая концентрация, об. % 82,0 5,0 68,0 16,4

Типовая ректификация:

альдегиды 605,0 7,0 10 235 86,4

эстеры 637,7 8,0 13 467 79,7

сивушное масло 27 307,9 1293,0 272 626 21,1

метанол 0,026 0,0016 1,75 16,2

Управляемая ректификация:

альдегиды 605,0 Следы 13591,2 Макс.

эстеры 637,7 » 17 905,2 »

сивушное масло 27 307,9 793,0 462 079 34,4

метанол 0,026 0,0010 2,66 26,0

процессорный контроллер. Степень извлечения ключевых органических примесей спирта в процессе разгонки спиртосодержащих фракций в условиях типовой и управляемой ректификации показана в таблице. Результаты исследований также представлены на рис. 3.

Для газохроматографического анализа отбирали пробы питания РК, ее кубовой жидкости и образовавшегося КЭС. Расход греющего пара на процесс определяли из теплового баланса, зная расход воды на охлаждение, ее температуру на входе в конденсатор и на выходе после дефлегматора.

Экспериментально установлено, что при использовании механотрон-ной подсистемы в процессе разгонки спиртосодержащих фракций альдегиды и эстеры (головные примеси) выделяются в полном объеме, степень извлечения (а) высших спиртов (верхних промежуточных примесей) и метанола увеличивается на 38%. При этом кратность концентрирования (р) головных примесей повышается на 25%, высших спиртов — на 40, метанола — на 37%. При включении РК в работу выход ректификованного этилового спирта увеличивался на 3,5%. Его показатели соответствовали нормативным для спирта «Люкс», а показатели образовавшегося КЭС — требованиям технических условий. Расход греющего пара на процесс разгонки в условиях управляемой ректификации сократился на 40% и составил 11-13 кг/дал а.а., введенного в колонну. Реализация электромехано-пневмоэлектронной системы управления РК позволила обеспечить раздельное движение фаз по тарелкам при непрерывной подаче жидкостного и парового потоков, увеличить поверхность контакта фаз на каждой тарелке на 20% за счет рационального использования всей ее

120 -.-

Альдегиды Эстеры Сивушное Метанол масло Органические примеси

И Управляемая ректификация И Типовая ректификация

Рис. 3. Кратность концентрирования (Р) ключевых органических примесей спирта в условиях управляемой и типовой ректификации

площади, исключить перемешивание жидкости на смежных тарелках колонны, продлить время контакта фаз для достижения фазового равновесия между жидкостью и паром, повысить эффективность массообмена и таким образом приблизить эффективность физической тарелки к эффективности теоретической.

Время пребывания жидкости на тарелке зависит от концентрации ключевых примесей спирта в питании, поэтому интервал жидкостной задержки определяли экспериментальным путем. Непрерывная подача греющего пара позволила исключить резкие колебания давления в кубовой части РК и ее дефлегматоре, которые имели место в колонных аппаратах циклического действия.

Полученные результаты исследования работы РК позволили сделать вывод о целесообразности создания и использования единой механотрон-ной подсистемы на основе пневмо-электроавтоматики для организации управляемых циклов массообмена в БРУ путем внедрения предложенно-

50 ПИВО и НАПИТКИ 3 • 2014

Технология

го технического решения. Реализация инновационной технологии предусматривает включение в пневматическую схему БРУ пневмоострова 32МРА для регулирования и контроля работы пневмоприводов, установленных в верхней части бражной, эпюраци-онной и ректификационной колонн с помощью микропроцессорного контроллера М340. Система управления включает щит, в котором расположен контроллер, и компьютер. Контроллер включает процессор, сетевой модуль, блоки аналоговых и дискретных входов / выходов. На компьютере должна быть выполнена условная визуализация технологического процесса и предоставлены необходимые средства для его управления. Для создания программного управления пневмоцилиндрами используется программная среда Unity Pro. Текст программы разработан на двух языках — FBD и ST.

Для отдаленного управления исполнительными механизмами с пнев-моцилиндрами и сбора информации от дискретных датчиков об их положении через последовательный интерфейс связи, простоты монтажа

пневматической системы управления за счет подключения исполнительных механизмов шлангами через быстро-разъемные соединения щита управления в системе автоматизации предусмотрено применение стандартного электропневматического шкафа серии ЕРСВ-ШО-МРА-32/32 с типом интерфейса связи РшйЬш^Р с блоком подготовки воздуха.

Перспективное направление работы — проведение дальнейших исследований эффективности предложенной технологии при ее использовании в технологических процессах перегонки зрелой бражки и очистки ректификованного этилового спирта.

ЛИТЕРАТУРА

1. Шиян, П. Л. 1нновацшт технологи спир-тово! промисловосп. Теорiя i практика: Монографiя./П. Л. Шиян, В. В. Сосниць-кий, С. Т. Олшшчук. — К.: Видавничий дам «Асканя», 2009. — 424 с.

2. Патент на винахад 60565 В0Ш 3/00 Укра!на. Споаб перетекания рвдини на таршках ко-лонних масообмшних апарат1в/В. М. Ма-лета, I. В. Щуцький, А. П. Дмитрук, Й. Б. Чернях1вський; заявники та власники В. М. Малета, I. В. Щуцький, А. П. Дми-

трук, Й. Б. Чернянвський. — № 2002129940; заявл. 10.12.2002; опубл. 15.10.2003. Бюл. № 10/2003.

3. Патент на изобретение 2372965 С2 В0Ш 3/00, B01D 3/20 (RU). Способ перелива жидкости по тарелкам колонного аппарата в процессе массообмена между паром и жидкостью/А. П. Дмитрук, И. Б. Черняховский, П. А. Дмитрук, Ю. В. Булий; патентообладатель А. П. Дмитрук (иА). — № 2007135886/15; заявл. 27.09.2007; опубл. 20.11.2009. Бюл. № 32/2007.

4. Булий, Ю. В. Энергосберегающая технология ректификации этилового спирта/Ю. В. Булий, П. Л. Шиян, А. П. Дмитрук // Производство спирта и ликероводочных изделий. — 2012. — № 3. — С. 14-16.

5. Губарев, А.П. Механотроника: учеб. пособие для студ. спец. «Гидравл. и пневмат. машины» специализаций «Механотроника в машиностроении», «Приклад. гидроаэромеханика и механотроника»/А. П. Губарев, О. В. Левченко. — К.: НТУУ «КПИ», 2007. — 180 с.

6. Пашков, Е. В. Электропневмоавтоматика в производственных процессах: учеб. пособие для студ. вузов, обуч. по маши-ностр. спец./Е. В. Пашков, Ю. А. Осинский, А. А. Четверкин. — 2-е изд., перераб. и доп. — Севастополь: Изд-во Севастоп. нац. техн. унта, 2003. — 496 с.

Использование механотронных подсистем в брагоректификационных установках

Ключевые слова

массообмен; механотронная подсистема; примеси спирта; ректификация; управляемые циклы; фазовое равновесие.

Реферат

Авторами предложено техническое решение создания и использования механотронной подсистемы для организации управляемых циклов ректификации. Установлено, что реализация электромехано-пневмо-электронной системы управления позволяет обеспечить раздельное движение фаз при непрерывной подаче в колонну жидкостного и парового потоков, увеличить поверхность контакта фаз на 20% в сравнении с типовой тарелкой, продлить время контакта фаз для достижения фазового равновесия между жидкостью и паром, повысить эффективность массообмена и приблизить эффективность физической тарелки к эффективности теоретической. В таких условиях альдегиды и эстеры выделяются в полном объеме, степень извлечения высших спиртов и метанола увеличивается на 38%, кратность концентрирования головных примесей повышается на 25%, высших спиртов — на 40, метанола — на 37%. Инновационную технологию целесообразно использовать для организации работы бражной, эпюрационной и спиртовой колонн с целью повышения качества товарного спирта и сокращения расхода греющего пара на процессы перегонки бражки и очистки этилового спирта.

Авторы

Иванов Сергей Витальевич, д-р техн. наук, профессор;

Шиян Петр Леонидович, д-р техн. наук, профессор;

Булий Юрий Владимирович, канд. техн. наук, доцент

Национальный университет пищевых технологий,

01601, Украина, г. Киев, ул. Владимирская, д. 68, info-@nuft.edu.ua

The Use of Mechatronics Subsystems in Rectification Installations

Key words

mass-transfer; mechatronics subsystem; impurity alcohol; rectification; managed cycles; phase equilibrium.

Abstract

The authors of the proposed technical solution for the creation and use of mechatronics subsystem for organizing managed cycles of rectification. It is established that the implementation of electro-mechanical and pneumo-electronic management system allows you to maintain separate movement phases under the continuous supply of the column of liquid and steam flows, to increase the surface area of contact of phases by 20%, to extend the time of contact of phases to achieve the phase equilibrium between liquid and steam, increase the efficiency of mass transfer and bring efficiency of real plates to the effectiveness of the theoretical. The aldehydes and esters are allocated in full volume, the degree of extraction of higher alcohols and methanol will increase by 38%, the concentration ratio of the head of admixtures increases by 25%, higher alcohols 40%, methanol by 37%. Innovative technology is useful for the organization of work of column for the production of alcoholic spirits, a column for the epuration of alcoholic distillate and alcohol columns with the purpose of improvement of quality of commodity spirit and to reduce the heating steam on the processes of distillation brew and cleaning of ethyl alcohol.

Authors

Ivanov Sergey Vitalievich, Doctor of Technical Science, Professor; Shiyan Petr Leonidovich, Doctor of Technical Science, Professor; Buliy Yuriy Vladimirovich, Candidate of Technical Science, Associate Professor National University of Food Technologies, 68, Volodymyrska str., Kyiv, 01601, Ukraine

3 • 2014 ПИВО и НАПИТКИ 51