Моделювання фазової рівноваги в системі етиловий спирт–вода для оптимізації роботи брагоректифікаційних установок

Abstract

Проектування і впровадження високоефективних енергозберігаючих брагоректифікаційних установок потребує достатньої кількості достовірних даних щодо фазової рівноваги в системі етиловий спирт–вода. В літературних джерелах відсутні експериментальні дані щодо фазової рівноваги в діапазоні значень тиску від 103 до 50,6 кПа. Особливий інтерес представляють дані щодо фазової рівноваги в системі етанол–вода в зоні низьких концентрацій етилового спирту – менше 3,0 мол. %, в яких працюють нижні частини бражних і ректифікаційних колон. Існуючі дані суперечливі і потребують ретельної перевірки та доповнення. Крім того, для теорії і практики ректифікації важливо знати область інверсії кривої фазової рівноваги за тиску, нижчого за атмосферний, по відношенню до аналогічної кривої за атмосферного тиску. Метою роботи було дослідження фазової рівноваги між рідиною і парою в системі етиловий спирт – вода в діапазоні значень тиску від 103 до 50,6 кПа в зоні низьких концентрацій спирту у розчинах; вибір методів термодинамічної перевірки і обробки експериментальних даних для контролю їх достовірності; оптимізація роботи брагоректифікаційних установок шляхом досягнення наближеного до рівноважного стану фаз на тарілках; дослідження ефективності роботи ректифікаційної колони циклічної дії в процесі розгонки спиртовмісних фракцій у виробничих умовах. Для проведення досліджень був розроблений прилад, конструкція якого дозволила підвищити точність результатів і скоротити час досягнення рівноважного стану між рідиною і парою до 30–40 хв. Отримані експериментальні дані щодо фазової рівноваги у вищевказаному діапазоні тиску і проведено її моделювання для оптимізації роботи брагоректифікаційної установки. В якості моделюючого рівняння використано рівняння Цубоко–Катаями. Термодинамічна перевірка результатів показала задовільну ступінь узгодженості розрахункових і експериментальних даних. Побудовані криві фазової рівноваги, встановлена залежність коефіцієнтів випаровування етилового спирту від тиску, визначена інверсія кривих рівноваги. Для досягнення стану фаз на тарілках ректифікаційної колони, близького до рівноважного, були розроблені способи масообміну між рідиною і парою в режимі контрольованих циклів затримки і переливу рідини та конструкції масообмінних апаратів для їх реалізації. Дослідження проводили у виробничих умовах ТОВ «Сторонибабський спиртовий завод» в процесі розгонки спиртовмісних фракцій. Встановлені гідродинамічні режими роботи тарілок в циклічному режимі: швидкість пари у вільному перерізі колони, оснащеної сітчастими тарілками, не повинна перевищувати 0,7 м/с, лускоподібними - 1,2 м/с; оптимальна швидкість пари в отворах сітчастої тарілки становить 7,5–8,0 м/с, лускоподібної 12–14 м/с; для інтенсивного переливу рідини швидкість пари в отворах не повинна перевищувати 1,5–1,0 м/с. Експериментально доведено, що подовження часу контакту фаз на тарілках до 30–60 с дозволяє наблизитись до рівноважного стану фаз і скоротити витрати гріючої пари на 40 %. При проектуванні бражних і спиртових колон, що працюють під розрідженням, необхідно враховувати миттєве зменшення коефіцієнтів випаровування етанолу в зоні концентрацій, нижчих від 1,2–1,4 % мол.