Концентрирования водных растворов спиртового и дрожжевого производства

ã В.Г. Казаков, С.В. Ковалев, С.И. Лазарев

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.

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

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

Удельный поток растворителя рассчитывали по следующей формуле:

, (1)

где V – объем полученного пермеата, м³; F_м – рабочая площадь мембраны, м²; t – 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. 1.

Рис. 1. 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 W = 0,25 м/с

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]:

, (2)

где К₁ – коэффициент водопроницаемости мембраны, ((м³/м^2.с)/МПа); ΔP – перепад давления на мембране, МПа; Δπ – 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):

, ₍₃₎

где С_исх – концентрация растворенных веществ в исходном растворе, кг/м³; Т – температура раствора, К; k₁, k₂ – эмпирические коэффициенты, зависящие от типа мембраны и раствора.

Полученные при помощи программы Excel 2007 в результате расчета методом поиска решения эмпирические коэффициенты k₁, k₂ представлены в табл. 1.

Сравнение экспериментальных и расчетных значений удельного потока растворителя от исходной концентрации растворенных веществ (см. рис. 3) дало удовлетворительный результат. (Расхождение не превышает ±10 %).

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

, (4)

где С_пср – концентрация растворенных веществ в пермеате, 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. 2.

Зависимость коэффициента задержания от исходной концентрации растворенных веществ рис. 2 имеет убывающий характер, а при анализе можно отметить, что К от С_исх 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].

Таблица 1 Значения эмпирических коэффициентов для уравнения (3)

Мембрана	К₁ · 10⁶	k₁	k₂
МГА-100	0,768	0,033	1,035
ОПМ-К	1,705	0,037	–50,038

Рис. 2. 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 W = 0,25 м/с

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]:

_{, (5)}

где – коэффициенты диффузии в свободном объеме и в мембране соответственно, которые зависят от концентрации растворенного вещества и температуры раствора, м²/с; h, δ – толщина мембраны и не перемешиваемого слоя, м; γ – равновесный коэффициент распределения; V – скорость фильтрации раствора, (м³/м^2.с).

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

_{, (6)}

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

Таблица 2 Значения эмпирических коэффициентов для уравнения (6)

Мембрана	к₁	к₂	к₃
МГА-100	1,00E+00	2,00E+00	9,24E+05
ОПМ-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, к₃ 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 %).

ЛИТЕРАТУРА

1. Мариченко В.А., Смирнов В.А., Устинов Б.А. и др. Технология спирта. М.: Легкая и пищевая пром-сть, 1981. 416 с.

2. Фукс А.А. Технология спиртового производства. М.: Пищепромиздат, 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 c.

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.