Материал: Розрахунок перемішуючого апарату для виробництва винної кислоти

Розрахунок перемішуючого апарату для виробництва винної кислоти

Вступ

У наш час дуже стрімко розвивається біотехнологія. Сучасна біотехнологія - це використання різноманітних властивостей живих систем для потреб суспільства.

В проектуванні біотехнологічних виробництв важливе значення має апаратурне оформлення технологічних процесів. Обладнання має багато спільного із обладнанням галузей хімічної та харчової промисловості. Найбільш відомими апаратами є змішувачі, випарні установки, теплообмінники, ферментери та ін.

Змішувачі набули широкого розповсюдження в біотехнологічній, хімічній та інших галузях промисловості. Змішувачі встановлюють на різних технологічних етапах виробництва, оскільки процес перемішування відіграє важливу роль у виробництві. Перемішування робить більш ефективними процеси розчинення речовин, процеси теплообміну, масообміну, прискорює протікання реакцій, робить більш ефективними процеси біосинтезу.

В даному проекті розглядається виробництво винної кислоти з робробкою апарата змішувача для здійснення процесів переробки відходів виноробства, яких утворюється значна кількість (15-20%). Раціональне використання відходів дає можливість отримати додаткові продукти, які представляють собою значну цінність. Побічні продукти комплексно переробляють в спеціалізованих цехах, отримуючи виннокисле вапно, етиловий спирт, пектини, виноградну олію (з насіння) і кормове борошно.

Винна кислота - це двоосновна карбонова оксикислота. Її формула С₄Н₆О₆. Вона міститься в чистому вигляді в соці винограду і у вигляді солей (тартрати і гідротартрати) в картоплі, огірках і чорному перці. Винна кислота використовується в харчовій промисловості як консервант і у фарбувальній промисловості як червоний пігмент. Сировиною для виробництва винної кислоти є виннокисле вапно.

.       
Призначення та область застосування реактора-змішувача

Перемішування - процес, що застосовується в хімічній, біотехнологічній, харчовій промисловості для приготування емульсій, суспензій, сумішей, а також інтенсифікації процесів розчинення, теплообміну і хімічних реакцій [1].

Мета перемішування - гомогенізація - полягає у зниженні концентраційного або температурного градієнта, або їх одночасно, у системі, що перемішується.

Розподілення частинок окремих компонентів у вихідній суміші випадкове. За допомогою перемішування намагаються досягти ідеального взаємного розподілення частинок. Ідеальним або повним називають таке перемішування, в результаті якого нескінченно малі проби суміші, відібрані в будь-якому місці системи, що перемішується, будуть мати однаковий склад, а температура в будь-якій точці виявиться однаковою [2].

Перемішування рідких середовищ може здійснюватися різними способами: обертовим або коливальним рухом мішалок (механічне перемішування); барботажем газу через шар рідини (пневматичне перемішування); прокачуванням газу через турбулюючі насадки; перекачуванням рідини насосами по замкнутому контуру (циркуляційне перемішування).

Для здійснення перемішування найбільше розповсюджені в техніці апарати з мішалками.

При перемішуванні градієнти температур і концентрацій в середовищі, що заповнює апарат, прямують до мінімального значення. Тому апарати з мішалками за структурою потоків найбільше близькі до моделі ідеальних потоків [3].

Процес перемішування характеризується інтенсивністю, ефективністю, а також витратою енергії на її проведення.

Залежно від призначення перемішування ефективність процесу виражають різними способами. Якщо перемішування застосовують для прискорення теплових, масообмінних і хімічних процесів його ефективність можна оцінити співвідношенням кінетичних коефіцієнтів при перемішуванні та без нього (співвідношення коефіцієнтів тепло-, масовіддачі, тепло-, масопередачі, швидкостей реакції хімічного перетворення).

При отриманні неоднорідних систем ефективність перемішування можна характеризувати рівномірністю розподілу дисперсної фази в дисперсійному середовищі, а при отриманні однорідних систем - рівномірністю розподілу розчинених речовин у розчині [4].

У випадку гомогенізації, приготуванні суспензій, нагрівання чи охолодження гомогенного середовища, що перемішується, метою перемішування являється зниження концентраційних або температурних градієнтів в об'ємі апарату.

При використанні перемішування для інтенсифікації хімічних, теплових та дифузійних процесів в гетерогенних системах створюються умови для підводу речовини в зону реакції, до межі поділу фаз чи до поверхні теплообміну.

Збільшення ступеня турбулентності системи, що досягається при перемішуванні, призводить до зменшення товщини приграничного шару, збільшення та безперервного обновлення поверхні взаємодіючих фаз. Це викликає суттєве прискорення процесів тепло- та масообміну.

Перемішування використовують в процесах абсорбції, випарювання, екстрагування та інших процесах біотехнологічної технології [5].

Щоб оцінити ефективність перемішування, технологічний ефект, що досягається, зіставляють з витратою енергії на перемішування.

Ефективніше той перемішуючий пристрій, який при тій же витраті енергії забезпечує більший ефект або для досягнення аналогічного ефекту вимагає менше енергії [6].

2.     
Опис технологічного процесу виробництва винної кислоти

Винна кислота представляє собою безбарвні прозорі кристали, добре розчинні у воді і спирті. Вона отримується з виннокислих солей під дією мінеральних кислот (сірчаної, соляної) [7].

У побічних продуктах виноробства винна кислота вже міститься у вигляді солей, тому у виробництві винної кислоти з цього виду сировини стадія ферментації відсутня. Заводи винної кислоти використовують в якості сировини виний камінь (Н₂С₄Н₄О₆) і виннокисле вапно (СаС₄Н₄О₆), що значно спрощує технологію. Але частіше використовують виннокисле вапно, так як при цьому вихід винної кислоти більший [8].

Технологію отримання винної кислоти можна поділити на підготовчий етап - отримання виннокислого вапна з вичавки, і виробництво винної кислоти з виннокислого вапна.

Вичавкою називають все те, що залишається в пресі після віджиму соку зі свіжого винограду або вина з мезги, що перебродила, тобто гребені, кожиця, насіння і залишки рідини (сусло, вино).

Вичавку розрізняють за кольором: білу і червону. Якщо вичавка отримана безпосередньо з пресу після віджиму свіжого винограду, її називають свіжою, солодкою, незброженою, на відміну від вичавки, що піддалася бродінню при зберіганні. Солодка незброджена вичавка у більшості випадків - біла, отримана з пресів з білого винограду після віджиму соку, що йде на приготування білого вина або виноградного соку [9].

В солодких вичавках міститься здебільшого 0,5 % виннокислих сполук, при сильному стисканні їх вміст може зменшуватись до 0,2%. Вміст виннокислих сполук у збродженій сировині з червоного винограду в середньому можна прийняти рівним 0,9% [8].

При зберіганні вичавки відбуваються значні втрати спирту і винної кислоти. Тому вичавку потрібно переробляти відразу після виходу її з пресу в період виноробства.

Одним із раціональних способів переробки вичавки і отримання виннокислої сировини є напівперіодичний процес.

Свіжа вичавка з пресового відділення після подрібнення промивається в дифузорі, що складається з двох барабанів, що обертаються. Верхній служить для відмивання червоної вичавки холодною водою від спирту, нижній - для промивки білої і червоної вичавки від цукру гарячою підлуженою водою.

При обертанні барабана вичавка проходить по секціях від голови до хвоста барабана, зустрічаючи на своєму шляху безперервний потік води. З верхнього барабана при переробці червоної вичавки відбирається водно - спиртова суміш, яка спрямовується із загальним потоком на перегонку.

З нижнього барабана виходить екстракт, який проходить фільтрацію на безперервно діючій центрифузі. Фугат, що виходить з центрифуги, обробляється розчином хлористого кальцію в збірнику і подається у безперервно діючу батарею реакторів, розраховану на шестигодинну тривалість реакції осадження виннокислого вапна (ВКВ). Кальцій хлористий попередньо розчиняється, розмішується і нагрівається в реакторі змішувачі до температури 100^оС для підвищеня ефективності подальшого осадження виннокислого вапна. Для перемішування доцільно використовувати апарат з лопатевим типом механічного перемішуючого пристрою, оскільки лопатеві мішалки дешеві, мають просту конструкцію і ефективні для перемішування подібних маловязких рідин.

Суспензія виннокислого вапна з останнього реактора безперервно подається на центрифугу для розділення. Вологий осад ВКВ, що виходить з центрифуги поступає в сушарку.

Фугат - цукровмісний розчин - поступає в безперервно діючу бродильну батарею, перший резервуар якої є генератором для безперервного розмноження хлібопекарських дріжджів. З останнього резервуару бродильної батареї виходить готова брага з вмістом спирту 3%. Брага поступає у перегонний апарат для відгону спирту і отримання готової продукції - спирту-сирцю концентрацією 88%.

Гаряча брага повертається в дифузор разом з виннокислими сполуками, які могли залишитися в розчині. [7]

Наступний етап - отримання винної кислоти з виннокислого вапна, схема якого зображена на рисунку 1.

Рисунок 1. Схема виробництва винної кислоти

ВКВ ретельно відмивають від домішок різних солей, фарбуючих та інших речовин. Для цього ВКВ суспендують в холодній воді, добре перемішують і відділяють на нутч-фільтрах, барабанних фільтрах під розрідженням, на фільтруючій центрифузі ТВ-600, відстійній центрифузі безперервної дії зі шнековим вивантаженням осаду типу НОГШ-325 або ФПАК-М. Промивні води йдуть в каналізацію.

Завантажене в реактор ВКВ змішують з водою, отриманою від промивання гіпсу, нагрівють і поступово додають сірчану кислоту. Реакційну масу фільтрують, осад (гіпс) промивають гарячою водою, а розчин винної кислоти випаровують у вакуум-апараті в два рази з проміжним очищенням розчину.

Очищають розчин від сполук заліза, міді, свинцю, фарбуючих речовин в окремому реакторі. Шлам відфільтровують, потім осаджують гідротартрат калію, фільтрують, розчин винної кислоти випаровують у вакуум-апараті, кристалізують, кристали відділяють і промивають. Перший матковий розчин упарюють, кристалізують, кристали відділяють і промивають; другий матковий розчин переробляють аналогічно.

З третього маткового розчину отримують неочищені кристали, четвертий матковий розчин повертають в розщеплювач (основний розчин винної кислоти).

Основну масу неочищених кристалів в міру їх накопичення розчиняють у воді, розчини очищають, кристалізують, кристали відділяють і промивають Усі товарні кристали сушать до стандартної вологості [9].

3.   Обґрунтування вибору конструкції реактора-змішувача

Реактор-змішувач має відповідати наступним вимогам: мати необхідний робочий об’єм, забезпечувати задану продуктивність і визначений гідродинамічний режим руху речовин, створювати поверхню контакту фаз, що вимагається, підтримувати необхідний теплообмін в процесі і т.д.

Змішувачі при розрахунках та проектуванні розглядаються як агрегати, що складаються з окремих нормалізованих елементів (рисунок 3.1): корпус 1 з теплообмінною сорочкою 2, перемішуючого пристрою 3, привода перемішуючого пристрою 4.

ГОСТ 20680-75 передбачає 10 типів виконання вертикальних апаратів з перемішуючими пристроями, які відрізняються формою кришки і днища, та конструкціями мішалок [10].

Рисунок 3.1 - Схема реактора - змішувача

- корпус; 2 - сорочка; 3 - перемішуючий пристрій; 4 - привід перемішуючого пристрою; 5 - кришка

Усі фізико-хімічні процеси, що здійснюються в хімічних апаратах, насамперед, вимагають наявності ємності, обмеженої корпусом. Ці корпуси за умовами процесів, що протікають у них, повинні бути досить міцними і у переважній більшості випадків герметичними [11].

Проста сорочка виготовлена із частин, що відповідають циліндричним обичайкам та днищу і являє собою канал, яким рухається теплоносій [12].

Змішувач, призначений для приготування розчинів: апарат вертикальний циліндричний з сорочкою, еліптичною кришкою і днищем.

Надає рух мішалці мотор-редуктор, розташований зверху апарату. Кришка реактора еліптична закривається герметично. Привід, вмонтований над кришкою і з’єднаний механічно із валом за допомогою фрикційних муфт є стандартизованим [11].

Мішалка розміщена на вертикальному валу. Обертаючись із значною кутовою швидкістю, вона створює потужні радіальні потоки за рахунок тертя шарів рідини об поверхню мішалки. Цим досягається бажаний ступінь турбулізації розчину у апараті.

Вибирають мішалку залежно від цільового призначення рідкої системи і фізико-механічних характеристик і властивостей її компонентів. В основному на вибір мішалки впливають об’єм системи, її в’язкість та густина, наявність дисперсійної фази та її концентрація в системі [3].

Механічне перемішування рідин здійснюють лопатевими, пропелерним, турбінними і спеціальними мішалками.

Лопатеві мішалки застосовують для перемішування рідин з невеликою в'язкістю до 0,01 кг/(м/с), розчинення і суспендування твердих речовин з малою питомою масою, а також для грубого перемішування рідин в'язкістю менше 2 кг/м ³. Ці мішалки не придатні для швидкого розчинення, тонкого диспергування та отримання суспензій, що містять тверду фазу з великою питомою вагою. Вони ефективно використовуються для операцій розчинення і теплообміну.

Пропелерні мішалки застосовують для інтенсивного перемішування малов'язких рідин, приготування суспензій та емульсій. Пропелерні мішалки не придатні для досконалого перемішування рідин значною в'язкості (більше 0,06 кг/(м·с)) або рідин, що включають тверду фазу великої питомої маси.

Турбінні мішалки застосовують для інтенсивного перемішування рідин з в'язкістю до 1,0 кг/мс для мішалок відкритого типу і до 5,0 кг/(м·с) для мішалок закритого типу; для тонкого диспергування, швидкого розчинення або виділення осадів у великих обсягах (5-6 м ³).

 Спеціальні мішалки застосовують у випадках, коли непридатні лопатеві, пропелерні і турбінні. Так, для перемішування дуже в'язких рідин і пастоподібних матеріалів використовують так звані стрічкові мішалки, які при обертанні очищують стінки реактора від налипання реакційної маси [13].

Отже, для даного процесу доцільно використати змішувач з таким перемішуючим пристроєм, як лопатева мішалка. Ця конструкція проста, дешева, найкраще відповідає вимогам для ефективного розчинення та перемішування розчину мінеральної солі невеликої в’язкості та концентрації.

При виборі матеріалів для апаратів, що працюють під тиском при низьких і високих температурах, необхідно враховувати, що механічні властивості матеріалів істотно змінюються в залежності від температури. Як правило, властивості міцності металів і сплавів підвищуються при низьких температурах і знижуються при високих.