ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССОВ МНОГОСТУПЕНЧАТОЙ ДИСТИЛЛЯЦИИ РАСТИТЕЛЬНЫХ МАСЕЛ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ ОТДЕЛЕНИЯ РАСТВОРИТЕЛЯ

УДК 664.34:66.01

АННОТАЦИЯ

В статье проанализирован процесс многоступенчатой дистилляции эмульсии растительного масла с использованием модернизированной экстракционной линии НД-1250. Сегодня в сфере производства растительного масла возникает ряд проблем, таких как повышение его выхода и снижение энергопотребления. Проведен систематический анализ термодинамики, определяющей процессы разделения бинарных смесей на основе законов Рауля, Дальтона и Коновалова. Указанные принципы позволяют улучшить перемешивание компонентов, входящих в состав эмульсии растительного масла, а также межфазное равновесие. Особое внимание уделено проблеме смешивания капель масла с парами растворителя в дистилляционных сепараторах, что негативно сказывается на энергоэффективности и качестве конечного продукта. Предложено решение этой проблемы в виде модернизации сепаратора путем внедрения в его конструкцию спиральных элементов. В ходе наших исследований предложенный спиральный аппарат устанавливается на существующий аппарат, начиная с его средней секции, при этом его нижняя часть остается открытой. Экспериментальные и теоретические исследования показывают, что оптимальный шаг спирали t=5 мм обеспечивает максимальную площадь межфазного контакта при приемлемом уровне гидравлического сопротивления. Это способствует стабилизации гидродинамики. Исследовано влияние изменения шага спирали на гидравлическое сопротивление внутри аппарата. По полученным результатам, это позволяет повысить коэффициент извлечения бензина и улучшить технико-экономические показатели предприятий по производству растительного масла. Установка спирали такого типа в дистилляционно-сепараторной колонне ускоряет процессы теплообмена, позволяет улавливать капли масла, которые в противном случае могли бы попасть в бензин, и повышает скорость регенерации растворителя. Согласно выводам исследования, оптимизация процессов дистилляции обогащает теоретические знания. Предлагаемый сепаратор со спиральными элементами обладает высоким потенциалом для внедрения в производственную практику.

ABSTRACT

This article analyzes the multi-stage distillation process of vegetable oil emulsion using a modernized ND-1250 extraction line. Today, a number of challenges arise in vegetable oil production, such as increasing its yield and reducing energy consumption. A systematic analysis of the thermodynamics governing the separation of binary mixtures based on the Raoult, Dalton, and Konovalov laws was conducted. The above principles make it possible to improve the movement of components and the interfacial equilibrium of the vegetable oil emulsion. Particular attention is paid to the problem of oil droplets mixing with the solvent vapor in the distillation separators, which negatively affects energy efficiency and the quality of the final product. A modernization of the separator by introducing spiral elements into the design is proposed as a solution to the problem. During our studies, the proposed spiral apparatus is installed on the existing apparatus starting from its middle section, with its lower part left open. Experimental and theoretical studies show that an optimal spiral pitch of t = 5 mm ensures the maximum interfacial contact area at an acceptable level of hydraulic resistance. This helps stabilize the fluid flow hydrodynamics. The effect of varying the pitch of the spiral structure on the hydraulic resistance inside the apparatus was examined. According to the results, this allows for an increase in gasoline recovery and an improvement in the technical and economic indicators of vegetable oil production plants. Installing this type of spiral in the distiller separator accelerates heat exchange processes, allows for the capture of oil droplets that might otherwise enter the gasoline, and increases the solvent’s regeneration rate. According to the research findings, the optimization of distillation processes enriches theoretical knowledge. The proposed separator with spiral elements possesses high potential for implementation into production practice.

Ключевые слова: процесс экстракции, дистилляция, равновесие жидкость-пар, давление, усовершенствованный сепаратор, спирал, угол наклона спирала

Keywords: extraction process, distillation, liquid-vapor equilibrium, pressure, improved separator, spiral, spiral inclination angle.

Введение. Разделение смесей на компоненты является одним из важнейших процессов в химической технологии, пищевой и нефтегазовой промышленности. Бинарные смеси - это системы, состоящие из двух компонентов, и их разделение на чистые компоненты является основным этапом, определяющим качество продукта и технологическую эффективность. Основная цель процесса сепарации - разделение компонентов смеси путем межфазного распределения, используя различия в их физико-химических свойствах. В этих процессах в основном применяются методы дистилляции, ректификации, экстракции, кристаллизации и мембранной сепарации.

Раствор растительного масла в бензине, полученный в процессе экстракции, называется мисцеллой. Для повторного выделения растворителя из состава мисцеллы применяется процесс дистилляции [1]. В промышленности широко распространена трехступенчатая схема процесса дистилляции. На первичном этапе процесса дистилляции мисцелла концентрируется путем выпаривания под атмосферным и избыточным давлением или под вакуумом. При этом используется тепло водяного пара, подаваемого в рубашку аппарата закрытым способом [2].

Методология исследования. На предприятиях пищевой промышленности, в частности на маслоэкстракционных заводах, дистилляции подвергаются в основном двухкомпонентные растворы, то есть бинарные смеси. Мисцелла хлопкового масла представляет собой раствор хлопкового масла в экстракционном бензине, являясь двухкомпонентной смесью, в которой компоненты полностью растворимы и смешиваемы друг с другом [3]. Эффективность процесса дистилляции зависит от фазового равновесия, описываемого законами Рауля и Дальтона. С увеличением концентрации мисцеллы парциальное давление паров растворителя над жидкостью снижается, что требует использования вакуума или перегретого водяного пара на завершающей стадии процесса. Закон равновесия жидкости и пара, открытый французским ученым Франсуа Раулем, является основой дистилляции: парциальное давление пара растворителя над раствором равно произведению давления пара чистого растворителя на его молярную долю в жидкости.

 ,                                        (1)

Согласно формуле, по мере уменьшения количества бензина и увеличения содержания масла (в конце дистилляции) отделение паров растворителя затрудняется, так как их давление пара снижается. Первый закон Коновалова представлен на рисунке 1.

Рисунок 1. Закон Коновалова (равновесие между жидкостью и паром)

Согласно этому закону, в двухкомпонентной системе паровая фаза по сравнению с жидкостью при той же температуре обогащена тем компонентом, давление пара которого выше (т.е. который кипит при более низкой температуре).

Верхняя кривая называется «линией конденсации» (или линией насыщенного пара). Нижняя кривая - это «линия кипения» (или линия состава жидкости).

Точки x₁, x₂, x₃ - это концентрации (доли) компонентов в смеси.

Отрезок a₁ – b₁ показывает, насколько сильно различаются составы жидкости и пара при определенной температуре. Закон Дальтона используется для расчета общего давления внутри дистиллятора.

Согласно закону, общее давление смеси газов, не вступающих друг с другом в химическую реакцию, равно сумме парциальных давлений каждого газа.

 .                                    (2)

Дистилляция мисцеллы на масложировых предприятиях подчиняется законам Рауля и Коновалова. Расстояние между кривыми на рисунке 1 (состояние равновесия) определяет эффективность дистиллятора. На заключительном этапе дистилляции, вследствие уменьшения доли бензина, согласно закону Рауля, давление пара снижается, что для завершения процесса требует повышения температуры или применения вакуума. Процесс дистилляции мисцеллы подчиняется законам Рауля и Дальтона [4]. Равновесие между жидкой и паровой фазами выражается первым законом Коновалова [5].

Многоступенчатая дистилляция мисцеллы в модернизированной системе НД-1250. В модернизированной системе экстракции НД-1250 процесс дистилляции мисцеллы осуществляется по трехступенчатой схеме (рис. 2). Температура кипения высококонцентрированной мисцеллы остается высокой даже при применении глубокого вакуума. В результате из-за термического разложения масла довести дистилляцию до абсолютного завершения становится невозможным. Это показывает, что при дистилляции мисцеллы практически невозможно полностью удалить растворитель. Поэтому удаление растворителя из мисцеллы проводится в два периода. Первый период - испарение бензина из мисцеллы - подчиняется всем существующим закономерностям процесса и может протекать при атмосферном давлении.

Рисунок 2. Технологическая схема трехступенчатой дистилляции мисцеллы на линии экстракции НД-1250

Технологические потоки: 1 - мисцелла, 2 - пары бензина и воды, 3 - масло, 4 - бензин и вода, 5 - водяной пар, 6 - охлаждающая вода, 7 - конденсат, 8 - шлам.

Мисцелла концентрацией 12–20% и температурой 40–60°C из сборника мисцеллы с помощью насоса через трубчатый теплообменник подается на I ступень дистилляции. При этом мисцелла поступает в трубки корпуса первичного дистиллятора. Трубки расположены тангенциально для обеспечения кругового движения поступающей мисцеллы. Упаренная до 55–60% мисцелла с температурой 60–85°C собирается в нижней части сепаратора первичного дистиллятора и насосом подается в дистиллятор II ступени, конструкция которого идентична дистиллятору I ступени. В дистилляторах обеих ступеней температура глухого пара составляет 180–200°C при давлении до 0,3 МПа.

Дистилляторы I и II ступеней работают при атмосферном давлении. Высококонцентрированная мисцелла из дистиллятора II ступени с помощью насоса через подогреватель подается в форсунки дистиллятора III ступени (5), работающего под вакуумом. Вакуум создается через конденсатор с помощью двухступенчатого парового эжектора или вакуум-насоса. Экстракционное масло, выходящее через отводную трубку, непрерывно поступает в промежуточный приемник. В промежуточном приемнике имеется поплавковый клапан-регулятор уровня, который поддерживает постоянный уровень масла. Поплавковый клапан автоматически связан с масляным насосом, который непрерывно подает готовое масло в холодильник.

Предложения и соображения. Бензин используется в качестве растворителя в процессе дистилляции растительных масел. В производстве с экономической и экологической точек зрения регенерация растворителей определяет общую эффективность предприятия. В процессе дистилляции образующиеся пары бензина разделяются на паровую и жидкую фазы (капли масла и бензин) в сепараторах перед поступлением в конденсатор. Основными параметрами регулирования в процессах сепарации являются температура, давление, концентрация смеси и соотношение «пар-жидкость». В процессе дистилляции возникают такие проблемы, как высокое энергопотребление, потери растворителя и ухудшение качества масла. На практике эти факторы необходимо уравновешивать друг относительно друга. Благодаря нашим исследованиям появилась возможность улавливать капли масла, которые в противном случае смешались бы с растворителем, путем усовершенствования устройства дистилляционного сепаратора. Ведутся практические работы по решению этой проблемы путем установки спиральной конструкции внутри усовершенствованного сепаратора [6; рис.3]. Хотя большой шаг спирали (ширина канала) увеличивает площадь поверхности, он также приводит к значительным энергопотерям (гидравлическому сопротивлению). Наиболее эффективная конфигурация наблюдается при шаге t=5 мм; в этом случае площадь поверхности максимальна, что обеспечивает наибольший потенциал эффективности обмена, после чего отношение площади поверхности к объему начинает уменьшаться.

Рисунок 3. а) Усовершенствованный сепаратор, б) спирал в) угол наклона спирала

В процессе дистилляции при кипении мисцеллы образуется большое количество паров растворителя, которые на высокой скорости уносят вверх мисцеллу в виде тонкой пленки, покрывающей внутреннюю поверхность труб, обогреваемых паром. На этом этапе пары бензина, поступающие в сепаратор, смешиваются с каплями масла, что затрудняет их разделение. Эта проблема не только увеличивает потери бензина, но и снижает эффективность теплообмена конденсатора, становясь причиной коррозии оборудования.

Заключение. При разделении жидко-паровых фаз законы фазового равновесия, описанные законами Рауля и Дальтона, играют решающую роль, объясняя, почему эффективность процесса частично зависит от давления и температуры. Законы равновесия помогают рассчитать общее давление в системе, обеспечивая эффективное отделение растворителя, улучшая процесс дистилляции и повышая качество получаемых масел. Установка спирали также способствует отделению капель масла от паров растворителя, что увеличивает количество масла, улучшает диэлектрические свойства бензина и повышает растворяющую способность растворителя в последующем цикле экстракции.

Список литературы:

1. Yusupbekov N.R. [Basic processes and apparatuses of chemical technology] / N.R. Yusupbekov [et al.]. Tashkent, Shark Publ., 2003. 640 p. (In Russ.)
2. Nechaev L.P. [Technology of food production] / L.P. Nechaev [et al.]; ed. by L.P. Nechaev. Moscow, KolosS Publ., 2005. 768 p. (In Russ.)
3. Kavetsky G.D., Vorobieva A.V. [Technological processes and production (food industry)]. Moscow, KolosS Publ., 2006. 368 p. (In Russ.)
4. Tarasov Yu.A., Koshevoy E.P. [Processes and apparatuses of food production: heat and mass transfer processes in the oil and fat industry]. Krasnodar, KubGTU Publ., 2021. 245 p. (In Russ.)
5. Sergeev A.G., ed. [Guide on the technology of obtaining and processing vegetable oils and fats]. Leningrad, VNIIZh Publ., 1975, vol. I, book 2, pp. 345–362. (In Russ.)
6. Rasulova M.I., Khamdamov A.M. Improving the Separator Design for Miscella Distillation Systems in Oil and Fat Plants Using Spiral Contact Elements. Universum: technical sciences. Moscow, IT-Publishing House, 2026. DOI: 10.32743/UniTech.2024.144.3.22271
7. Mamatkulov A.Kh., Ruzibaev A.N. [Optimization of separation and condensation processes of gasoline vapors in oil extraction production]. Nauchnyj vestnik NamGU. 2022, no. 8, pp. 114–120. (In Uzb.)
8. Derevenko V.V., Dikarev Yu.A., Sirotin A.A. [Investigation of hydraulic resistance and mass transfer in final distillers with helical-screw elements]. Izvestiya vuzov. Pishchevaya tekhnologiya. 2021, no. 4, pp. 82–87. (In Russ.) DOI: 10.26297/0579-3009.2021.4.15
9. Illarionov V.V., Kasyanov G.I. [Influence of solvent vapor humidity on dielectric properties and dissolving capacity of gasoline in extraction cycles]. Maslozhirovaya promyshlennost'. 2024, no. 2, pp. 18–23. (In Russ.)
10. Kopylov Yu.V. [Modernization of equipment for distillation of miscella in vegetable oil production]. Maslozhirovaya promyshlennost'. 2018, no. 4, pp. 22–26. (In Russ.)