Розділ 2
Розробка Моделей в задачах автоматизованого управління брагоректифікаційною
установкою
2.1. Концептуальний опис процесів брагоректифікації
2.1.1. Короткий опис технологічного процесу брагоректифікації
Процеси, які протікають в брагоректифікаційних установках мають на меті
виділення легколетючого компоненту – етилового спирту з браги. Виділення спирту
досягається багаторазовим випаровуванням і конденсацією в колонах БРУ. При
синтезі системи управління на основі сценарного підходу базовим варіантом
брагоректифікаційної установки була обрана трьохколонна установка, яка
складається з трьох колонн, а саме бражної колони БК, епюраційної колони ЕК,
ректифікаційної колони РК [2] (рис.2.1).
Рис. 2.1. Спрощена принципова технологічна схема трьохколонної прямоточної БРУ
непрямої дії
Перед тим, як розглянути процес з математичної точки зору та розпочати
вирішення комплексу поставлених задач, необхідно розглянути короткий опис
процесу з технологічної сторони [1-7].
Процес брагоректифікації розпочинається з того, що бражка при певній
температурі з бражного відділення через підігрівач бражки, де вона
підігрівається до температури (температура кипіння бражки ), подається на
верхню тарілку БК. Пари, що піднімаються з бражної колони, віддають тепло
бражці і частково конденсуються в підігрівачі, а частина, що не
сконденсувалась, конденсується в дефлегматорі-конденсаторі, який охолоджується
водою. Після БК отримуємо бражний дистилят. БК працює з флегмовим числом, що
рівне нулю. Утворений вторинний продукт-барда виводиться з нижньої частини БК
за допомогою бардо регулятора, який забезпечує постійний рівень рідини в
нижній(кубовій частині) колони. В барді, що виводиться, вміст спирту не повинен
перевищувати об.
Після БК бражний дистилят з температурою близькою до температури кипіння
надходить на тарілку живлення ЕК(як правило 20-ту тарілку). В верхній частині
ЕК здійснюється концентрування головних домішок – ефіро-альдегідної
фракції(ЕАФ), а в нижній частині здійснюється виділення епюрату(очищеного від
ЕАФ бражного дистиляту). Епюраційна колона працює з флегмовим числом, що
дорівнює 40-100. ЕАФ має до об. етилового спирту. Частина ЕАФ виводиться після
конденсатора як кінцевий продукт, а інша разом з флегмою, що надходить з
дефлегматора ЕК, подається на верхню тарілку колони.
В процесі брагоректифікації вихід ЕАФ біля , а сивушних масел від об’єму
отриманого спирту ректифікату.
Отриманий після ЕК епюрат самотоком направляється на тарілку живлення (РК)
(16-та тарілка, якщо рахувати знизу). Тарілка живлення ділить РК на дві
частини: відгінну та концентраційну. Спирт - ректифікат відбирається з верхніх
тарілок (2, 4, 6, якщо рахувати зверху). В свою чергу збагачена етиловим
спиртом флегма з дефлегматора подається на верхню тарілку РК. Флегмове число, з
яким працює РК змінюється в межах 3,5 - 4,5. Частина нестандартного спирту, що
конденсується в конденсаторі парів з РК повертається в ЕК, а інша частина
подається в РК. З точки зору вимог до процесу брагоректифікації втрати спирту в
лютерній воді не допускаються. Хвостові домішки-сивушні масла, які після
промивки в сивушному декантаторі виводяться як готовий продукт з нижньої
(кубової) частини колони (7, 9, 11-я тарілка, якщо рахувати знизу).
В деяких випадках в якості живлення ректифікаційних установок (РУ) (структура,
яких складається лише ЕК та РК) або БРУ (починаючи з епюраційної колони)
використовують спирт-сирець (бражний дистилят, що має вміст спирту об). В таких
випадках спирт-сирець розводять лютерною водою до вмісту спирту в суміші .
Якість спирту-ректифікату повинна задовольняти ДСТУ 4221:2003.
2.1.2. Концептуальний опис БРУ спиртового заводу як складної технологічної
системи
Процес брагоректифікації – є складною фізико – хімічною системою, що має
подвійну детерміновано – стохастичну природу, змінні в просторі і в часі.
Потоки, які в них приймають участь, як правило, багатофазні та
багатокомпонентні. В ході перебігу процесу в кожній точці фази та на границях
розділеннях фаз проходить переніс, енергії та маси. Весь процес в цілому
протікає в апараті з конкретними геометричними характеристиками, що впливають
на характер протікання процесу.
Суттєва особливість процесу ректифікації складається з того, що сукупність
складових його явищ носить детерміновано-стохастичну природу, що проявляється в
накладенні стохастичних особливостей гідродинамічної обстановки в апараті на
процеси масо-теплообміну та хімічних перетворень. Це пояснюється випадковими
взаємодіями складових компонентів фаз, або випадковим характером геометрії
граничних умов в апараті.
Подібного роду система характеризуються надзвичайно складною взаємодією фаз та
компонентів, внаслідок чого вивчення їх з позицій класичних детермінованих
законів переносу та збереження є неможливим.
Ключ до вирішення цієї проблеми дає метод математичного моделювання, що
базується на стратегії системного аналізу, та теорії самоорганізації, що
досліджує процеси утворення складних структур в процесі міжфазного переносу та
нерівноважних фазових переходів. Такий підхід дозволяє вирішити проблему з
підвищення якості та ефективності управління БРУ. На даний час ця проблема є
актуальною і потребує подальших досліджень.
На початковому етапі розробки автоматизованої системи управління БРУ необхідним
є розгляд комплексу математичних моделей, які відображають статику та динаміку
процесів брагоректифікації. Такий підхід дозволить здійснити дослідження
процесів брагоректифікації шляхом комп’ютерного експерименту та розробку
програмної підсистеми