Министерство образования и науки Российской Федерации

1. Министерство образования и науки Российской Федерации • ГОУ ВПО «Московский государственный университет пищевых производств» • Алтунина Н.А. • Доклад на тему: • «Применение технологий, повышающих эффективность использования диоксида углерода в производстве сахара» • Руководитель: • Профессор,д.т.н. Алексей Романович Сапронов

2. Сатурация Сатурация - это один из этапов очистки диффузионного сока при производстве сахара, на котором происходит обработка дефекованного сока (диффузионный сок + Са(ОН)2 ) сатурационным газом ( Состав: СО2 – 35-40% , О2 -3-4%, СО-0,8-1,5%, N2 - 60-45%) . Вследствие протекающей химической реакции: Са(ОН)2 + Н2CО3 Са(СО)3 + Н2О( раствор). Са(ОН)2 Са(СО)3 (твердая фаза) образуется карбонат кальция, частицы которого, обладая положительным зарядом, адсорбируют отрицательно заряженные несахара – продукты распада РВ, красящие вещества, соли карбоновых кислот и др. , которые затем удаляются фильтрованием или осаждением. Цель сатурации: максимальный эффект адсорбции несахаров образование структуры осадка с хорошими фильтрационными и седиментационными свойствами Достижение оптимальной щелочности, когда все ионы бикарбоната переходят в карбонаты и содержание солей кальция в соке минимально

3. Осаждение карбоната кальция Механизм адсорбции несахаров в процессе карбонатации гидроксида кальция можно объяснить, исходя из физико-химических представлений (рис. а): Образуются мицеллы СаСО3, которые являются активным адсорбентом. Поверхность свежеобразовавшихся мицелл СаСО3 можно рассматривать как двойной электрический слой (рис. б) После накопления избытка мицелл СаСО3 , происходит их коагуляция , сопровождающаяся потерей части адсорбированных противоионов, но значительная часть противоионов все-таки остается внутри конгламератов и связывается с осадком необратимо. Рис. а Рис. б

4. Проблемы на сатурации • низкий процент содержания СО2 в сатурационном газе (28 – 36 %) • эффективность использования СО2 (60 – 65 %) • высокие потери СО2 в процессе сарурации (выбрасывается в атмосферу около 40%)

5. Потери в процессе сатурации При очистке сахарсодержащих растворов сатурационный газ, поступающий из известково-газовой печи с содержанием 30 – 34 % СО2, используется неполностью, а также часть гашеной извести [Са(ОН)2] остается невостребованной. При работе завода производственной мощностью 3000 тонн свеклы в сутки за сезон (100 суток), в пересчете на гашеную известь [Са(ОН)2] потери составят 320 т. Реализация такого избытка гашенной извести всегда вызывает трудности. Для повышения эффективности использования диоксида углерода, снижения промышленных выбросов в атмосферу и расхода извести в процессе производства можно применить следующие способы:

6. Первый способ:В последнее время для промышленной хемосорбции СО2 начали успешно применять моноэтаноламин NH2(C2H4OH), который сейчас почти полностью вытеснил все другие абсорбенты. Растворы моноэтаноламина являются абсорбентами диоксида углерода. Процесс хемосорбции СО2моноэтаноламином идет с образованием карбоната и дикарбоната моноэтаноламина и может быть выражен следующими реакциями:  2RNH2 + Н2О + СО2 (RNH3)2CO3; (RNH3)2CO3 + H2O + СО2 2RNH2HCO3, где R=C2H4OH. Эти реакции являются обратимыми. При температуре 35 - 45°С они идут слева направо - происходит поглощение СО2. При повышении температуры до 105° С и выше, т. е. при кипячении раствора моноэтаноламина, реакции идут справа налево - происходит выделение СО2.  Выделение диоксида углерода из насыщенного раствора моноэтаноламина при атмосферном давлении затруднено из-за неполного разложения карбоната. Поэтому на практике десорбцию СО2 ведут при температуре 110-115°С, что наиболее оптимально. 

7. Моноэтаноламин и его свойства Этаноламин  (2-аминоэтанол) — органическое соединение, представитель класса аминоспиртов, густая маслянистая жидкость, смешивается с водой во всех отношениях, обладает сильными щелочными свойствами. Брутто-формула (система Хилла): C2H7NO Формула в виде текста: H2NCH2CH2OH Молекулярная масса (в а.е.м.): 61,08 Температура плавления (в °C): 10,6 Температура кипения (в °C): 170 – 171 Плотность: 1,0159 (20°C, г/см3) Показатель преломления (для D-линии натрия): 1,4541 (20°C) Давление паров (в мм. рт. ст.): 1,68 (20°C) ПДК в воздухе рабочей зоны, мг/м3 : 1 Температура вспышки в воздухе (°C): 93 Температура самовоспламенения(°C): 450 В 1 м3 абсорбируется до 18 м3 СО2 и, после разделения этой смеси чистый СО2, выделенный из МЭА добавлять в сатурационный газ, повышая его суммарную концентрацию и таким образом интенсифицировать карбонатацию. Это позволит не только снизить расход извести на очистку сахарсодержащих растворов и ликвидировать ее избыток в конце производства, но и сократить цикл сатурации с уменьшением вместимости сатураторов. Для улавливания отработанного СО2 в сатурационном газе можно применить следующую схему:

8. Схема утилизации отработавшего сатурационного газа 1 – компрессор, 2 – охладитель – осушитель, 3 – абсорбер, 4,5 – теплообменники, 6 – десорбер, 7 – испаритель, 8 – насос, 9 – трубчатый конденсатор,10 – компрессор, 11 – стационарный сборник газа под давлением

9. Эффект извлечения СО2 составляет 95-97%. Улавливание и повторное использование отработавшего сатурационного газа дает возможность: а) значительно снизить расход известнякового камня на сахарном заводе; б) при повышении содержания СО2 в сатурационном газе повышается степень его использования Как видно из полученных данных, с увеличением концентрации СО2 в сатурационном газе до 70-75% абсорбция СО2 сахарсодержащим раствором увеличивается. Наиболее эффективно этот процесс наблюдается при концентрации СО2 в сатурационном газе в интервале 55 – 75 %. При диапазоне концентраций 30 – 50 и 75 – 85 % СО2 степень использования СО2 растет не так быстро. в) существенно повысить эффект очистки диффузионного сока за счет создания оптимальных условий для образования тонкодисперсного осадка и повышения эффекта адсорбции в условиях быстрой сатурации, которая является следствием повышения концентрации СО2 в сатурационном газе.

10. Таблица 1. Степень использования СО2 от содержания СО2 в сатурационном газе Зависимость степени использования СО2 от его содержания в сатурационном газе Степень использования СО2, % Содержание СО2 в сатурационном газе, %

11. Второй способ: Сатурационный газ, подается из газопромывателя температурой 32 – 38 ºС и содержит водяной пар в количестве, соответствующем равновесному парциальному давлению, при этой температуре. Но сатурация на сахарных заводах проводится при 85 – 88 ºС и сатурационный газ, поступая в аппарат, дополнительно насыщается паром за счет испарения влаги из сока. В результате испарения водяной пар смешивается с пузырьками сатурационного газа. При этом массовый обмен осуществляется через общую площадь поверхности сок →газ и часть контактной поверхности этих фаз занята выделяющимися парами воды, т.е. она становится недоступной для абсорбции диоксида углерода. Этим и объясняется низкое усвоение СО2 соком. Поэтому возникает необходимость предварительно насыщать сатурационный газ влагой перед подачей его в сатуратор. Тогда не будет испарения воды из сока и температура его на входе и выходе из сатуратора будет оставаться практически одинаковой. Не будет необходимости еще раз нагревать сатурированный сок перед фильтрованием.

12. Иными словами, выходу газа из оболочки пузыря в сок существенно препятствует противоположно направленный поток водяного пара, который стремится в пузырь СО2 . Но если встречный поток водного пара устранить, то можно повысить поглощение СО2 в соке. Увеличение растворимости диоксида углерода, насыщенного влагой, вследствие проведения процесса под повышенным давлением и при пониженной температуре, придает лучшие гидродинамические условия для сатурации. Это повышает коэффициент использования диоксида углерода при сатурации до 85-90%.

13. установка для насыщения сатурационного газа водяным паром до равновесного парциального давления при температуре I сатурации 1 – абсорбер; 2 – осушитель газа; 3 – сатуратор

14. В табл. 1 представлены результаты лабораторных опытов на модельной установке по сатурированию свекловичного дефекованного сока по типовой схеме и по схеме с использованием сатурационного газа, насыщенного влагой. Таблица 1. Параметры сатурационного газа в зависимости от насыщения влагой Как следует из табл. 1 , при предварительном насыщении сатурационного газа влагой эффект сатурирования повышается в 1,5 - 2 раза.

15. Третий способ: Предложен способ повторного использования отходящих газов при сатурации: отработанный газ на второй сатурации возвращается на первую. При этом экономия СО2 составляет 8…16%, а также достигается значительная экономия тепла (~0,6 кг пара/100 кг переработанной свеклы). При типовой схеме использования сатурационного газа на II сатурации с отработанным сатурационным газом терялось ~ 4000 кДж/100 кг свеклы, эквивалентное ~2,4 кг/100 кг свеклы. Отходящий газ II сатурации откачивать компрессором, водокольцевым насосом или паровым или жидкостным инжектором из аппарата и отводить на I ступень сатурации, где смешивать со свежим для полной отгазовки сока. Эффективность использования повышается за счет достаточно низкого коэффициента утилизации на второй ступени, а также из-за того, что отработанный газ уже насыщен водяными парами. • Таким образом, применение этих методов: • повысит эффективность использования СО2; • позволит значительно сократить расход извести на очистку диффузионного сока; • повысит эффект очистки и снизит себестоимость конечного продукта.

16. Спасибо за внимание!!!