9.3. Спиртовое брожение. Производство этилового спирта. Области применения. Сырье, технологическая схема.

Этанол применяют: в качестве сырья – для производства пекарских и кормовых дрожжей (белковых добавок к пищевому рациону скота), этилового эфира, этил-силикатов, каучука, и др., в качестве растворителя – в машиностроении, лакокрасочной и фармацевтической промышленности, при производстве взрывчатых веществ и др. В качестве основы спиртосодержащих напитков (только из пищевого сырья).

Сырье: растительные материалы, богатые крахмалом - клубни картофеля, зерно злаков; богатые сахаром — корни сахарной свеклы, ягоды винограда и другие плоды фруктовых растений, а также меласса (отход сахарного производства) и отходы виноделия.

МОЛОЧНОКИСЛЫЕ БАКТЕРИИ.

В спиртовом производстве используют следующие производственные культуры.

Thermobacterium cereale — это гомоферментативные, термофильные молочнокислые бактерии. Оптимальная температура их развития 49—51° С, что исключает развитие диких молочнокислых бактерий, но скорость кислотообразования малая (12—24ч).

ПЛЕСНЕВЫЕ ГРИБЫ. В спиртовом производстве используют ферментные препараты, полученные из грибов аспергиллюс оризе (Aspergillus oryzae), аспергиллюс Нигер (Aspergillus niger),. аспергиллюс авамори (Aspergillus awamori).

ДРОЖЖЕПОДОБНЫЕ ГРИБКИ. Для выращивания кормовых дрожжей используют дрожжетаодобные грибки — сахаромицеты (не образующие спор) кандида тропикалис СК-4 (Candida tropicalis), торула утилис (Torula utilis), трихоснорон (Triehospo-:ron). Эти дрожжи быстро размножаются и, кроме гексоз, используют нентозы, глицерин, органические кислоты. Они содержат около 50% белка и витамины группы А, В, D, Е, являясь очень ценным кормом для скота.

Микроорганизмы – вредители спиртового производства.

Вредителями спиртового производства являются разнообразные группы микроорганизмов, развивающиеся вместе с дрожжами, их вносят вместе с сырьем, .водой, воздухом, аппаратурой, засевными дрожжами. Некоторые из этих групп находят благоприятные условия для своего развития, при этом они расходуют сахар и выделяют вредные продукты обмена веществ, тормозящие развитие дрожжей, чем снижают выход спирта. В условиях спиртового производства встречаются следующие группы микроорганизмов.

МАСЛЯНОКИСЛЫЕ БАКТЕРИИ. Они могут попасть с поверхности зерна, картофеля, реже с засевными дрожжами и образуют очень устойчивые споры, которые способны сохранить жизнеспособность при разваривании сырья.

УКСУСНОКИСЛЫЕ БАКТЕРИИ. Эти бактерии могут попасть яз солода, засевных дрожжей. Они не образуют спор и являются строгими аэробами

МОЛОЧНОКИСЛЫЕ БАКТЕРИИ. Они являются постоянными спутниками дрожжей, могут быть занесены с солодом, картофелем, мелассой, водой, засевными дрожжами; очень спиртоустойчивы, способны развиваться даже при высоких концентрациях спирта.

СПОРООБРАЗУЮЩИЕ ГНИЛОСТНЫЕ БАКТЕРИИ — сенная палочка и картофельная Они могут попасть из солода, картофеля, меласы, воды. Эти бактерии опасны тем, что в анаэробных 'условиях накапливают нитриты, ядовитые для дрожжей.

КИСЛОТООБРАЗУЮЩИЕ БАКТЕРИИ. Это бактерии типа бациллус аеротермофилус (Вас. .aerothermophilus) и бациллус коагуланс (Вас. icoagulans), образующие термоустойчивые споры, переносят разваривание и способны развиваться в .кислой среде при рН ниже 6, накапливая .кислоты. Они попадают из картофеля и являются .крайне нежелательными.

ДРОЖЖЕПОДОБНЫЕ ГРИБКИ. Попадают из солода, оборотной воды, воздуха, засевных .дрожжей. Условия для их размножения имеются только в дрожжанках.

Технология производства этилового спирта из пищевого сырья основана на ферментативном гидролизе крахмала, содержащегося в растительном сырье, и сбраживании образующихся сахаров дрожжами в спирт. Она складывается из следующих главных процессов: 1) разваривание растительного сырья с водой с целью нарушения его клеточной структуры и растворения крахмала; 2) охлаждение разваренной массы и осахаривание крахмала ферментами солода (проращенного зерна) или культур плесневых грибов; 3) сбраживание сахаров дрожжами; 4) отгонка спирта из бражки и его ректификация.

После хранилищ из сырья удаляют примеси,затем моют в специальных аппаратах, потом измельчают на терках или молотковых дробилках (картофель).

Измельченное сырье поступает на стадию разваривания. Основная цель - полное нарушении клеточной структуры сырья и растворение крахмала. Разваривание проводится в две ступени. Основной процесс тепловой обработки протекает в аппарате первой ступени, где масса нагревается острым паром до температуры разваривания и затем доваривается (выдерживается) в перетоке по колоннам второй ступени. Режим разваривания картофеля: температура 136—138° С, продолжительность 40—45 мин; зерна — 138—140 С, 50 мин.

Так как дрожжи не содержат амилолитических ферментов, то крахмал предварительно гидролизуют ферментами солода или культур плесневых грибов. В производстве этот процесс назы-вают осахариванием, а получающийся полупродукт — осахаренной массой. Разваренная масса из выдерживателя непрерывно поступает в осахариватель, куда одновременно подается осахаривающий материал: cолодовое молоко или суспензия (раствор) ферментных препаратов. В осахаривателе поддерживают температуру массы 57—58°С при одноступенчатом и 60—61° С при двухступенчатом осахаривании. Продолжительность пребывания массы в осахаривателе не менее 10 мин, на второй ступени —2—5 мин.

Затем основное количество осахаренной массы (называемой также основным, или главным, затором) поступает на стадию сбраживания. Бродящая масса называется бражкой, а вполне сбродившаяся масса — зрелой бражкой. В настоящее время па спиртовых заводах для сбраживания главных заторов применяют непрерывнопоточный, циклический и периодический способы брожения. Сущность непрерывнопоточного способа заключается в том, что процесс брожения расчленяется на отдельные стадии, каждая из которых протекает в одном или нескольких бродильных чанах: механизированные дрожжанки (туда подаются дрожжи); взбраживатель, головные чаны и бродильные чаны.

По окончании брожения бражка подается на сепараторы, где происходит разделение бражки на два потока: дрожжевую суспензию и отсепарированную спиртовую бражку. Последняя собирается в сборнике подается в брагоректификационное отделение, а дрожжевая суспензия поступает в дрожжанку.

В настоящее время применяются непрерывно действующие многоколонные (трех и пятиколонные) брагоперегонные и ректификационные аппараты. Бражка с концентрацией спирта 8-10% об. подается на питающую тарелку бражной колонны. Освобожденная от летучих компонентов бражка, получившая название барды, вытекает из нижней части колонны. Спиртовый конденсат из бражной колонны с концентрацией 20— 30% поступает на питающую тарелку эпюрационной колонны, которая предназначена для отделения от спирта эфиров и альдегидов. Головные летучие продукты из эпюрационной колонны содержат значительные количества этилового спирта, который должен быть возвращен на ректификацию. Для этой цели служит эфирная колона. Процесс ректификации спирта осуществляется в ректификационной колонне. Освобожденный от спирта конденсат, называемый лютером, содержащий не более 0,02% этилового спирта, удаляется из нижней части ректификационной колонны. На верхних тарелках такой колонны концентрация спирта доводится до 94,0—95%. Спирт из ректификационной колонны обычно отбирается с трех-пяти тарелок, считая от верха. Присутствующие в спиртовом конденсате высшие спирты (сивушные масла) концентрируются в укрепляющей части ректификационной колонны, где концентрация спирта достигает 45—55, сивушное масло надо периодически или непрерывно выво-дить. Отобранный с верхних тарелок укрепляющей части колонны концентрированный и частично освобожденный от примесей этиловый спирт направляется в метанольную колонну, где он освобождается от метанола, а также части низкокипящих примесей.

Выход спирта из 1 т полисахаридов (из крахмала, н-р) составит 71,98 дал [1дал=10л].

Кроме главных продуктов — этилового спирта и углекислоты (часто используется для получения твердой или жидкой углекислоты); в результате сбраживания дрожжами сусла образуются различные побочные продукты: барда; лютер (послеспиртовый конденсат); высшие спирты (сивушное масло); метанол; эфирно-альдегидная фракция. В барде содержится много питательных веществ и ее скармливают животным или выращивают кормовые дрожжи.

Выпускают пищевой и технический этиловый спирт.

Пищевой спирт получают из мелассы, сахарной свеклы, картофеля, зерновых злаков. Этот спирт применяют для приготовления ликеро-водочных изделий, виноградных и плодово-ягодных вин, в производстве парфюмерных изделий и некоторых медицинских препаратов.

Технический спирт получают из этиленсодержащих газов (синтетический спирт), древесины (гидролизный спирт) и сульфитных щелоков — отхода при производства целлюлозы из древесины по сульфитному способу (сульфитный спирт). Технический спирт применяют как исходное соединение для дальнейшего синтеза и как растворитель в производство синтетического каучука, синтетического волокна, искусственного шелка, искусственной кожи, пластических масс, фото- и кинопленки, органического стекла, взрывчатых и ядовитых веществ, лаков и красок и ряда других. Всего около 150 отраслей народного хозяйства применяют этиловый спирт.

Биохимия брожения

Ферментативная диссимиляция углеводов в анаэробных условиях происходящая с выделением энергии и приводящая к образованию продуктов неполного окисления, называется 6рожением. В этом процессе акцептором водорода служат органичес­кие соединения, получающиеся в реакциях окисления, например, уксусный альдегид при спиртовом брожении); кислород в этих реакциях не участвует.

Схема химических превращений при спиртовом брожении глюкозы приведена на рис. 1.

1. Образуются фосфорные эфиры сахаров. Под действием фермента гексокиназы и адениловых кислот, являющихся доно­рами и акцепторами фосфорной кислоты, глюкоза превращается в глюкозопиранозо-6-фосфат. Адениловые кислоты в дрожжах со­держатся в виде аденозинмонофосфата (АМФ), аденозиндифосфата (АДФ) и аденозинтрифосфата (АТФ). Гексокиназа катали­зирует перенос одной фосфорной группы с АТФ на глюкозу. При этом АТФ превращается в АДФ, а остаток фосфорной кис­лоты присоединяется по месту шестого углеродного атома. Дей­ствие фермента активируется ионами магния. Подобным обра­зом происходит превращение D-фруктозы и D-маннозы. Глюкокиназная реакция определяет скорость процесса брожения.

2. Глюкозо-6-фосфат под действием фермента глюкозофосфатизомеразы подвергается изомеризации — превращению в фруктозо-6-фосфат. Реакция обратима и сдвинута в сторону фруктозо-6-фосфата.

3. Фруктозо-6-фосфат под действием фермента фосфофруктокиназы присоединяет по месту первого углеродного атома второй остаток фосфорной кислоты за счет АТФ и превращается в фруктозо-1,6-дифосфат. Эта реакция практически необратима. Молекула сахара переходит в оксоформу и становится лабильной к дальнейшему превращению, так как ослабляет­ся связь между третьим и четвертым углеродными атомами.

4. Под действием фермента альдолазы (активируемой ионами Zn²⁺, Co²⁺ и Ca²⁺) фруктозо-1,6-дифосфат распадается на две фосфотриозы — 3-фосфоглицериновый альдегид и фосфодиоксиацетон. Эта реакция обратима.

5. Между фосфотриозами происходит реакция изомеризации, катализируемая ферментом триозофосфатизомеразой. Равновесие устанавливается при 95 % 3-фосфоглицеринового альдегида и 5 % фосфодиоксиацетона.

Рис. 1. Схема спиртового брожения глюкозы

6. В индукционный период, пока в качестве промежуточного продукта не образовался уксусный альдегид, между двумя молеку­лами 3-фосфоглицеринового альдегида под действием фермента альдегидмутазы при участии молекулы воды происходит реакция дисмутации. При этом одна молекула фосфоглицеринового альде­гида восстанавливается, образуя фосфоглицерин, другая окисляется в 3-фосфоглииериновую кислоту. Фосфоглицерин в дальнейших реакциях не участвует и после отщепления фосфорной кислоты является побочным продуктом спиртового брожения.

При установившемся процессе окисление 3-фосфоглицеринового альдегида в 3-фосфоглииериновую кислоту происходит сложным путем. Вначале он превращается в 1,3-дифосфоглицериновый альдегид, присоединяя остаток неорганической фосфорной кислоты, затем под действием фермента триозофосфатдегидрогеназы в присутствии НАД окисляется в 1,3-дифосфоглицериновую кислоту. НАД, вступая в соединение со специфическим белком, образует анаэробную дегидрогеназу, обладающую способностью отнимать во­дород непосредственно от фосфоглицеринового альдегида и дру­гих органических соединений.

7. При участии фермента фосфотрансферазы остаток фосфорной кислоты, содержащий макроэргическую связь, передается с 1,3-дифосфоглицериновой кислоты на АДФ с образованием АТФ и 3-фосфоглицериновой кислоты. Энергия, освобождающаяся при окислении фосфоглицеринового альдегида, резервируется в АТФ.

8. Под действием фермента фосфоглицеромутазы 3-фосфоглицериновая кислота изомеризуется в 2-фосфоглицериновую кис­лоту.

9. В результате отдачи воды, вызываемой перераспределением внутри молекулярной энергии, 2-фосфоглицериновая кислота превращается в фосфоэнолпировиноградную кислоту, содержа­щую макроэргическую связь. Реакцию катализирует энолаза, активируемая ионами Mg²⁺, Mn²⁺, Zn²⁺.

Максимальное действие энолазы проявляется в интервале рН 5,2...5,5. При рН 4,2 молекулы энолазы агрегируются, при рН 3...4 необратимо денатурируются.

10. Под действием фермента фосфотрансферазы в присутствии ионов К⁺ остаток фосфорной кислоты передается от фосфоэнолпировиноградной кислоты на АДФ, резервируя энергию в АТФ.

11. Образовавшаяся энолпировиноградная кислота превращается в более стабильную кетоформу.

12. Под действием фермента карбоксилазы от пировиноградной кислоты отщепляется диоксид углерода и образуется уксус­ный альдегид.

13. Фермент алкогольдегидрогеназа переносит водород с вос­становленного НАД Н₂ на уксусный альдегид, в результате чего образуется этиловый спирт и регенерируется НАД.

9.4. Классификация твердых промышленных отходов. Возможность применения биотехнологических методов для утилизации и обезвреживания твердых промышленных отходов. Микробиологические и биохимические аспекты.

Твердые промышленные отходы (ТПО) представляют собой более или менее однородные продукты, которые не требуют предварительной сепарации по группам для их переработки в отличии от твердых бытовых отходов (ТБО), которые, напротив, представляют собой грубую механическую смесь самых разнообразных материалов и гниющих продуктов, отличающихся по физ., хим. и мех. свойствам и размерам.

Традиционно твердые отходы (ТО) складируются на городских свалках. Состав ТО становится все более однотипным, при этом четко просматривается тенденция увеличения объема бумаги и пластмасс на фоне снижения доли орг. и растительных материалов. Это удлиняет время стабилизации отходов на свалках. Фракция ТО, поддающаяся биодеградации, составляет до 70% от общего их количества. Процессы, происходящие с отходами на свалках подвержены действию градиентов температуры, рН, потоков жидкости, ферментативной активности и пр. В общей массе материала свалок присутствует сложная ассоциация микроорганизмов, которые развиваются на поверхности твердых частиц, являющихся для них источником биогенных элементов. Внутри ассоциации складываются разнообразные взаимосвязи и взаимодействия.

Классификация ТПО.

Правильной и рациональной считается классификация ТПО с точки зрения ФХ, биологических, биохимических и токсикологических свойств, поскольку позволяет эк. оправданно и разумно подходить к решению переработки этих отходов.

Все ТПО следует подразделить на следующие группы:

1. отходы металлоперерабатывающих производственных подразделений;

2. отходы металлургических производственных подразделений;

3. отходы стекольных и керамических производств;

4. отходы при производстве полимерных материалов синтетической химии (в том числе отходы резины и резинотехнических изделий);

5. отходы из природных полимерных материалов (отходы древесины, картона, целлюлозно-бумажные отходы, отходы фиброина, кератина, казеина, коллагена);

6. отходы отопительных систем;

7. радиоактивные отходы.

Классификация по типу ТПО.

Тип ТПО	Примечание	Примеры
Громоздкие горючие: древесина, бумага, ткань, пластмасса, резина, кожа, уличные и парковые отходы.	К категории громоздких относятся отходы такого размера, которые трудно прессовать, сжигать и т.д.	Шпалы, поддоны, шины, древесный мусор, пенопластматериалы и др.
Горючие небольшого объема: древесина, бумага, ткань, кожа, пластмасса, резина, уличные и парковые отходы.	Утилизация отходов не представляет сложности из-за размера отходов.	Обувь, молочная упаковка, уличный мусор.
Порошки: органические, металлические неорганические, неметаллические, взрывчатые.		Пестициды, химикаты, угольная пыль.
Патогенные: ткань, бумага, пластмасса, животные и человеческие отходы, оборудование.
Шламы: хлор-, бром-, фторсодержащие кислые, щелочные Способные реагировать с водой Способные реагировать с воздухом Поддающиеся гниению.	Вещества, кажущиеся твердыми на самом деле увлажненные водой или орг. жидкостями. Твердую часть следует переклассифицировать. Вещества реагируют с кислородом воздуха или водяным паром. Влажная форма любого вещества соответствующего класса.

Биодеградация ТПО.

Традиционно ТО складируются на городских свалках. Биотехнологические методы в области переработки и ликвидации ТО наиболее широко применяются для утилизации коммунальных отходов и ила из систем биоочистки стоков. При использовании анаэробной переработки отходов в больших количествах образуется ценный энергетический носитель – биогаз.

Методы переработки ТО:

1. Термическая обработка ТО – в основном сжигание. Это наиболее распространенный и технически отработанный метод промышленной переработки ТБО. «+» - уменьшение объема отходов до 10 раз. Возможность использования образующегося тепла, уменьшение риска загрязнения отходами грунтовых вод и почвы. «-» - опасность загрязнения атмосферы воздуха, уничтожение ценных компонентов, высокий % выход золы и шлака. Низкая эффективность восстановления черных Ме из шлака, сложность стабилизации самого процесса сжигания.

2. Биотермическое анаэробное компостирование (биохимический процесс разложения орг. части ТБО микроорганизмами) – 2-ой по распространению промышленный метод обработки ТБО.

3. Анаэробная ферментация с получением биогаза, образующегося при разложении орг. части отходов. Данный метод используют в тех случаях, когда имеется практическая потребность в биогазе.

4. Процессы сортировки ТО с получением ценных компонентов для их вторичного использования. Сортировка как самостоятельная операция не решает задачу санитарной очистки и не является методом оптимальной переработки ТО, т.к. выделяемые компоненты, за исключением Ме реализовать трудно. Т.о. необходимы специальные производства по их переработке.

5. Комплексы переработки ТО, сочетающие комбинацию процессов сортировки, термической и биологической обработки отходов – наиболее технологично. Объединяющим процессом при этом является сортировка, изменяющая качественный и количественный состав ТО, что почти вдвое сокращает объем отходов, которые направляются на компостирование сжигание. Сортировка стабилизирует и термический процесс. Сокращаются выбросы веществ с отходящими газами.

Если рассматривать биодеградацию ТО, то на начальной стадии деградации ТО доминируют аэробные процессы (грибы, бактерии, актиномицеты, беспозвоночные, нематоды), под их действием окисляются наиболее доступные компоненты, затем деструкции подвергаются трудно- и малоразлагаемые субстраты – лигнин, лигноцеллюлазы, меланин, танин. Исчерпание молекулярного кислорода приводит к снижению тепловыделения и накоплению углекислот, что стимулирует в микробном сообществе сначала факультативных, а затем и облигатных анаэробов. Виды, способные использовать более окисленные акцепторы электронов, получают термодинамические преимущества. В результате биодеградации образуются фильтрующиеся в почву воды и газы, содержащие соединения различных рядов, ароматические, ациклические, карбонильные всех классов веществ. Для борьбы с фильтрацией вод применяют малопроницаемые рассыпки, либо создают непроницаемые оболочки вокруг свалки или соответствующего загрязнения, а для утечки газов – преграды, наполненные гравием, траншеи, системы экстракции газов.

Анаэробное разложение твердых органических отходов разработано в основном для муниципальных, сельскохозяйственных образцов и отходов пищевой промышленности. В лабораторных условиях изучены особенности первой стадии микробиологического процесса анаэробного разложения твердых органических отходов. На этой стадии в реакторе слегка влажные отходы подвергают ферментативному гидролизу с образованием летучих жирных кислот (ЛЖК), которые на второй стадии превращаются в метан и углекислый газ с помощью других бактерий в отдельном реакторе, куда ЛЖК переносятся потоком циркулирующей жидкости. Для максимальной утилизации органической фракции твердых муниципальных отходов при анаэробной переработке с целью получения энергии (топливного газа) и удобрений для сельского хозяйства, в обрабатываемую массу не должна добавляться вода.

Ликвидация токсичных и опасных отходов.

Отдельно можно рассматривать токсичные опасные отходы. К опасным относятся тв. или комбинированные с тв. веществами отходы, которые из-за их количества, концентрации, физ., хим. или инфекционных характеристик могут повышать смертность или увеличивать число серьезных заболеваний, т.е. обуславливают значительную настоящую или потенциальную опасность для здоровья и ОС при неправильной переработке, хранении, транспортировке или размещении, т.е. при неправильном управлении ими. Также установлено четыре характеристики – воспламеняемость, корродирующая и реакционная способность, а также токсичность – как критерии при экспертной оценке степени опасности химических соединений. Токсичные отходы – канцерогенные, мутагенные, радиоактивные, хим. активные и др.

В перечень опасных отходов входят шламовые отходы и остатки, получаемые в различных отраслях промышленности: при производстве продуктов консервации древесины, производстве неорганических пигментов, производстве органических продуктов, производстве взрывчатых веществ, нефтеперегонке, это отходы черной металлургии, производства меди, свинца, цинка, шламы гальванических цехов, шламы скрубберных жидкостей, получаемых при обработке отходящих и продувочных газов коксовых печей.

Методы обезвреживания опасных токсичных отходов: Жидкие или газообразные отходы, как правило, сжигают или подвергают химической обработке (исключением является захоронение в океане). Осадки, зола или шлам, образующиеся в результате химических реакций, относят к соответствующим категориям отходов в зависимости от их состава и выбирают соответствующий метод обращения с ними, учитывая степень возможной опасности.

Химические отходы могут иметь сложный состав и поэтому особые условия обработки. Обезвреживание хим. отходов в зависимости от качественных характеристик может быть проведено без предварительной обработки (наземное размещение, подземное захоронение, спуск в поверхностные воды, сжигание) и с предварительной обработкой, заключающейся в использовании методов возможной детоксикации опасных химических отходов с последующей ликвидацией остатков любым из вышеуказанных способов.

1. Санитарное захоронение токсичных отходов. Вывоз опасных отходов с последующим размещением на специальных полигонах с учетом класса опасности – один из методов обезвреживания хим. опасных отходов. В последние годы, использование полигонов для обезвреживания опасных отходов в законодательстве развитых стран рекомендуется рассматривать как вынужденную меру, имеющую ограниченное применение для токсичных отходов. ТО перед захоронением подвергают стабилизации (цементом или инкапсуляцией полимерами (напр. полиэфиры)) или отверждению. Очень важно выбрать место свалки или полигона и материал для ограждения. Должны также учитываться: тип отходов, испарение, скорость вымывания, характеристики тв. отходов (количество, плотность, возраст, температура и вод. баланс в данном месте).

2. Биоразложение опасных органических отходов. Наряду с термическими способами (сжигание, пиролиз, плазмолиз) обезвреживания отходов распространение получают биотехнологические способы. Биоразложение – одна из наиболее быстро развивающихся отраслей индустрии переработки отходов, в том числе опасных. Технология процесса биоразложения отходов различна – в биопрудах (жидкие отходы), биореакторах (жид., пастообразные, тв.), биофильтрах (газообразные), в почве.

Механическое ослабление вредных воздействий может быть как микробиологическим, так и физ-хим. Например, отходы солей бария в основном осаждаются в виде карбонатов, за счет выделяемого микроорганизмами углекислого газа. Подвижность бария ограничивается в присутствии жирных кислот за счет образования комплексов. Радиоактивные отходы также могут быть подвергнуты микробной трансформации (³H, ⁵³Co, ⁸⁵ Sr, ¹³⁴Cs).

9.5. Импульсный, ступенчатый и циклический методы исследования структуры потоков, их сущность. Понятия: индикатор и функция отклика, требования, предъявляемые к индикатору. Кривые распределения, их графическая интерпретация.

Сущность указанных методов заключается в том, что на входе потока в аппарат вводят индикатор, а на выходе измеряют его концентрацию как функцию времени. Полученная выходная кривая называется функцией отклика системы на типовое возмущение по составу потока. В качестве индикаторов обычно используются красители, растворы солей и кислот, изотопы и др. вещества.

Индикатор должен соответствовать следующим требованиям:

– поведение частиц индикатора в аппарате должно быть подобно поведению частиц потока;

– индикатор не должен взаимодействовать со средой;

– должен легко измеряться.

В зависимости от способа подачи индикатора различают три основных метода исследования структуры потоков: импульсный; ступенчатый; циклический.

Импульсный метод.

В соответствии с импульсным методом на входе потока в аппарат, практически мгновенно, в виде дельта функции, вводят определенное количество индикатора. Тогда возмущающий сигнал и кривая отклика будут иметь следующий вид (рис. 3.2).

Если обозначить объемный расход потока через , а экспериментальную функцию отклика, представляющую собой концентрацию индикатора на выходе потока из аппарата как функцию времени t через С_э(t), то количество индикатора, время пребывания которого в аппарате изменяется от t до t + dt, составит

, (3.1)

а отношение dG ко всему количеству индикатора G выразит долю индикатора, вышедшего из аппарата за то же самое время:

Рис. 3.2. Кривая отклика на импульсное возмущение

, (3.2)

где G можно определить как

. (3.3)

Тогда, подставив значение G из уравнения (3.3) в уравнение (3.2), получим

, (3.4)

где выражение

(3.5)

задает нормированную С-кривую.

Так как поведение индикатора в аппарате идентично поведению основного потока, то выражения (3.2) и (3.4) представляют собой долю потока, время пребывания которого изменяется от t до t + dt.

Одной из основных характеристик кривой распределения является среднее время пребывания потока в аппарате,

. (3.6)

С учетом формул (3.4) – (3.6) получим

. (3.7)

Использование полученной функции отклика в натуральных значениях координат C_э(t) – t не всегда бывает удобным для расчетов, поэтому кривую отклика обычно приводят к безразмерному виду и называют С-кривой.

Здесь – безразмерное время,

; (3.8)

а – безразмерная концентрация,

, (3.9)

где – начальная концентрация индикатора в потоке,

, (3.10)

здесь – объем аппарата.

Среднее время пребывания потока в аппарате можно также представить в виде отношения объема аппарата V к объемному расходу потока,

. (3.11)

Установим связь между dR и C(). Для этого умножим и разделим правую часть уравнения (3.2) на и с учетом уравнений (3.8) – (3.11) получим

, (3.12)

где

. (3.13)

Таким образом

. (3.14)

Теперь найдем связь между . На основании уравнений (3.4 – 3.14) имеем

. (3.15)

Если построить экспериментальную кривую в нормированных координатах, то доля потока, пребывающего в аппарате в течение времени от 0 до , будет определяться по формуле

(3.16)

естественно, что

. (3.17)

Таким образом, С-кривая является характеристикой распределения элементов потока по времени их пребывания в аппарате.

Ступенчатый метод.

В соответствии со ступенчатым методом концентрацию индикатора на входе потока в аппарат меняют скачкообразно от нуля до некоторого значения (или от некоторого значения до нуля) и в дальнейшем оставляют неизменной.

Кривая отклика при этом имеет вид, представленный на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Кривая отклика на ступенчатое возмущение

Если выразить данную зависимость в безразмерных координатах , то она будет называться F-кривой, где

. (3.18)

В данном случае доля элементов потока, время пребывания которых находится в пределах от  до  + d, составит

, (3.19)

а доля элементов потока со временем пребывания от 0 до 

. (3.20)

Так как сумма всех долей жидкости в аппарате равна 1, то площадь под С-кривой равна 1 и при , т.е.

. (3.21)

Среднее время пребывания потока в аппарате

. (3.22)

Проинтегрировав полученное выражение по частям, получим

. (3.23)

Окончательно среднее время пребывания потока выразится через функцию F следующим образом:

. (3.24)

Геометрически среднее время пребывания потока соответствует площади над кривой F(t).

Циклический метод.

При циклическом методе концентрацию индикатора на входе потока в аппарат изменяют по синусоидальному закону. В этом случае функция отклика тоже представляет собой синусоиду, но имеющую другую амплитуду и сдвинутую по фазе (рис. 3.4).

С помощью циклического метода можно определить коэффициент обратного перемешивания потока. Организовать подачу индикатора подобным образом сложнее, поэтому данный метод менее распространен.

Рис. 3.4. Кривая отклика на циклическое возмущение

9.6. В реку с расходом воды 250 м /с сбрасываются сточные воды предприятия, содержащие фенол, которого нет в исходной воде, забираемой предприятием выше сброса. Какова допустимая концентрация фенола в сточных водах, если ПДК = 0,001 мг/л достигается в створе «полного перемешивания», а расход сточных вод составляет 2,1 м/с?

Дано:

Q (расход воды в реке) = 250,0м/с

q (расход сточных вод) = 2,1 м/с

Sp (концентрация загрязняющего вещества в воде водотока выше спуска) = 0,000мг/л

So (концентрация загрязняющего вещества в створе «полного перемешивания») = 0,001 мг/л

Найти:

Sст (концентрация загрязняющего вещества в сточной жидкости)

Решение:

So = (q•Sст + Q•Sp) / (q + Q)

Sст = So + Q•(So – Sp) / q = 0.001 + 250•(0,001 – 0,000) / 2,1 = 0,120 мг/л

Ответ: допустимая концентрация фенола в сточных водах составляет 0,120 мг/л.