Оборудование для процесса ректификации спирта

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оборудование для процесса ректификации спирта

Введение

Полная колонна 1 (рис. 1, а) состоит из отгонной (исчерпывающей) и концентрационной частей, в состав которых входит дефлегматор 2 и холодильник дистиллята 3. Греющий пар подводится в нижнюю часть колонны, а вода проходит через дефлегматор и холодильник. Питание в полную колонну вводится в среднюю часть (на верхнюю тарелку отгонной части колонны). Дистиллят отводится из холодильника дистиллята.

Отгонная колонна 1 (неполная) (рис. 1, б) имеет только отгонную часть, в ней отсутствует дефлегматор 2, а питание подается на ее верхнюю тарелку. В этой колонне поступающее питание истощается низкокипящим компонентом.

Рис. 1. Принципиальные схемы ректификационных колонн: а - полная; б - неполная отгонная; в - неполная концентрационная

Концентрационная колонна 1 (неполная) (рис. 1, в) снабжена дефлегматором 2, а питание поступает под нижнюю тарелку в парообразном виде.

В полной ректификационной колонне 1 создается возможность для получения практически в чистом виде обоих компонентов разделяемой бинарной (двухкомпонентной) смеси. В неполной отгонной колонне из нижней части отводится практически чистый труднолетучий компонент, а из верхней - пар, несколько обогащенный легколетучим компонентом. Из верхней части неполной концентрационной колонны отводится практически чистый легколетучий компонент, а из нижней - остаток S, несколько обогащенный труднолетучим компонентом.

Контактное устройство - основной элемент ректификационной колонны, на котором осуществляется процесс массообмена между паром и жидкостью. Интенсивный массообмен на контактном устройстве достигается путем создания развитой поверхности контакта фаз и активной гидродинамической обстановки.

В спиртовой промышленности, как правило, применяют тарельчатые контактные устройства, на которых осуществляется последовательно ступенчатый контакт фаз. Тарелки ректификационных колонн могут быть (рис. 2): колпачковыми, сетчатыми (решетчатыми), клапанными, чешуйчатыми, ситчатоклапанными, жалюзийно-клапанными и др. Во всех случаях на тарелке удерживается слой жидкости, через который проходит пар, в результате чего осуществляется массообмен.

Простейшая одноколпачковая тарелка одинарного кипячения используется в бражных колоннах установок малой производительности (для разделения жидкостей со взвешенными частицами или способных выделять осадки). В одноколпачковой тарелке двойного кипячения барботаж происходит из под краев колпачка и воротника. Благодаря этому создаются встречные потоки пара, улучшающие контакт пара и жидкости.

Многоколпачковые (капсульные) тарелки применяют в колоннах для разделения жидкостей, не содержащих взвешенных частиц. Они имеют большой периметр барботажа и более эффективны.Ситчатые (решетчатые) тарелки с отверстиями диаметром 2,5…3,5 мм (для разгонки жидкостей, способных выделять осадки) и 8…12 мм (для разгонки жидкостей со взвешенными частицами).

В провальной тарелке (решетчатого типа) нет сливных стаканов и жидкая фаза сливается через те же отверстия, через которые поступает на тарелку пар. Тарелки изготовляются из стальных или медных листов толщиной 2,5…6 мм. Щели тарелки выполняются штамповкой или фрезеровкой с живым сечением 10…15%. Расстояние между тарелками составляет 300…600 мм. Такие тарелки применяются в бражных колоннах при перегонке паточной и зернокартофельной бражки.

Рис. 2. Тарелки ректификационных колонн: а - одноколпачковая одинарного кипячения; б - одноколпачковая двойного кипячения; в - многоколпачковая; г - ситчатые (решетчатые); д - провальная; е - клапанная; ж - чешуйчатая

В клапанных тарелках распределительным устройством для пара являются клапаны (пластины той или иной формы), которые перекрывают отверстия тарелки и под давлением пара поднимаются, пропуская пар. Предельная высота подъема клапана определяется высотой ограничительного устройства. Клапанные тарелки обладают способностью к самоочищаемости. Они используются в ректификационных и эпюрационных колоннах.

Чешуйчатые тарелки относятся к группе однонаправленных, где пар и жидкость движутся в одном направлении, причем пар способствует движению жидкости. Их целесообразно устанавливать в бражных колоннах, работающих на паточной и зернокартофельной бражке. Чешуйчатые тарелки обеспечивают высокую эффективность и производительность при работе в струйном режиме, когда скорость пара в щелях превышает 12 м/с.

Работу тарелок оценивают по пропускной способности по пару и жидкости, по способности разделять рабочую смесь, по диапазону устойчивой работы, по гидравлическому сопротивлению и др. Пропускная способность по пару и жидкости характеризует производительность колонн (удельный объем конечного продукта с единицы поперечного сечения колонны).

Способность разделять перегоняемую смесь называют эффективностью контактного устройства или колонны в целом. Обычно определяют число теоретических тарелок (ступеней изменения концентраций) или число единиц переноса и по нему оценивают эффективность тарельчатых колонн.

Под теоретической тарелкой понимают такое устройство, которое обеспечивает контакт пара и жидкости, в результате покидающие его потоки, достигают фазового равновесия. Практически на реальных тарелках такое равновесие почти никогда не достигается. Теоретическая тарелка служит эталоном для установления эффективности реальных тарелок.

1. Брагоперегонные установки

В спиртовой промышленности применяются брагоперегонные установки двух типов - одноколонные и двухколонные (рис. 3). В одноколонной установке бражка, предварительно подогретая в дефлегматоре 4, поступает на верхнюю тарелку колонны 1. Нижняя часть колонны называется бражной, куда снизу подводится греющий пар. Из бражной колонны водно-спиртовые пары направляются в нижнюю часть спиртовой колонны 2; здесь пары укрепляются. Из колонны 2 укрепленные пары поступают в межтрубное пространство дефлегматора 4.

Конденсируясь, пары отдают теплоту бражке, протекающей в трубах дефлегматора. Конденсат водно-спиртовых паров возвращается в колонну 2 в виде флегмы. Несконденсировавшиеся пары направляются в холодильник 5, где они конденсируются и образуют спирт-сырец. Спирт-сырец содержит не только воду и спирт, но и другие летучие продукты, входящие в состав бражки.

Рис. 3. Принципиальные схемы брагоперегонных установок

В двухколонной установке подогретая в дефлегматоре 4 бражка поступает в бражную колонну 7, где из бражки испаряется спирт. Водно-спиртовые пары через ловушку 6 попадают во вторую колонну. В ловушке отделяется жидкость, увлеченная парами; отсюда она возвращается в колонну 1. Верхняя часть колонны 2 служит для укрепления паров спиртом; нижняя часть колонны 3 предназначена для истощения (вываривания) стекающей флегмы, откуда отводится лютерная вода. Таким образом, в этой установке из бражки и флегмы спирт испаряется раздельно, вследствие чего повышается концентрация сухих веществ в барде.

Гидравлический предохранитель 6 предотвращает образование в колонне вакуума. Жидкость из пробного холодильника поступает в сборник 3.

Колонна изготовляется из меди. При приемке она испытывается под давлением 0,1 МПа.

Техническая характеристика одноколонной брагоперегонной установки: производительность при переработке бражки крепостью 7,5 об.% - 500 дал/сут; избыточное давление - до 0,05 МПа; средняя температура, - 100°C; общее число тарелок - 27; в том числе в укрепляющей части: многоколпачковые - 7; ситчатые - 2; в истощающей части одноколпачковые - 18; диаметр колонны (внутренний) - 700 мм; высота колонны - 8240 мм.

Горизонтальный дефлегматор (рис. 4) состоит из двух барабанов 1. Он имеет две трубчатые многоходовые поверхности охлаждения 2. В одной из них по трубам протекает бражка, в другой - охлаждающая вода. Бражка и вода делают в дефлегматоре несколько ходов, что обеспечивается соответствующим расположением перегородок в распределительных коробках.

Рис. 4. Двухбарабанный горизонтальный дефлегматор

Для направления потока пара в межтрубном пространстве дефлегматора установлены поперечные перегородки. Бражные трубы дефлегматоров изготовляют из меди, водяные трубы - из стали. Дефлегматор испытывают гидравлическим давлением 0,4 МПа для трубного пространства и 0,15 МПа для межтрубного пространства. Корпус дефлегматора, коробки, крышки, решетки, фланцы, патрубки и трубы водяной секции изготовляются из углеродной стали; трубы бражной секции - из меди; обечайки, фланцы, днище и решетки - из стали.

Техническая характеристика дефлегматора двухбарабанного горизонтального: диаметр (внутренний) барабана - 600 мм; длина - 3465 мм; общая площадь поверхности теплообмена - 32 м²; масса - 495 кг.

Рис. 5. Комбинированный холодильник для спирта-сырца

Комбинированный холодильник (рис. 5) предназначен для конденсации и охлаждения спирта-сырца в верхней части I имеет прямые медные трубы, по которым движется вода; в нижней части холодильника II установлены медные змеевики. Вода поступает сначала в нижнюю часть холодильника и омывает наружную поверхность змеевиков, затем она направляется в межтрубное пространство верхней части. Трубы змеевиков имеют малое сечение, поэтому скорость конденсата в них и коэффициент теплопередачи значительны.

Техническая характеристика комбинированного холодильника для спирта-сырца: диаметр внутренний - 600 мм; высота - 3806 мм; площадь поверхности охлаждения трубной части - 20 м², змеевиковой части - 5 м²; масса - 1037 кг.

2. Брагоректификационные установки непрерывного действия

Брагоректификационные установки предназначены для получения спирта-ректификата непосредственно из бражки. Брагоректификационные установки непрерывного действия являются основным типом оборудования для выделения и очистки спирта на предприятиях спиртовой промышленности. Бражка в этих установках разделяется на спирт-ректификат, эфироальдегидную фракцию, сивушное масло и барду. В них же отбираются промежуточные продукты (сивушные спирты).

Брагоректификационные установки бывают прямого, полупрямого и косвенного действия.

Рис. 6. Принципиальная схема брагоректификационной установки прямого действия

Рис. 7. Принципиальная схема брагоректификационной установки полупрямого действия

В установках прямого действия (рис. 6) эпюрации (выделению головных примесей) подвергается бражка. Бражка представляет собой слабоконцентрированный раствор спирта и примесей. При низких концентрациях спирта коэффициенты ректификации примесей имеют большие значения; следовательно, их удаление будет более интенсивным.

Установка состоит из эпюрационной колонны 3 с концентрационной частью 4 и ректификационной колонны 9, в состав которых входят дефлегматоры 5 и 7, а также конденсаторы 6 и 8. Бражка поступает в бражную колонну 1. Здесь из бражки выделяются этиловый спирт, хвостовые примеси и остатки головных и промежуточных примесей. Основную массу паров из бражной колонны 1 направляют в ректификационную колонну 9. Некоторая часть паров из бражной колонны 1 поступает в эпюрационную колонну 3 для ее обогревания. Для этой цели служит труба 2, снабженная дроссельным клапаном. Количество пара, поступающего в эпюрационную колонну, регулируется дроссельным клапаном. Хвостовые и промежуточные продукты, а также остатки головных продуктов отбирают в ректификационной колонне. Ректификат отводят в жидком виде с одной из верхних тарелок ректификационной колонны.

Рис. 8. Принципиальная схема брагоректификационной установки косвенного действия

В установке полупрямого действия (рис. 7) бражка, не подвергаясь предварительной эпюрации, поступает непосредственно в бражную колонну 1. В этой колонне выделяются спирт и все примеси. Пары направляются через ловушку-сепаратор 3 в эпюрационную колонну 2 с концентрационной частью 4, дефлегматором 5 и конденсатором 6, где из них выделяются головные примеси.

Очищенный от головных примесей спирт, содержащий хвостовые и промежуточные примеси (эпюрат), в жидком виде поступает в ректификационную колонну 9, снабженную дефлегматором 8 и конденсатором 7. Отбор спирта-ректификата, сивушного масла и промежуточных продуктов производится так же, как и в аппаратах прямого действия.

В установках косвенного действия (рис. 8) водно-спиртовые пары, поднимающиеся из бражной колонны 7, полностью сгущаются в дефлегматоре 2 и конденсаторе 3, после чего в жидком виде поступают на эпюрацию в эпюрационную колонну 4 с дефлегматором 5 и конденсатором 6.

Эпюрат направляется в ректификационную колонну 9, снабженную дефлегматором 8 и конденсатором 7, где выделяются промежуточные продукты, сивушное масло и спирт-ректификат. Данная установка принята как типовая из-за высоких эксплуатационных показателей.

Общий расход теплоты Q_общ (кДж/ч) определяется из теплового баланса ректификационной колонны

,

где: r_д - теплота парообразования смеси, кДж/кг (r_д = 850 кДж/кг); с_к, с_р и с_д - соответственно удельные теплоемкости кубового остатка, поступающего на ректификацию раствора и дистиллята, кДж/(кг·К) [с_к = 4,19 кДж/(кг·К); с_р = 4,31 кДж/(кг·К); с_д = 3,6 кДж/(кг·К)]; t_к, t_р и t_д - соответственно температуры кипения кубового остатка, поступающего на ректификацию раствора и дистиллята, °C (t_к = 95°C; t_р = 87°C; t_д = 78°C).

Потери теплоты Q_п (кДж/ч) принимают в количестве 3…5% общего расхода теплоты

,

Тогда .

Расход греющего пара D (кг/ч) определяют по формуле

,

где: i" и i' - энтальпии греющего пара и конденсата, определяемые по давлению насыщенного водяного пара, кДж/кг (i" = 2730 кДж/кг и i'=558,9 кДж/кг).

3. Установки для получения абсолютного спирта

Абсолютный спирт вырабатывают в небольших количествах для промышленности органического синтеза и для лабораторных работ. Абсолютный спирт образует устойчивые смеси с бензином и в ряде стран его используют как добавку к моторному топливу.

Спирт можно абсолютировать связыванием воды твердыми или жидкими материалами (например, негашеной известью, глицерином) и ректификацией под вакуумом или в присутствии солей, при этом азеотропная точка смещается в сторону большего содержания спирта. Эти способы получили некоторое распространение в лабораторной практике.

Рис. 9. Принципиальная схема установки для получения абсолютного спирта

В промышленности для абсолютирования обычно пользуются методом тройных нераздельно кипящих (азеотропных) смесей. Суть его заключается в следующем. К ректификованному спирту прибавляют бензол. Тройная смесь этанол-вода-бензол образует азеотропную смесь, состоящую из 19,5% (масс.) этанола, 7,4% (масс.) воды и 74,1% (масс.) бензола и кипящую при 64,85°C. Азеотропная смесь ведет себя в колонне как легколетучий компонент (ЛЛК), при охлаждении она разделяется на два слоя: верхний, состоящий в основном из бензола, и нижний - из смеси этанола и воды. При температуре 15°C в верхнем слое содержится (% масс): бензола 85, этилового спирта 13,3 и воды 1,7; в нижнем - спирта 49,7, воды 41,3 и бензола 9.

Абсолютный спирт может быть получен как из ректификованного спирта, так и непосредственно из бражки. В обоих случаях ректификованный спирт и бензол вводят в дегидратационную колонну 1 (рис. 9), в которой отгоняется тройная азеотропная смесь, содержащая большее количество воды, чем исходная жидкость. Обезвоженный спирт отводят снизу колонны. Дегидратационная колонна имеет 60…65 многоколпачковых тарелок, в том числе десять в концентрационной части, и закрытый обогрев.

Азеотропная смесь после охлаждения поступает в декантатор 3, где расслаивается: верхний слой возвращается в дегидратационную колонну, а нижний поступает в спиртовую колонну 2. Здесь спирт концентрируется и вместе с бензолом возвращается в дегидратационную колонну, а вода отводится из нижней части. Спиртовая колонна также имеет 60…65 многоколпачковых тарелок, в том числе 40…43 в концентрационной части. В установке постоянно циркулирует определенное количество бензола, который выполняет функцию переносчика воды из дегидратационной колонны в декантатор.

При получении абсолютного спирта непосредственно из бражки установку для абсолютирования связывают в единую систему с брагоректификационной установкой, в которой получают ректификованный спирт и без охлаждения сразу же вводят в дегидратационную колонну.

Расчет производительности и энергозатрат. На выработку 1 дал абсолютного спирта расходуется 15…20 кг пара, около 0,25 м³ воды и 0,01 кг бензола. Потери последнего компенсируются периодическим добавлением его в дегидратационную колонну. Предельно допустимые потери спирта при абсолютировании составляют 1% исходного ректификованного спирта. Производительность П (дал/сут) брагоректификационных установок в соответствии с инструкцией по определению мощностей рассчитывают, исходя из диаметра D (м) спиртовой колонны при выработке спирта высшей очистки: спирт ректификационнй брагоперегонный

.

При выработке спирта I сорта производительность установок увеличивается на 15%, а при выработке спирта «Экстра» снижается на 15%. Для расчета мощности по условному спирту-сырцу результат, полученный по вышеприведенной формуле, умножают на коэффициент 1,05, учитывающий спирт в побочных продуктах и потерях при ректификации. Площадь поверхности теплопередачи должна быть S (м²): при горизонтальных дефлегматорах S ? 0,04 П, при вертикальных S ? 0,028 П.

Для ориентировочных расчетов сечения отдельных колонн можно пользоваться приведенными ниже зависимостями. Для бражных колонн с 22 и более тарелками двойного кипячения:

при межтарелочном расстоянии 340 мм П = 1370D²;

при межтарелочном расстоянии 280 мм П = 1111D².

Если в бражной колонне 24 и более ситчатых тарелок, установленных на расстоянии 500 мм, П = 2065D², провальных - П = 2500D² и чешуйчатых - П = 3000D². При переработке мелассной бражки с содержанием спирта более 8 об.% производительность бражной колонны увеличивается на 5…10%.

Производительность колонн с многоколпачковыми тарелками ориентировочно может быть определена следующим образом:

эпюрационных П = 2222D²;

спиртовых при расстоянии 1400 мм П = 1500D²,

при 1400…1800 мм П = 140D²,

при 1800…2000 мм П = 1250D²;

окончательной очистки

для мелассных заводов П = 6940D²,

для зернокартофельных П = 3470D²;

сивушных колонн для разгонки головной фракции П = 6940D².

В спиртовых колоннах целесообразно устанавливать следующее число тарелок:

при D ? 1200 мм 66 (50/16),

при D = 1400…1800 мм 72 (54/18),

при D = 2000 мм 80 (60/18).

В настоящее время производят малогабаритные (высотой 1 м и диаметром 0,12 м) насадочные брагоректификационные установки производительностью 100…500 л/сут (20 теоретических тарелок). На этих установках получают спирт высшей очистки.

Контрольные вопросы

1. Что такое ректификация спирта и на какие группы (с точки зрения очистки) подразделяются примеси этилового спирта?

2. Что называется флегмой, флегмовым числом и с какой целью используют дефлегмацию?

3. Чему посвящены первый и второй законы Коновалова?

4. Какие смеси подчиняются закону Рауля?

5. Как классифицируются брагоректификационные аппараты?

6. Что является основным рабочим элементом ректификационной колонны и какие типы тарелок используются в колонных аппаратах?

7. По каким параметрам определяется температура кипящей бражки на тарелке кипения?

8. Каково назначение сепаратора и ловушки для бражной колонны брагоректификационного аппарата косвенного действия?

9. Можно ли применением перегонки под вакуумом снизить температуру кипения высокотемпературной жидкой смеси?

10. Как составить уравнения материального баланса для верхней и нижней частей ректификационной колонны непрерывного действия?

11. Как изменяется число тарелок, расход пара и охлаждающей воды в дефлегматоре с увеличением флегмового числа?

12. Какие установки более экономичны в тепловом отношении - периодического или непрерывного действия?

13. Каково устройство и принцип действия оборудования и схем установок рассмотренных в данном разделе?

14. Каковы расходные характеристики ректификационных утановок?

15. Чем отличается расчет эпюрационной и ректификационной колонн?

16. Какова техническая характеристика брагоректификационной установки косвенного действия?

17. Как рассчитывается производительность брагоректификационной установки?

18. Как определить энергозатраты на работу брагоректификационной установки?

Список литературы

1. Руднев С.Д. Технологическое оборудование предприятий пищевой промышленности. Часть I, конспект лекций [Текст]/С.Д.Руднев. - Кемерово: Кемеровский технологический институт пищевой промышленности, 1997. - 116 с.

2. Машины и аппараты пищевых производств. В 2 кн.: Учебник для вузов [Текст]/С.Т.Антипов, И.Т.Кретов, А.Н.Остриков и др.; Под ред.акад. РАСХН В.А.Панфилова. - М.: Высшая школа, 2001.

3. Кавецкий Г.Д. Процессы и аппараты пищевых производств. [Текст]/Г.Д.Кавецкий, А.В.Королев. - М.: Агропромиздат, 1991. - 432 с.

4. Машины и аппараты для переработки молока и мяса [Текст]/ А.А.Курочкин, В.М. Зимняков, Б.А.Чагин и др.; Под общ. ред. А.А.Курочкина. - Пенза: Пензенский технологический институт, 1999. - 454 с.

5. Драгилев А.И. Технологические машины и аппараты пищевых производств [Текст]/А.И.Драгилев, В.С.Дроздов. - М.: Колос, 1999. - 376 с.

6. Кретов И.Т. Технологическое оборудование предприятий бродильной промышленности: Учебник [Текст]/И.Т.Кретов, С.Т.Антипов. - Воронеж: Издательство государственного университета, 1997. - 624 с.

7. Хромеенков В.М. Оборудование хлебопекарного производства [Текст]/В.М.Хроменков.-М.: ИРПО; Изд.центр «Академия», 2000. - 320 с.

8. Ивашов В.И. Технологическое оборудование предприятий мясной промышленоости. Части I и II/[Текст]/В.И.Ивашов. - М.:, 2001-2006.

9. Сорокопуд А.Ф. Технологические линии и специальное оборудование для производства пищевых продуктов: учебное пособие [Текст]/А.Ф.Сорокопуд, С.Д.Руднев, В.В.Сорокопуд. - Кемерово: Кемеровский технологический институт пищевой промышленности, 2006. - 168 с.

Размещено на Allbest.ru