Виділення сивушного масла

Сивушне масло - побічний продукт спиртового виробництва, це суміш спир­тів (мас. %): 45...65 амілового, 15...25 Ізобутилового, 0,5...2 н-бутилового, 2...15 н-пропілового. 3...15 етилового. Крім того, в товарному сивушному маслі міститься 8...15 мас. % води й 0,5...4,0 мас. % інших органічних сполук (кислот, альдегідів, амінів та ін.). Сивушне масло виділяють з сивушної фракції обробкою ЇЇ водою, при цьому одержують дві рідкі розшаровані фази: сивушне масло (рафінат) і екст­ракт, що складається з екстрагента (води) з вилученим з вихідної суміші етиловим спиртом.

Сивушне масло (ГОСТ 17071 -91) за зовнішнім виглядом - прозора рідина, що при збовтуванні не мутніє; колір від світло-жовтого до черво но-бурого; запах, вла­стивий сивушному маслу без сторонніх запахів; відносна густина 0,837, показ­ник заломлення 1,395; має витримувати пробу на чистоту з сірчаною кислотою. У період від початку перегонки до досягнення температури 120° С має переганятися не більше 50 % від об'єму сивушного масла.

261

Відбір сивушної фракції звичайно складає 2...4 об. % від спирту, введеного до спиртової колони; вміст етилового спирту в ній 5...40 об. % і сивушного масла 10...45 об. %. Для опису процесу водної екстракції етилового спирту з сивушної фракції скористаємось трикутною діаграмою (рис. 10.44). Вершини рівностороннього три­кутника відповідають чистим компонентам: сивушне масло А, етиловий спирт В і вода С. На сторонах трикутника відкладено відсотковий вміст кожного компонен­та. Будь-яка точка всередині трикутника відповідає зумовленому складу суміші.

При змішуванні двох різних сумішей, що характеризуються, наприклад, точ­ками S і Е, одержуємо новий склад суміші, що характеризується точкою N, яка лежить на прямій, що з'єднує точки S і Е. Для знаходження співвідношення кілько­сті сумішей користуються "правилом важеля":

де G_s і G_E - відповідно маса вихідних сумішей; NE і SN - відрізки прямої або плечі важеля.

Вода, етанол й сивушне масло мають обмежене взаєморозчинення, тому на трикутній діаграмі маємо дві області: гомогенну, де всі компоненти взаємно роз­чинні, і гетерогенну, де система має дві фази: сивушне масло (рафінат) та підсиву-шний шар (екстракт). Гетерогенна область розташована нижче ізотерми розчинності RKP.

С тан ізотерми розчинності залежить від температури, з підвищенням її ізотерма розчинності розташовується нижче, гетерогенна область зменшується. На рис. 10.44 дана ізотерма розчинності при 20° С. Склад фаз (верхнього - сивушного й нижнього - підсивушного шарів) у гетерогенній області рівноважний і визначається за ізотер­мою розчинності. Лінії спряження -хорди (RP, R'P', R"P",...)-зв'язують рівноважні склади верхнього та ниж­нього шарів.

-Якщо до вихі­дної сивушної сумі­ші зі складом S до­дана вода С, то оде­ржимо суміш зі складом М', що ле­жить у гетерогенній області, й буде роз­шаровуватися, утво­рюючи дві фази -легку, зі складом R', та важку, зі складом Р'.

262

За діаграмою можна визначити не тільки склад фаз, але й їх кількісні співвідно­шення. Відносні кількості кожного шару обернено пропорційні утвореним відрізкам. Точка R, що лежить на перетині хорди RP з ізотермою розчинності, визначає склад верхнього (сивушного) шару, де знаходиться максимально граничний вміст етанолу в стандартному сивушному маслі. Тому суміш, склад якої характеризується будь-якою точкою, що лежить на лінії стику RP або нижче її, при розшаровуванні буде давати стандартне сивушне масло, а у підсивушному шарі буде мінімальна кількість сивуш­ного масла. Лінія RP називається оптимальною лінією спряження.

Склад верхнього шару в точці R такий (мас. %): сивушного масла 80, етанолу -5,6 і води 14,4, густина 0,837 і показник заломлення 1,395. Склад нижнього (підси-вушного) шару (мас. %): сивушного масла 3,6, етанолу 8,7 і води 87,7; густина 0,9810, показник заломлення 1,3425.

Із спиртової та сивушної колон звичайно відбирається сивушна фракція, склад якої відповідає точкам, що лежать вище оптимальної лінії стику RP, у зв'язку з чим виділити сивушне масло стандартної якості можна тільки шляхом водної екстрак­ції спирту з сивушної фракції,

Процес виділення сивушного масла водною екстракцією може бути організова­ний по-різному, періодично або безперервно, при одноразовому або багаторазовому змішуванні, при прямотечійному або протитечійному русі води та сивушного масла. У практиці брагоректифікації найбільшого поширення набув спосіб багато­разової промивки. Розглянемо його опис у трикутній діаграмі. Припустимо, що вихідна сивушна фракція має гомогенний склад, який відповідає точці S (див. рис. 10.44). При додаванні деякої кількості води (до гетерогенного стану) одер­жимо склад суміші, що характеризується точкою М', яка при розшаруванні утво­рює верхній шар зі складом R' і нижній - Р'. Верхній шар не відповідає вимогам стандарту на сивушне масло, отже, його треба вдруге промити водою. Для одер­жання після промивки верхнього шару стандартного сивушного масла витрату води треба вибрати з таким розрахунком, щоб суміш води й сивушного шару мала склад, що відповідає точці М, яка лежить на оптимальній лінії спряження RP. Співвідношення води та сивушного шару має бути пропорційним співвідношен­ню відрізків R'M: MC.

Розрахунки показують, що в результаті багаторазової промивки можна одер­жати більший або, принаймні, той же вихід сивушного масла при меншій витраті води у порівнянні з одноразовою. Ще більш ефективна безперервна протитечійна екстракція. Промивці піддають тільки сивушний (верхній) шар, тому попередньо належить декантувати гетерогенну сивушну фракцію.

При одноразовій промивці змішувально-відстійним або протитечійним спо­собом витрату води контролюють за густиною промивної води. Підсивушний шар має видиму (за спиртометром) концентрацію 13 об. %. Витрата води має відпові­дати зазначеній концентрації спирту в промивній воді. Якщо склад вихідної фрак­ції характеризується точкою, що лежить в області трикутника CFB, то з такої фра­кції неможливо вилучити сивушне масло шляхом водної екстракції через те, що все воно переходить до підсивушного шару.

263

Рис. 10.45 Екстрактори: В - вода; СФ - сивушна фракція; CM - сивушне масло

Схема найбільш поширеного екстрактора сивушного масла наведена на рис. 10.45, а. Сивушна фракція і вода вводяться у змішувач 1, звідки суміш через лійку 3 надходить до основної місткості 6, де розшаровується. Підсивушний шар безперервно виводиться з нижньої частитни екстрактора через гідрозатвор 7 і ски­дається до спиртової або сивушної колони. У міру накопичення сивушного шару у верхній частині місткості (в межах видимості по ліхтарю 5) його додатково два-три рази промивають водою, яка вводиться через барботер 2, і після відстоювання вер­хній шар витісняють водою через лійку 4, для чого відвід підсивушної води тимча­сово припиняють.

На рис. 10.21 зображений вузол безперервної промивки сивушного масла (за авторським свідоцтвом Циганкова П.С. та Шияна П.Л.). Він включає ліхтар для спостереження за подачею води і сивушної фракції, промивну батарею (поз. 27) й екстрактор (поз. 28). Схема екстрактора наведена на рис. 10.45, б. Сивушна фрак­ція з холодильника (поз. 22) і вода попередньо змішуються в ліхтарі до гетероген­ного стану (що визначається за зовнішнім виглядом) та надходить до промивної батареї, де за рахунок багаторазової інверсії фаз здійснюється промивка. Промита таким чином сивушна фракція надходить в екстрактор, де відбувається її протите-чійна промивка та розшарування. Через різницю густин верхній рівень сивушного масла в екстракторі завжди буде вищим рівня промивної води в гідрозатворі, що створює умови для безперервного виходу сивушного масла з екстрактора в міру його накопичення. Різниця рівнів складає 40...50 мм.

264

Важливі фактори в процесі екстракції - температура, рН середовища, сольо­вий склад промивної води. При підвищенні температури прискорюється процес розшарування, але знижується якість сивушного масла (воно утримує більше води та етанолу).

У воді для промивки сивушного масла не повинні міститися солі магнію і каль­цію, що утворюють з деякими кислотами мила, та мінеральні масла через те, що вони збільшують стійкість емульсії і перешкоджають розшаруванню сивушного масла й промивної води. Деемульгація йде краще у слабокислому середовищі (при рН 5...5,5), тому для промивки рекомендується застосовувати лютерну воду, охоло­джену до 20...35° С.

Робота екстрактора сивушного масла значною мірою залежить від складу ви­хідної сивушної фракції. При стабільному завантаженні спиртової або сивушної колон зона максимальної концентрації сивушного масла у ній практично стала, порівняно сталий і склад фракції. При відборі у паровій фазі з тарілок спиртової колони, на яких температура 96...98° С, фракція містить більше сивушного масла й менше етилового спирту, що покращує процес екстракції. Фракції, які відбирають­ся із зон з більш високими температурами, добре розшаровуються і дають сивушне масло при мінімальній витраті води на промивку.

Якщо колона не насичена сивушним маслом, то сивушну фракцію не варто відбирати до того часу, поки з цієї зони не почне виходити гетерогенна суміш кон­центрацією 25...35 об. % (за спиртоміром).

Відбирати з спиртової колони сивушну фракцію з рідкої фази треба з тарілок, де температура біля 85° С (17...21-а тарілки, рахуючи знизу), при цьому концентра­ція сивушної фракції (за спиртометром) буде становити 65... 75 об. %. Така фрак­ція, як правило, гомогенна, у ній дуже багато етанолу, вміст сивушного масла має бути не менше 0,5 від кількості етанолу.

Сивушна фракція, що відбирається з ліхтаря акумулятора типової сивушної колони (при температурі над акумулятором 92° С) може бути гомогенною, мати видиму концентрацію 70...80 об. %, містити 50...70 % сивушноого масла і 15...20 % етанолу. Після її промивки одержують високий вихід сивушного масла при малій (одно-півторакратній) питомій витраті води.

Сивушне масло після водної екстракції іноді не відповідає вимогам стандарту, тому його додатково промивають водою, обробляють кухонною сіллю або перега­няють. На більшості заводів обробка зводиться до додаткової промивки масла лю-терною водою або водою, підкисленою соляною (сірчаною) кислотою.

При пропусканні сивушного масла через шар (до 1 м) крупної кухонної солі фазова рівновага зсувається в бік зменшення води у маслі, в результаті чого покра­щуються його якісні показники (межа перегонки, густина). Перегонку сивушного масла проводять у кубі, що забезпечений поверхнею теплопередачі та конденсато­ром. Сивушне масло нагрівають до кипіння і відганяють частину етилового спирту й води. Якщо сивушне масло забруднене мінеральним маслом, то після відгонки водно-спиртової фракції переганяють і його, залишаючи в кубі мінеральне масло якнайменш летке.

265

Вихід сивушного масла на зерно-картопляних заводах звичайно складає 0,3.--0,45 % від кількості спирту, на мелясних заводах - 0,25 - 0,35 %. Знижений вихід сивушного масла на мелясних спиртових заводах пояснюється підвищеним вмістом частки пропілового спирту, який у значній кількості переходить у підсиву-шну воду і повертається в цикл ректифікації, де поступово накопичується та вихо­дить з ректифікованим спиртом або втрачається. Для мелясних спиртових заводів доцільно переглянути стандарт на сивушне масло, збільшивши межу перегонки, що дозволить зменшити втрати спирту при водній екстракції та підвищити якість ректифікованого спирту.