15.14 Енергозбереження в процесі перегонки та ректифікації спирту

Рекуперативне (екстенсивне) енергозбереження поряд з ізоляцією теплоспо-живаючого технологічного обладнання знайшло широке впровадження у процесі брагоректифікації. З цією мстою використовується теплота водно-спиртової пари бражної колони (БРУ непрямої дії), спиртової та епюраційної колони (ЕРУ з елеме­нтами під вакуумом, прямої та напівпрямої дії), а також барди для нагріву бражки в установках прямої та напівпрямої дії.

Слід відзначити, що резерви екстенсивного енергозаощадження практично ви­черпані. Подальше зниження енергоємності виробництва знаходиться в області ін­тенсивного енергозаощадження.

На шляху переходу від екстенсивних способів заощадження енергоносіїв до інтенсивного енергозаощадження найбільший ефект досягається при комплексно­му підході до вирішення енергетичних проблем, які базуються на реалізації енерго­зберігаючих мало- та безвідходних технологій.

Інтенсивне енергозбереження відкриває широкі можливості багатократного зни­ження витрат первинних джерел енергії, забезпечує суттєве зменшення викидів продуктів згоряння в атмосферу, стимулює безвідходне використання сировинних ресурсів, виступає як фактор глибокої нейтралізації шкідливого впливу виробни­чих об'єктів на навколишнє середовище.

Найбільш енергоємним у спиртовому виробництві є процес брагоректифікації.

Розробки інтенсивного енергозаощадження для цього процесу в останні роки проводяться за трьома основними напрямами:

1. - ступеневе використання теплової енергії в низці технологічних апаратів, які пов'язані між собою технологічними потоками;

2. - утилізація низькопотенціальної теплоти вихідних з технологічної системи матеріальних потоків за допомогою теплового насоса замкненого циклу;

3. - підвищення температурного потенціалу вторинної пари за рахунок її реко- мпресії (тепловий насос відкритого циклу).

15.15 Брагоректифікацшні установки зі ступеневим використанням теплової енергії

Використання декількох ступенів тиску для багаторазового ступенево-послі-довного використання теплоти гріючої пари вперше було запроваджено у 1843 році у цукровій промисловості. Багатоступеневі випарні установки зменшують витрати первинної енергії за рахунок використання теплоти конденсації вторинної пари попереднього корпусу для обігріву наступного.

Використання багатоступеневих випарних установок зараз є класичним вирі­шенням питання енергозбереження.

Значно складніші справи з використанням декількох ступенів тиску в процесі ректифікації. У даному випадку маємо справу не з водяною парою, яка відрізняєть-

420

ся стабільними термодинамічними властивостями, а з водно-спиртовою парою, яка змінює свої характеристики у широких межах в залежності від концентрації спир­ту та інших летких домішок. Крім того, високі значення фізико-хімічної депресії між киплячою водно-спиртовою рідиною та її насиченою парою вимагають ство­рення досить високих перепадів тиску у пов'язаних між собою тепловими потока­ми колонах.

Найбільш простим способом зниження витрат пари при брагоректифікації є використання установок прямої дії (рис. 15.22). Особливістю установки е двократ­не використання всієї теплоти гріючої пари, що надходить до бражної колони. Піді­гріта у дефлегматорі спиртової колони та бражному підігрівачі спиртова бражка, піддається епюрації за рахунок водно-спиртової пари, що надходить з бражної ко­лони до епюрацїйної. Особливістю спиртової колони є наявність тільки концентра­ційної частини та живлення її водно-спиртовою парою з бражної колони. Епюрова-на бражка та флегма зі спиртової колони потрапляє на верхню тарілку бражної ко­лони та після звільнення від спирту виводяться з установки одним потоком. Дво­кратне використання теплоти гріючої пари дає можливість знизити її витрати на процес на 35... 40%.

Недоліком установки є можливе погіршення якості спирту при переробці де­фектного зерна, викликане прямим зв'язком бражної та спиртової колон, а також розведення барди лютерною водою.

У ВИДІ харчової біотехнології розроблена та знайшла впровадження на ряді спиртових заводів БРУ напівпрямої дії (рис. 15.23). Відмінною особливістю уста-

421

Рис. 15.23 БРУ напівпрямої дії.

Колони: 1 - бражна; 2 - епюраційна; 3 - спиртова; 4 - підігрівам бражки; 5 - конденсатор; 6 - дефлегматор; 7 - кип'ятильник; 8 - піновловлювач

новки є попередня епюрація бражки та використання водно-спиртової пари, що виходить з бражної колони для обігріву епюраційної колони.

До установок напівпрямої дії треба віднести БРУ, розроблену в НУХТ під ке­рівництвом проф. Маринченка В.О. та запроваджену на Вузлівському спиртзаводІ (рис. 15.24), в якій передбачене двостадійне використання теплоти. Обігрівання епюраційної колони здійснюється парами бражного дистиляту. Водно-спиртова пара з бражної колони потрапляє до кип'ятильника епюраційної колони, де, перш за все, конденсуються компоненти, які мають температуру конденсації вище, ніж в етано­лу. Несконденсовані водно-спиртові пари з температурою 86...88° С надходять до бражного підігрівана, де остаточно конденсуються. У результаті конденсат, що ви­ходить з бражного підігрівана, більш концентрований за спиртом, ніж пара, яка надходить з бражної колони до кип'ятильника епюраційної, завдяки чому створю­ється перепад температур, що забезпечує кипіння у кубі епюраційної колони.

Використання установок наиівпрямої дії знижує витрати пари та води на бра­го ректифікацію приблизно на 20... 25%.

На рис. 15.25 наведено схему установки з трьома ступенями тиску, розробле­ну Стабниковим та Степанцем. Бражна колона працює під абсолютним тиском 220 кПа, епюраційна - 125 кПа, а ректифікаційна та сивушна - 470 кПа. У даній схемі економія тепла складає біля 40%.

Теплота конденсації водно-спиртової пари однієї колони для обігріву іншої широко використовується в деяких закордонних БРУ.

422

Рис. 15.24 БРУ системи НУХТ та Вузлівського спиртового заводу.

Колони: 1 - бражна; 2 - епюраційна; 3 - спиртова; 4 - підігрівач бражки;

5 - сепаратор СО2; 6 - кип'ятильники

В установці фінської фірми "Розенлев" (рис. 1.26) гріюча пара вводиться тіль­ки до бражної та спиртової колон. Обігрів колон брагоепюраційної та епюраційної (частково) та остаточного очищення проводиться за рахунок теплоти конденсації пари, що виходить з бражної та спиртової колон. Для забезпечення двократного використання теплоти у бражній та спиртовій колонах підтримується надлишко­вий тиск 50 кПа. За даними фірми, витрата пари складає 43 кг/дал.

Серед нових схем БРУ за кордоном заслуговує на увагу установка фірми "Фо-гельбуш" (Австрія), в якій передбачені три ступені тиску - від максимального (у бражній колоні) до меншого (у спиртовій) та мінімальному (в епюраційній) (рис. 15.27).

Слід відзначити БРУ фірми INTER1S (Франція), яка працює за принципом пря­мої дії (рис. 15.28). Заданими фірми, витрата пари складає 26 кг/дал а. а. Вироблен­ня високоякісного спирту в залежності від сировини складає 88 - 95% від а. а. бражки.

Найбільш ефективне багаторазове використання теплоти може бути здійснено при роботі окремих колон під вакуумом, що дає можливість забезпечити в них не­обхідну для проведення процесу різницю температур.

В останні роки були розроблені та знайшли промислове впровадження БРУ з різним тиском в окремих колонах, в основному це вакуумні БРУ.

Вакуумні брагоректифікаційні установки поділяються на дві групи. До пер­шої належать установки, в яких бражна колона працює під розрідженням, та в окре-

423

мих випадках епюраційна, а їх обігрів здійснюється за рахунок теплоти конденсації водно - спиртової пари спиртової та сивушної колон (у випадку наявності остан­ньої в установці). За такою схемою працюють БРУ фірми "Спейшим", деякі уста­новки США, установка системи ВТІ.

424

425

426

Рис. 15.28 БРУ прямої дії "INTERIS"

Колони: 1 - бражна; 2 - спиртова: 3 - епюраційна; 4 - дефлегматор; 5 - конденса­тор; 6 - холодильник; 7 - сивухопромивач

До другої групи належать БРУ з вакуумуванням спиртової та еиюраційної ко­лон та обігрівом їх водно-спиртовою парою бражної колони (окремі установки США, УкрНДІспиртбіопроду, ВИДІ харчової біотехнології, НУХТ та ін.).

З технологічної точки зору робота бражної колони під розрідженням найбільш раціональна тому, що зі зниженням температури зменшується новостворення лет­ких домішок спирту, що позитивно впливає на аналітичні та органолептичні пока­зники спирту.

За енергетичними показниками друга група має перевагу, тому що у даному варіанті використовується вторинна пара більш високого потенціалу. Температура конденсації вторинної пари на виході з бражної колони 92...95° С проти 78° С у спир­товій колоні. Крім того, зі спиртової колони необхідно відводити значно меншу кіль­кість несконденсованих газів, отже зменшується витрата енергії на вакуум-насос.

На рис. 15.29 наведена вакуумна БРУ фірми "Спейшим" з чотирма ступенями тиску. До установки, окрім трьох основних колон, входять метанольна та колона розгонки головних домішок. В епюраційній колоні передбачена подача лютсрної води на гідроселекцію у кількості, що забезпечує концентрацію епюрату 10 об.%. Кількість домішок, що відбираються з розгінної колони, складає 5,0... 6,5% від вве­деного до установки спирту.

427

428

Епюраційна та спиртова колони працюють при надлишковому тиску, бражна та метанольна - при тиску 0,08 МПа та 0,09 МПа відповідно, в розгінній колоні підтри­мується атмосферний тиск. Свіжою гріючою парою обігрівається тільки епюраційна та спиртова колони; бражна та метанольна - вторинною водно-спиртовою парою, а колона розгонки домішок - парою самовипаровування лютерної води. Витрата гріючої пари не перевищує 31... 32 кг/дал спирту. На рис. 15.30 представлена БРУ системи Воронезького технологічного інсти­туту (автор Баранцев В.І.). Особливістю установки є те, що бражна колона працює при розрідженні та обігрівається вторинною парою, що регенерується у випарни-ку-дефлегматорі з конденсату гріючої пари епюраційної та спиртової колон та лю­терної води. Економія пари доеягає 40% у порівнянні з установкою непрямої дії. Крім того, зниження температури у бражній колоні зменшує вміст у бражному ди­стиляті складних ефірів, альдегідів та кислот та позитивно впливає на дегустаційні показники ректифікованого спирту. До переваг даної установки слід віднести мож­ливість вилучення цукроміцетІв безпосередньо з барди, а не з бражки перед її дис­тиляцією. Це дозволяє знизити втрати спирту при сепаруванні дріжджів та розве­денні відсепарованої бражки промивними водами. Останнє, в свого чергу, дозволяє економити гріючу пару на вилучення спирту з бражки.

Недоліком установки є те, що температура вторинної пари не перевищує 67° С, тому для її використання в якості гріючої необхідно у бражній колоні підтри­мувати досить глибоке розрідження-80... 83 кПа, що знижує експлуатаційні показ­ники установки в цілому.

Зараз на ряді спиртових заводів впроваджені брагоректифікаційні установки УкрНДІспиртбіопроду (рис. 15.31) з двоступеневим тепловикористанням, в яких передбачається робота епюраційної та концентраційної частин спиртової колони під розрідженням. Бражка нагрівається у дефлегматорі спиртової колони та в піді-грівачах бражки. Для утилізації теплоти барди застосовується пароежекція. Паро-струминним насосом 8 у випарнику 9 підтримується розрідження 0,050... 0,055 МПа, завдяки чому барда випаровується та охолоджується. Пара, одержана при випаро­вуванні барди, стискується у пароструминному насосі та використовується для обі­гріву бражної колони і підігріву бражки у бражних підігрівачах. Спиртова колона розділена на дві частини - концентраційну, яка працює при розрідженні 35...38 кПа, та відгІнну, яка працює під атмосферним тиском та обігрівається гострою парою. Багаторічний досвід експлуатації даних установок показав, що витрата гріючої пари на процес брагоректифікацІЇ складає 32... 34 кг/дал, замість 55... 60 кг/дал у БРУ непрямої дії.

Треба відзначити, що незважаючи на значну економію гріючої пари, установ­ка складна в експлуатації та потребує надійної системи автоматизації.

Співробітниками ВИДІ харчової бІотехнології розроблена вакуумна БРУ на базі установки напівпрямої дії (рис. 15.32). У наведеній схемі передбачається робо­та під вакуумом спиртової колони та обігрів її за рахунок теплоти пари бражного дистиляту та деякої кількості пари, яка пройшла відгінну частину колони.

429

430

1 — бражна колона; 2 - епюраційна колона; З - концентраційна частина спирто­вої колони; 4 - відгінна частина спиртової колони; 5 - пІдігрівач бражки; 6 - дефлегматор; 7 - вакуум-насос; 8 - ежектор, 9 - випарювач; 10 - кип'ятильник; 11 - підігрівач епюрата

Нагрівання бражки здійснюється теплотою барди, що відходить, у проміжно­му водному циркуляційному контурі. Установка повинна мати високі теплотехніч­ні властивості, але промислового впровадження вона не знайшла.

У НУХТ розроблена технологічна схема переведення типових брагоректифі-каційних установок непрямої дії на роботу під розрідженням (рис. 15.33). Бражна колона працює під тиском, близьким до атмосферного, а епюраційна та спиртова, що має тільки концентраційну частину - під розрідженням біля 50 кПа. У даному випадку типова БРУ доповнюється теплообмінником для підігріву бражки тепло­тою барди, що відходить, вакуум-насосом та спиртовловлювачем. Спиртова колона має тільки концентраційну частину. Флегма з нижньої частини спиртової колони перекачується ежектором на верхню тарілку бражної колони. Ця схема забезпечує зниження питомої витрати пари на 45... 50% при мінімальних витратах на пере­оснащенні типових БРУ.

Незважаючи на значну економію гріючої пари, згадані установки не знайшли широкого впровадження. Крім того, відсутній об'єктивний метод термодинамічної оцінки БРУ, який дозволяє обгрунтовано підійти до їх вибору.

За кордоном усе більше розповсюджуються теплонасосні установки, що до­зволяють досить ефективно використовувати низь ко потенціальну теплоту матеріа­льних потоків, які відходять з технологічної системи.

431

432

Рис. 15.33 Вакуумна установка непрямої дії (НУХТ).

Колони: І - бражна; 2 - епюраційна; 3 - спиртова; 4 - підігрівам бражки;

5 -дефлегматори; 6 - конденсатори, 7 - спиртовловлювач; 8 - вакуум-насос;

9 - ежектор