4.6.4. Теоретические основы очистки спирта от летучих примесей

Для оценки летучести примесей по сравнению с летучестью этанола введено понятие «коэффициент ректификации примесей»

К_р= К_п/К_с= Рх/(ау),

где К_п= р/а — коэффициент испарения примесей, здесьаир —содержание при­месей в жидкости и паре; К_с = у/х —коэффициент испарения этанола, здесь хиу —содержание этанола в жидкости и паре.

Коэффициент ректификации показывает, на сколько увеличи­вается или уменьшается содержание примеси в паре по отноше­нию к этанолу по сравнению с жидкостью. Он позволяет в нагляд­ной форме представить поведение примеси в процессе ректифи­кации.

Коэффициенты испарения и ректификации примесей зависят от концентрации этанола в водном растворе, из которого выделя­ются примеси. Все известные примеси по летучести можно разде­лить на четыре вида: головные, хвостовые, промежуточные и кон­цевые.

К головным примесям относят те, которые обладают большей летучестью, т. е. большим коэффициентом испарения, чем эта­нол, при всех концентрациях его в растворе. Для них всегда К_р >1. К основным представителям головных примесей относят­ся уксусный и масляный альдегиды, акролеин, муравьино-этило- вый, уксусно-метиловый, уксусно-этиловый и диэтиловый эфи- ры и др.

Летучесть хвостовых примесей всегда меньше летучести спирта (Кр < 1), поэтому хвостовые примеси в смеси со спиртоводной жидкостью могут рассматриваться как ТЛК. Они будут уходить в остаток. Типичными хвостовыми примесями являются, например, уксусная кислота и фурфурол.

Промежуточные примеси обладают двоякими свойствами: при высоких концентрациях этанола они проявляют характер хвосто­вых примесей (^р< 1), при низких, напротив, — характер голов­ных примесей (Ар> 1). При определенной концентрации этанола в водно-спиртовых растворах летучесть промежуточных примесей равна летучести этанола (К_р= 1). В связи с этим промежуточные примеси в полной ректификационной колонне, где концентрация спирта изменяется от нуля до азеотропной точки, будут накапли­ваться в ее средней части, гдеJC= 1, так как ниже этой зоны про­межуточные примеси ведут себя как головные и стремятся дви­гаться вверх по колонне; выше этой зоны они ведут себя как хвос­товые и оттесняются вниз более летучим компонентом — этано-

Головные и концевые примеси (К'>1)

Изомасляно-эт иловый эфир

- Изовалерианово-этиловый эфир

Уксусно-изоам иловый эфио

0. £

3

1

а-

Концентрация примесеи

90

кso

t 70

о £ §-50

2 40 %

& 30 о

se <и

60

-Изовалерианово-изоамило- вый эфир Пропиловый эфир Изобутанол

10 STs £Изоаминал

Хвостовые и концевые примеси (К'<1)

Рис. 4.8. Шкала зон максимальной концентрации примесей и примерные эпюры концентраций их в зависимости от концентрации этанола:

1— головные; 2— промежуточные; 3— хвостовые; 4— концевые

лом. Промежуточные примеси отбирают обычно из зоны макси­мального их накопления и, как правило, в средней части полной ректификационной колонны.

Основные представители промежуточных примесей — изобу- тилкарбинол (изоамиловый), изобутанол (изобутиловый), 1-геро- панол (пропиловый) спирты, изовалерианово-изоамиловый, ук- сусно-изоамиловый, изовалерианово-этиловый эфиры.

Для концевых примесей, как и для промежуточных, характерна летучесть в локальных условиях, однако в противоположность им концевые примеси имеют коэффициент ректификации К_р >1 при высоких концентрациях спирта и К_р< 1 при низких концентраци­ях. В связи с этим концевая примесь не накапливается в середине колонны, а в зависимости от концентрации этанола идет или вверх по колонне (как головная примесь), или вниз (как хвосто­вая). Характерная концевая примесь — метанол.

На рис. 4.8 приведена примерная шкала зон максимальной концентрации отдельных примесей по высоте полной ректифика­ционной колонны и показано направление движения отдельных групп примесей в зависимости от концентрации этанола. Знание коэффициентов испарения спирта и его примесей дает возмож­ность обоснованно подойти к созданию ректификационных уста­новок для выделения спирта из бражки и его очистки от примесей путем ректификации.

4.6.5. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ БРАГОРЕКТИФИКАЦИОННЫХ УСТАНОВОК

Ректификованный спирт может быть получен из спирта-сырца или непосредственно из бражки. Из спирта-сырца ректификован­ный спирт получают на периодически или непрерывнодействую- щих ректификационных установках.

В спиртовой промышленности ректификованный спирт полу­чают исключительно из бражки, что считается экономически бо­лее целесообразным. Получение ректификованного спирта непос­редственно из бражки осуществляется на непрерывнодействую- щих брагоректификационных установках (БРУ), на которых мож­но выделить спирт из бражки и освободить его от сопутствующих летучих примесей.

В зависимости от способа включения бражной колонны в схе­му различают брагоректификационные установки прямого, не­прямого (косвенного) и полупрямого действия.

Принципиальная особенность установок прямого действия заключается в питании спиртовой колонны спиртоводным паром, выходящим непосредственно из бражной колонны. В установках прямого действия (рис. 4.9, а)теплота греющего пара использует­ся двукратно. Свежий греющий пар вводится только в нижнюю

Рис. 4.9. Принципы построения схем брагоректификационных установок:

а — прямого действия; б, в —непрямого (косвенного) действия. Колонны: / —бражная; 2 — эпюрационная; 3— спиртовая; 4—конденсатор; ГФ —головная фракция;PC— ректифико­ванный спирт; СМ — сивушное масло; обозначения А, Б, Л, П — см. рис. 4.7

часть бражной / колонны, а эпюрационная 2и спиртоваяJколон­ны обогреваются спиртоводным паром, выходящим из верхней части бражной колонны. В бражную колонну подают бражку, ос­вобожденную от головных примесей (эпюрированную), и флегму, поступающую из спиртовой колонны.

Принципиальная особенность установок непрямого (косвен­ного) действия (рис. 4.9, б) — предварительное извлечение из бражки спирта и сопутствующих ему примесей, в результате чего образуется спирт-сырец (бражный дистиллят), который в жидком виде направляется в эпюрационную колонну, а затем в спиртовую для очистки. Спиртоводный пар, выходящий из бражной / колон­ны, поступает в конденсатор 4.В эпюрационную 2колонну пода­ют спиртоводный (бражный) дистиллят, поступающий из конден­сатора 4.

Спиртоводный дистиллят в колонне 2очищается от головных примесей под действием свежего пара, вводимого в нижнюю часть колонны. Поступающий в спиртовую 3 колонну жидкий эпюрат освобождается от хвостовых и промежуточных примесей также в результате ввода свежего греющего пара.

Следует отметить, что в установках косвенного действия ко­лонны связаны между собой только жидкостными потоками, в то время как в установках прямого действия — жидкостными и паро­выми потоками.

Схема установки, изображенная на рис. 4.9, в, ближе к установ­кам косвенного действия. Единственным отличием ее является питание эпюрационной 2 колонны спиртоводным паром, выходя­щим непосредственно из бражной колонны 1, а не бражным дис­тиллятом.

Трехколонная брагоректификационная установка косвенно-пря­моточного действия.Особенность брагоректификационной уста­новки косвенно-прямоточного действия состоит в эпюрации

бражки и обогреве эпюрационной колонны водно-спиртовыми парами бражной колонны (рис. 4.10).

В верхней части бражной колонны расположено от б до 11 та­релок, на которых осуществляется эпюрация бражки (освобожде­ние от головных примесей), в нижней (отгонной) части — от 17$до 23 тарелок. Установка работает следующим образом. Бражка, на­гретая до 70—75 "С, пройдя сепаратор диоксида углерода, подается на верхнюю тарелку эпюрирующей части бражной колонны, где подвергается эпюрации за счет спиртоводного пара, поступающе­го из отгонной части бражной колонны. Спиртоводный пар с го­ловными примесями из верхней части брагоэпюрационной колон­ны конденсируется в подогревателе бражки и конденсаторах. Бражный дистиллят подается на питание эпюрационной колон­ны, как и в установках косвенного действия.

Бражка, освобожденная при эпюрации от основной массы примесей спирта, из эпюрирующей части бражной колонны пе­реходит в отгонную ее часть. Греющий пар, пройдя отгонную часть бражной колонны, делится на два примерно равных пото­ка: один поступает на эпюрацию бражки, другой — на обогрев эпюрационной колонны, предварительно пройдя через пеноло- вушку. При этих условиях 60—80 % спирта, содержащегося в бражке, отводится из верхней части бражной колонны и направ­ляется на тарелку питания эпюрационной колонны, а остальная часть в виде эпюрированного спиртоводного пара отводится в кубовую часть эпюрационной колонны. В остальном работа кос-

действия:

1, 4, 9, 13 и 16—конденсаторы; 2—сепаратор диоксида углерода; 3—подогреватель бражки;5,7, 11и 74—соответственно брагоэпюрационная, эпюрационная, спиртовая и сивушная ко­лонны; 6—пеноловушка; 8, 12, 15 —дефлегматоры; 10—напорный сборник лютерной воды. Обозначения: А, Б, В, Л, П — см. рис. 4.7;CM,PC, ГФ — см. рис. 4.9

венно-прямоточной установки аналогична работе установки кос­венного действия.

Ректификованный спирт отбирается с 3, 7, 8 или 10-й тарел­ки, считая сверху спиртовой колонны, охлаждается в холодиль­нике, проходит контрольный снаряд и поступает в спирто-при- емное отделение. Промежуточные примеси выводят из спирто­вой колонны в виде паров сивушного масла с 5, 7, 9 или 11-й та­релки и сивушного спирта (в жидкой фазе) с 17—20-й и 25-й тарелок, считая снизу колонны. Головные и концевые примеси (головная фракция) выделяются из эпюрационной колонны в виде пара, конденсируются и охлаждаются в дефлегматоре и кон­денсаторе.

Количество отбираемых продуктов зависит от качества перера­батываемого сырья и сорта получаемого спирта-ректификата. Го­ловной фракции отбирается 0,5—2,0 % и более, сивушного мас­ла—0,2—0,4, сивушного спирта — 0,3—1,5 и спирта-ректифика­та — 92,5—95 % от общего содержания этанола в бражке.

Вакуумная брагоректификационная установка (БРУ ВАК). В процессе перегонки бражки и ректификации спирта на спиртза- воде расходуется от 70 % энергоресурсов и воды. Поэтому акту­альными являются задачи по совершенствованию технологии и аппаратуры для максимальной экономии пара, электроэнергии и воды. Одним из эффективных путей снижения энергозатрат яв­ляется внедрение брагоректификационных установок, работаю­щих под вакуумом. Вакуумные установки позволяют снизить удельный расход пара и воды по сравнению с установками кос­венного действия не менее чем на 35—45 %. Дополнительный расход электроэнергии на создание вакуума невелик и составляет 0,1 кВт • ч/дал спирта.

БРУ ВАК разработана ВНИИПрБ совместно с УкрНИИСП.

БРУ ВАК косвенно-прямоточного действия состоит из четырех колонн: брагоэпюрационной, эпюрационной, спиртовой и отгон­ной (рис. 4.11). В установке под разрежением работают эпюраци- онная колонна и концентрационная часть спиртовой колонны. Остальные колонны работают под атмосферным давлением.

Острый пар используется для обогрева брагоэпюрационной 1 и отгонной 16колонн. Эпюрационная 6и спиртовая 19колонны обогреваются рекуперированной теплотой спиртовых паров бра­гоэпюрационной колонны, часть теплового потока поступает в спиртовую колонну через выносной кипятильник от отгонной ко­лонны.

Вакуумная БРУ работает следующим образом. Зрелая бражка, пройдя нижнюю секцию дефлегматора спиртовой колонны 19и подогреватель 21,нагревается до 70—75 °С и направляется в сепа­ратор бражки 2,где от нее отделяется диоксид углерода. Отсепа- рированная бражка поступает на 25-ю тарелку брагоэпюрацион­ной 1 колонны, состоящей изшести эпюрирующих и девятнадца-

ванных водно-спиртовых паров так же, как и бражного дистилля­та, используются для обогрева подогревателя бражки 21.

Водно-спиртовые пары, образующие бражный дистиллят, проходят пеноловушку 3 и поступают в кипятильник 20спирто­вой колонны. Конденсируются в нем, отдавая теплоту флегме спиртовой 19колонны для ее обогрева. Бражный дистиллят затем идет во второй барометрический сборник 22,откуда поступает че­рез регулирующее и инжекционное устройства на 25-ю тарелку эпюрационной 6колонны. Соотношение потоков водно-спирто­вых паров, отбираемых из брагоэпюрационной колонны 7, регу­лируется шиберными задвижками, установленными перед пено- ловушками 4и 3.Объемная доля спирта в эпюрированных вод­но-спиртовых парах должна быть в пределах 15—20 %. При этом условии обеспечивается оптимальная работа брагоэпюрацион­ной и эпюрационной колонн. Всего в эпюрационной колонне сорок многоколпачковых тарелок. Она снабжена дефлегматором 7, конденсатором 8,из которого отбирается головная фракция, и дополнительным конденсатором 9,соединенным с барометри­ческим конденсатором 14.

Эпюрат из колонны 6стекает в сборник 23,сюда же стекает и флегма из спиртовой 19колонны. Спиртоводная жидкость насо­сом 24подается на 16-ю тарелку (считая снизу) отгонной 16ко­лонны, которая содержит 29 тарелок. Температура в выварной ча­сти бражной колонны 105—106 °С.

Компоненты сивушного масла вместе с паровой фазой выво­дятся с 4—11-й тарелки. Под действием паров спирта, поступаю­щих в кипятильник 77из отгонной 16колонны, испаряется флег­ма спиртовой 19колонны и вместе с паровым потоком, поступаю­щим из кипятильника 20,обогревает спиртовую колонну. Сконденсировавшиеся в кипятильнике 77 спиртовые пары воз­вращаются в виде флегмы на верхнюю тарелку отгонной 6колон­ны. Часть паров из расширителя через соответствующую регули­рующую арматуру поступает в виде питания в спиртовую 19ко­лонну. Она имеет 47 многоколпачковых тарелок, которые служат для укрепления спирта. Температура в нижней камере 72—73 °С. Отбор ректификованного спирта производится с 8-й или 10-й та­релки, считая сверху.

Спиртовая 19колонна снабжена также дефлегматором 10,ос­новным 77 конденсатором и дополнительным 12конденсатором, который сообщается с барометрическим 14конденсатором. В ка­честве барометрического конденсатора используется 8—10-та- рельчатая царга с камерой для ввода газовой оттяжки из эпюраци­онной и спиртовой колонн.

Нестандартный (непастеризованный) спирт из конденсатора 77 частично возвращается обратно в спиртовую и эпюрационную ко­лонны на 36-ю тарелку.

Для создания вакуума в системе барометрический 74конденса-

тор через сепаратор 13жидкости подключен к вакуум-насосу 15 водокольцевого типа марки ВВН. В верхней части эпюрационной и спиртовой колонн поддерживается разрежение 50 кПа, а в ниж­ней части этих колонн — 30 кПа.

Создание вакуума в системе снижает температуру кипения, чдо приводит как к экономии теплоты, так и к повышению качества спирта. За счет исключения новообразований и более полного удаления примесей можно получить практически нейтральный этиловый спирт.

Брагоректификационная установка обеспечивает стабильную выработку спирта высокого качества при удельном расходе пара 34 кг/дал, воды 0,3 м³/дал и дополнительном расходе электроэнер­гии 0,17 кВт • ч/дал спирта.

Установка надежно работает лишь при автоматическом управ­лении процессом.