Состояние вопроса к курсовой по ПиАПП (ректификация). 2. Состояние вопроса. 1 Состояние вопроса 1 Общие сведения процесса разделения бродильных субстратов
 Скачать 361.1 Kb.
|
|
1 1 Состояние вопроса 1.1 Общие сведения процесса разделения бродильных субстратов Выделение спирта из состава бродильных субстратов и последующее осво- бождение спирта от примесей осуществляются путем перегонки. Под перегонкой понимается разделение смеси из двух компонентов c раз- личной летучестью или температурой кипения, на отдельные фракции. Разделение бродильных суд\бстратов – бражки, происходит благодаря обогащению пара лег- колетучим компонентом (ЛЛК) – этанолом, при этом жидкость обогащается труд- нолетучим компонентом (ТЛК) – водой. Система бродильных субстратов, поступающая на перегонку, состоит из во- ды, этилового спирта, различных летучих примесей, экстрактивных веществ и взвешенных нерастворимых твердых частиц. Разделения смеси бродильных суб- стратов происходит в колонне и сводится к выделению из этой сложной системы этилового спирта. Дистиллят, полученный при перегонке, получил название спир- та-сырца, а остаток после перегонки – бардой. Колонна для разделения бродильных субстратов – отгонная часть ректифи- кационной колонны, представляет собой вертикальный полый цилиндр диаметром от 600-2000 мм, разделенный фасонными перегородками, называемыми тарелками, расстояние между которыми 180–500 мм в зависимости от типа тарелки. Важные показатели работы колонны – это температура над верхней тарелкой и температура смеси бродильных субстратов, поступающей в колонну. Первая в значительной мере определяется степенью загрузки колонны исходной смесью. При низкой загрузке температура повышается, следовательно, излишне расходует- ся греющий пар, снижается концентрация спирта в бражном конденсате. Температура над верхней тарелкой в зависимости от концентрации спирта в бражке изменяется в пределах 50–95°С. При понижении температуры могут быть потери спирта с бардой, при повышении – возрастает расход греющего пара. Смесь бродильных субстратов подается на верхнюю тарелку. Из нижней час- ти колонны отводится послеспиртовая барда – продукт, в достаточной мере осво- божденный от этилового спирта. Из верхней части бражной колонны отводятся спирто-водные пары, обогащенные этиловым спиртом. Смесь бродильных субстратов – сложный комплекс различных веществ: во- ды, этилового спирта, экстрактивных веществ, взвешенных частиц и целого ряда летучих примесей. Содержание этилового спирта в смеси зависит от вида исходно- го сырья и способа его переработки и колеблется в пределах 6–10% об. Допустимое содержание спирта в барде не превышает 0,015% об. Крепость спирто-водных паров, отходящих из верхней части бражной колонны, обычно со- ставляет 30–60% об. Она зависит от крепости и температуры исходной бражки и парового числа. Коэффициент полезного действия тарелок бражной колонны зависит от их состояния и режима эксплуатации: для колпачковых 0,6÷0,65, для ситчатых до 0,5. Обогреваются колонны как открытым паром, так и по закрытой. схеме. В за- крытой схеме обогрева колонны используются выносные кипятильники – поверх- ностные теплообменники различной конструкции: кожухотрубчатые, пластинча- тые, змеевиковые и другие виды. 2 1.2 Технологические схемы разделения бродильных субстратов Брагоперегонный колонный аппарат состоит из двух частей: нижней – браж- ной, или истощающей, где из бражки выпаривается спирт, и верхней – спиртовой, или укрепляющей, где спиртовые пары путем многократного кипения подвергают- ся укреплению. На рисунке 1.1 приведена монтажно-технологическая схема одно- колонного брагоперегонного аппарата. А – спиртовая; Б – бражная колонна;1 – колонна; 2 – бордяной регулятор; 3 – дефлегматор; 4 – комбинированный холодильник для спирта; 5 – пробный холодильник; 6 – сборник жидкости из пробного холодильника; 7 – вакуум- прерыватель; 8 – фильтр для спирта; 9 – контрольный фонарь для спирта; 10 – смотровой фонарь для бражки; Рисунок 1.1 – Монтажно-техологическая схема одноколонного брагоперегонного аппарата Аппарат имеет следующие основные части: колонну 1, которая состоит из двух частей, верхней –спиртовой и нижней –бражной, дефлегматора 3, комбиниро- ванного холодильника спирта 4. Трубчатая часть холодильника 4 служит для кон- денсации водно-спиртовых паров, поступающих из дефлегматора, а нижняя, змее- виковая, часть – для охлаждения конденсата. Бражка, содержащая 6–8% мас. этилового спирта насосом прокачивают через трубки дефлегматора 3, где она подогревается теплом конденсирующегося в де- 3 флегматоре пара. Подогретая до 70–80°С бражка, проходя через смотровой фонарь 10, поступает на верхнюю тарелку колонны. Греющий открытый пар, давление ко- торого 0,2МПа поступает в аппарат в нижней части бражной колонны. Количество греющего пара регулируют при помощи манометрического парового регулятора. Истощенная бражка в виде барды, содержащая не более 0,015% этилового спирта отводится через бардяной поплавковый регулятор 2из нижней части ко- лонны, с ней удаляются взвешенные частицы, экстрактивные вещества, часть во- ды и большая часть хвостовых примесей. Контроль за содержанием спирта в барде выполняет пробный холодильник 5. Пары из бражной колонны попадают в верхн- нюю часть колонны, где пары укрепляются и поступают в дефлегматор. Флегма из дефлегматора подается наверхнюю тарелку спиртовой колонны, а несконденсировавшиеся пары поступают в холодильник, где они конденсируются и охлаждаются, образуя спирт-сырец, содержащий до 88% об. этанола. Спирт- сырец проходит через фильтр 8 и течет в фонарь 9. Вакуум-прерыватель 7 предо- храняет колонну от образования в ней вакуума. Спирт-сырец из бражной колонны и бражной дистиллят различаются только по концентрации в них спирта: спирт-сырец имеет крепость не менее 88% по объ- ему, бражной дистиллят – 40–55% по объему.. Применяемые в спиртовой промышленности сырцевые ректификационные установки могут быть одно- (рис. 1.2,а) и двухколонными (рис. 1.2,б). а б 1 – бражная колонна; 2 – спиртовая колонная; 3 – дефлегматор; 4 – холодильник; М – питание (бражка); П – пар греющий; В – вода (охлаждающий агент); С-С – спирт-сырец; О – барда, лютерная вода Рисунок 1.2 – Схема сырцевых ректификационных установок Основными элементами одноколонной сырцевой установки являются полная ректификационная колонна, дефлегматор и холодильник. Бражка подается непре- 4 рывно из бродильного отделения и, пройдя дефлегматор (подогреватель бражки), нагревается, а затем поступает в среднюю часть колонны. Бражная части колонны обычно имеет 18–20 одноколпачковых тарелок, по которым сверху вниз стекает бражка. Извлечение спирта и сопутствующих ему ле- тучих примесей осуществляется на тарелках встречным потоком пара, который вводится в нижнюю часть отгонной колонны. Бражка, освобожденная от спирта (барда) непрерывно выводится из нижней части колонны. В концентрационной части колонны (или спиртовой) обычно устанавливают 10 ситчатых или многоколпачковых тарелок, на которых происходит контакт сте- кающей флегмы, поступающей из дефлегматора, с поднимающимся из отгонной части колонны водно-спиртовым паром. В процессах тепло- и массообмена, про- исходящих при контактировании на тарелках, осуществляется кон-центрирование спирта в поднимающемся по колонне паре за счет извлечения его из флегмы. Спиртовой пар концентрацией около 88% об. из колонны поступает в де- флегматор, где значительная его часть (2/3÷3/5) конденсируется за счет отдачи те- пла на подогрев бражки и воды и образует флегму (число флегмы R = 1,5÷2). Не- сконденсировавшаяся часть (1/3÷2/3) спиртового пара поступает в холодильник спирта-сырца, где происходит его конденсация и охлаждение. Для увеличения содержания в барде сухих веществ и уменьшения высоты аппарата работают также двухколонные аппараты, в которых бражная и спиртовая колонны устанавливаются отдельно (рисунок 1.2, б). В двухколонной сырцевой установкеподогретая в дефлегматоре бражка по- дается в бражную колонну, где освобождается от спирта. Спирто-водный пар кон- центрацией 40÷50% об. из бражной колонны поступает в среднюю часть спирто- вой колонны. Пар, поднимаясь по высоте концентрационной части спиртовой ко- лонны, концентрируется за счет извлечения спирта из флегмы, аналогично тому, как это происходит и в концентрационной части одноколонной сырцевой установ- ки.. В нижней (отгонной) части спиртовой колонны флегма освобождается от ос- татка спирта за счет пара, идущего снизу. Лютерная вода, (остаток) выводится из нижней части колонны. Бражная колонна обычно имеет 18÷22 тарелок, спиртовая – 10 в укрепляю- щей и 14÷16 в отгонной части колонны. В промышленности применяются одноколонные сырцевые установки. Они по сравнению с двухколонными проще по устройству и в эксплуатации, менее ме- таллоемки, требуют меньшей рабочей площади, расходуют примерно на 10% меньше пара и воды, однако имеют обычно большую рабочую высоту и дают бар- ду с меньшей концентрацией сухих веществ, так как в этих установках барда вы- ходит в смеси с лютерной водой. При получении ректификованного спирта непосредственно из бражки ком- плектуются брагоректификационные установки (БРУ). Брагоректификационные установки обычно имеют три основных колонны и одну÷три дополнительных, ус- танавливаемых по мере необходимости. Брагоректификационной установки прямого действия. В установках прямо- го действия (рисунок 1.3 приведен ниже) головные примеси отделяют непосредст- венно из бражки в эпюрационной колонне, смонтированной на бражной колонне. 5 Вследствие низкой концентрации спирта в бражке (5–10%мас) коэффициен- ты испарения примесей велики и эпюрация протекает полно. Бражка, лишенная головных примесей, поступает в бражную колонну 3, где из нее выпаривается эти- ловый спирт, хвостовые примеси и остатки головных примесей. Основную массу паров из бражной колонны направляют в ректификационную колонну 5. Незначи- тельная часть паров переходит в эпюрационную колонну 1 для ее обогрева. 1 – выпарная часть эпюрационной колонны; 2 – концентрационная часть эпюраци- онной колонны; 3 – бражная колонна; 4– выпарная часть ректификационной ко- лонны; 5 – укрепляющая часть ректификационной колонны; 6,8 – дефлегматор; 7,9 – конденсатор; 10 – трубопровод отвода части паров из бражной в эпюрацион- ную колонну; 11 – выварная камера эпюрационной колонны. Рисунок 1.3 – Схема брагоректификационной установки прямого действия Спирт-ректификат в жидком виде отводится с одной из верхних тарелок рек- тификационной колонны. Брагоректификационной установки прямого действия наиболее экономны в теплотехническом отношении, но вкус и запах спирта на них плохие. Углекислота, содержащаяся в бражке, выделяясь в бражной колонне, приносит в ректификаци- онную колонну пары сивушных масел. Проникая в зону пастеризованного спирта, эти пары сообщают ректификату неприятный запах. Брагоректификационной установки полупрямого действия. В этих установках (рисунок 1.4 приведен ниже) бражка не подвергается предварительной эпюрации. Бражка поступает в колонну 1, где выделяются пары, содержащие все при- меси, спирт и воду. Эпюрат, освобожденный от головных примесей, направляется в ректификационную колонну 6, снабженную дефлегматором 7 и конденсатором 8. Пастеризованный спирт отбирается с верхних (четвертой-шестой) тарелок ректификационной колонны. Промежуточные продукты и сивушное масло отби- раются так же, как и в двухколонном ректификационном аппарате. Непастеризаванный спирт, прошедшие дефлегматор 7, в виде паров поступа- 6 пают в конденсатор 8, откуда возвращаются частично в ректификационную колон- ну на верхнюю тарелку, а частично направляются в эпюрационную колонну 3. 1 – бражная колонна; 2 – выпарная часть эпюрационной колонны; 3 – концентра- ционная часть эпюрационной колонны; 4,7 – дефлегматор; 5,8 – конденсатор; 6 – ректификационная колонна; 9 – ловушка Рисунок 1.4 – Схема брагоректификационной установки полупрямого действия Греющий пар поступает в колонны через паровые регуляторы. В эпюрационную колонну пар подается из выварной колонны. Бражка, по- ступающая в аппарат, предварительно подогревается в дефлегматоре. Брагоректификационной установки косвенного действия. Установки этого типа получили в спиртовой промышленности наибольшее распространение. Они представляют соединение двух аппаратов: один из них дает спирт- сырец, а второй производит его ректификацию. На таких аппаратах получают спирт высокого качества и они приняты как типовые для выработки спирта выс- шей очистки. Технологическая схема установки приведена ниже на рисунке 1.5. Бражка насосом подается в подогреватель 2, здесь она обогревается водно- спиртовыми парами, поступающими из бражной колонны 1. Пары проходят через ловушку 10, где отделяются жидкие частицы. Подогретая бражка поступает в се- паратор 11, в котором из нее выделяется углекислота и несконденсировавшиеся га- зы. Газы поступают через конденсатор 3‘ в спиртоловушку, а бражка направляется в бражную колонну 1. Конденсат водно-спиртовых паров из конденсатора 3 и 3', подогревателя бражки 2 и спиртоловушки направляются в эпюрационную колон- ну4. Эта колонна снабжена дефлегматором 5 и конденсатором 6. Головные продукты из конденсатора 6 поступают через холодильник и рота- метр в фонарь 15. Водно-спиртовый раствор (эпюрат) идетв ректификационную колонну 7, которая снабжена дефлегматором 8 и конденсатором 9. Из конденсатора 9 отбираются спирт и непастеризованный спирт. Непасте- ризованный спирт до 3% от введенного в колонну абсолютного спирта возвраща- ется в эпюрационную колонну. Ректификат отбирается в жидком виде с третьей, 7 четвертой, шестой и седьмой тарелок (считая сверху) ректификационной колонны и поступает в холодильник 13, откуда через ротаметр направляется в фонарь 15. 1 – бражная колонна; 2 – подогреватель; 3 – дополнительный конденсатор; 3' – конденсатор паров из конденсатора; 4 –эпюрационная колонна; 5,8 – дефлег- матор; 6,9 – конденсатор; 7 – ректификационная колонна; 10 – ловушка; 11 – сепа- ратор; 12 – холодильник сивушного спирта; 13 – холодильник ректификационного спирта; 14 – холодильник сивушных паров; 15 – фонари Рисунок 1.5 – Схема брагоректификационной установки косвенного действия Пары сивушного масла поступают в холодильник 14, откуда – в маслоотде- литель. Сивушное масло идет в хранилище; спиртоводная жидкость из маслоотде- лителя – в ректификационную колонну. В ректификацинной колонне отбирают си- вушный спирт и подают в холодильник 12. Подача греющего пара в бражную и ректификационную колонны регулиру- ется паровыми регуляторами. В эпюрационную колонну пар поступает из вывар- ной части ректификационной колонны [2]. 1.3 Контактные устройства ректификационных колонн Основной элемент ректификационной колонны – контактное устройство – тарелки, на котором протекает массообмен между паром и жидкостью. Конструк- ция тарелок обеспечивает течение жидкости сверху вниз, а пара снизу вверх. В ректификационных колонах устанавливают тарелки различной конструк- ции: многоколпачковые, ситчатые, клапанные. Многоколпачковые тарелки Многоколпачковые тарелки с капсюльными колпачками (рисунок 1.6) состоят из собственно тарелки 1, на которой укреплены паровые патрубки 4, снабженные колпачками 2 с боковыми прорезями. Опреде- ленный уровень жидкости на тарелке обеспечивают переливные устройства, выпол ненные в виде трубок 3. 8 а б а – царга колонны; б – тарелка; 1 – тарелка; 2 — колпачки с прорезями; 3 – переливная трубка; 4 – паровой патрубок; 5 – сегментные перегородки Рисунок 1.6 – Царга тарельчатой колонны с колпачковыми тарелками Паровая фракция, проходит паровой патрубок 4, попадает под колпачок 2 и, преодолевая давление столба жидкости, проходят через прорези колпачка 2. Выхо- дящий из прорезей пар, разбивается на отдельные пузырьки и струи, образуя на та- релке пену. Интенсивность контакта фаз зависит от скорости движения пара и глу- бины погружения колпачка в жидкость. Колпачковые тарелки менее чувствительны к загрязнениям, имеют более широкий устойчивый интервал работы, но обладают большим гидравлическим со- противлением, их не применяют при вакуум-ректификации, они более дорогие в изготовлении. Колпачки изготавливают штамповкой или литьем [6]. Ситчатые тарелки Ситчатые тарелки – конструктивно простые барботаж- ным тарельчатым устройствам (рисунок 1.7) 3 1 2 4 а б а – царга с ситчатыми тарелками: б – ситчатая тарелка; 1 – тарелка; 2 – переливная труба; 3 – круглые отверстия; 4 – уровень жидкости Рисунок 1.7 – Элемент колонны с ситчатыми тарелками Ситчатая тарелка представляет собой плоский диск 1 с отверстиями диамет- ром 1–5 мм по всей площади, горизонтально укрепленный в колонном аппарате. Тарелки 1 устанавливают на расстоянии 400–500 мм одна от другой. Уровня жидкости поддерживают переточные трубки 2. Пары, поднимаются снизу, прохо- 9 дят через отверстия в тарелке и распределяются в жидкости в виде пузырьков. Для преодоления сопротивления столба жидкости на тарелке затрачивается некоторый перепад давления. При перекосе тарелки, например, давление на ней падает, пар проходит через тарелку в том месте, где слой жидкости минимальный, а жидкость уходит через отверстия и массообмен ухудшается. Колебания производительности по жидкости в процессе работы колонны, нарушая работу колонны. Рост производительности увеличивает гидравлическое сопротивление тарелки, увеличивается скорость пара и жидкость уноситься паром. Тарелки ситчатые просты в изготовлении, дешевы, обладают высокой эф- фективностью, но требуют точной горизонтальной установки. Они весьма чувст- вительны к загрязнениям, забивающим мелкие отверстия [6]. Клапанные тарелки. Клапанная тарелка (рисунок 1.8) объединяет в себе сит- чатых и колпачковых тарелок. а б а – царга с клапанной тарелкой; б – вид клапана; 1 – тарелка; 2 –клапан; 3 – пере- точная перегородка с порогом; 4– гидравлический затвор; 5 – корпус колонны Рисунок 1.8 – Устройство царги колонны с клапанными тарелками Клапан 2, свободно лежащий над отверстием в тарелке 1, с изменением рас- хода газа увеличивает подъем и, соответственно, увеличивается зазор между кла- паном и плоскостью тарелки. Скорость газа в этом зазоре, а значит и во входе в слой жидкости на тарелке, остается приблизительно постоянной, что обеспечивает неизменно эффективную работу тарелки. Гидравлическое сопротивление тарелки при этом увеличивается незначительно. Клапанные тарелки стабильноработают в различных диапазонах нагрузок. Клапанные тарелки с дисковыми и прямоугольными клапанами работают в режиме прямоточного или перекрестного движения фаз. Наиболее распространены прямоточные тарелки с дисковыми клапанами. На клапанной прямоточной тарелке в шахматном порядке расположены отверстия, в которых установлены саморегу- лирующиеся дисковые клапаны (рисунок 1.8,б) диаметром 40 мм, способные под- ниматься при движении пара (газа) на высоту до 6–8 мм. Дисковый клапан снабжен тремя направляющими, расположенными в плане под углом 45°; две из этих направляющих имеют большую длину. Кроме того, на диске клапана штамповкой выполнены специальные упоры, обеспечивающие но- минальный зазор между диском и тарелкой; это исключает возможность «прили- пания» клапана к тарелке [7]. 10 |