Оборудование для процесса ректификации спирта

ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРОЦЕССА РЕКТИФИКАЦИИ СПИРТА
Изучить самостоятельно:
Основные понятия и определения.
Научное обеспечение процесса ректификации спирта.
Классификация оборудования.
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.

УСТАНОВКИ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ НАСТОЕК И МОРСОВ
Полная колонна 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) (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.
Концентрационная колонна 1 (неполная) (в) снабжена дефлегматором 2, а питание поступает под нижнюю тарелку в парообразном виде.

В полной ректификационной колонне 1 создается возможность для получения в чистом виде обоих компонентов разделяемой бинарной смеси. В неполной отгонной колонне из нижней части отводится чистый труднолетучий компонент, а из верхней – пар, несколько обогащенный легколетучим компонентом.
Контактное устройство – основной элемент ректификационной колонны. Интенсивный массообмен на контактном устройстве достигается путем создания развитой поверхности контакта фаз и активной гидродинамической обстановки.
В спиртовой промышленности применяют тарельчатые контактные устройства, на которых осуществляется последовательно ступенчатый контакт фаз.
Тарелки ректификационных колонн могут быть:
-колпачковыми,
-сетчатыми (решетчатыми),
-клапанными,
-чешуйчатыми,
-ситчатоклапанными,
-жалюзийно-клапанными.
Во всех случаях на тарелке удерживается слой жидкости, через который проходит пар, в результате чего осуществляется массообмен.

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

Одноколпачковая тарелка одинарного кипячения используется в установках малой производительности (для разделения жидкостей со взвешенными частицами или способных выделять осадки). Барботаж происходит из под краев колпачка и воротника. Благодаря этому создаются встречные потоки пара, улучшающие его контакт с жидкостью.
Многоколпачковые (капсульные) тарелки применяют 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.

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. Они 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. 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. На реальных тарелках такое равновесие почти никогда не достигается. Теоретическая тарелка служит эталоном для установления эффективности реальных тарелок.
БРАГОПЕРЕГОННЫЕ УСТАНОВКИ
В спиртовой промышленности применяются брагоперегонные установки двух типов – одноколонные и двухколонные. 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.

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 из пара отделяется жидкость, откуда 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.

Горизонтальный дефлегматор 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.
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.

Комбинированный холодильник 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.

БРАГОРЕКТИФИКАЦИОННЫЕ УСТАНОВКИ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ
Предназначены для получения спирта-ректификата 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.
В установках прямого действия 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.

В установке полупрямого действия 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 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.

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.
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.