Переробка спиртовмісних вторинних продуктів ректифікації в системі бру мелясних заводів
У НУХТ під керівництвом проф. Циганкова П.С. за участю проф. Шияна П.Л. розроблена та знайшла широке впровадження технологія ректифікації спирту, яка дозволяє практично повністю вилучати його з побічних продуктів ректифікації.
Суть технології розгонки ГФ полягає в тому, що типова БРУ оснащується додатковою розгінною колоною, де відбувається розподілення головної фракції на концентрат головної фракції (КГФ) та водно-спиртову рідину, звільнену від ключових домішок.
Вилучення та концентрування домішок з ГФ, одержаної при переробці меляси, відбувається за рахунок глибокої гідроселекції етанолу, для чого на верхню та-
------------------------------ Енсрго- і ресурсозберігаючі технології в спиртовому виробництві -------------
рілку розгінної колони подається пом'якшена або лютерна вода з температурою 92...94° С, у кількості 1000...1300% по відношенню до ГФ. У результаті на тарілках розгінної колони створюється зона низької концентрації етанолу, при якій коефіцієнт ректифікації домішок (К1), що визначає якість спирту, вищий 1. Витрата гріючої пари складає 18... 20 кг на дал ГФ.
Для вибору схеми підключення розгінної колони в систему БРУ необхідно враховувати специфіку роботи заводу - сировину, яка переробляється, якісний склад побічних продуктів ректифікації, шляхи утилізації КГФ.
Особливого підходу вимагає вирішення питання розгонки ГФ на великих мелясних заводах, які проводять комплексну переробку сировини та, окрім ректифікованого спирту, виробляють хлібопекарські дріжджі. При цьому підвищена аерація сусла на стадії дріжджогенерування призводить до значного підвищення вмісту летких домішок у бражці. Відомі випадки, коли вміст альдегідів у ГФ цих заводів перевищував допустиму за технічними умовами концентрацію.
Для зниження концентрації альдегідів до нормативного значення необхідно збільшувати відбір головної фракції, що призводить до зменшення виходу ректифікованого спирту з одиниці сировини.
Включення розгінної колони до системи БРУ заводів, які виробляють хлібопекарські дріжджі дає можливість здійснювати додаткову гідроселекцію домішок в епюраційній колоні, незважаючи на зниження концентрації спирту в ГФ нижче нормативного значення. Це дозволяє більш ефективно концентрувати домішки спирту в процесі епюрації та підвищити якість готової продукції.
Багаторічна практика експлуатації розгінних колон дозволила узагальнити досвід роботи та грунтовно підійти до створення раціональних схем їх включення до системи БРУ.
Проведені в НУХТ Шияном П.Л. дослідження показали, що ефективність роботи розгінної колони з виділення та концентрування домішок у вирішальній мірі залежить не тільки від величини флегмового потоку, але й від Його температури, яка повинна бути у межах температури кипіння рідини на верхній тарілці колони. Наявність у паровому потоці, що виходить з розгінної колони значної кількості летких домішок з високою пружністю парів, вимагає деякого переохолодження конденсату в дефлегматорі, конденсаторі та спирто вловлювач і для зниження загальних втрат спиртопродуктів за рахунок їх випаровування. У результаті температура флегми, яка поступає до розгінної колони, на 15...20° С нижча температури кипіння на її верхній тарілці. Це створює умови, при яких флегма поступає до розгінної колони нерівномірно. Це викликано нерівномірним виходом парового потоку з колони за рахунок витрачання частини гріючої пари на догрівання та випаровування флегми. При цьому, при постійній витраті гріючої пари відношення рідинного та парового потоків L/C - у верхній частині колони періодично відхиляється у бік збільшення, що негативно впливає на ефективність її верхніх тарілок по концентруванню домішок. У результаті для отримання якісного спирту потрібний збільшений відбір КГФ, з яким втрачається значна кількість етанолу, і, як наслідок, зменшується його вихід з одиниці сировини.
Для компенсації недогріву флегми до температури кипіння в розгінній колоні доцільно використовувати вторинну теплоту лютерної води. Такий прийом дозволяє стабілізувати роботу розгінної колони, створює умови для більш ефективного виділення та концентрування домішок.
Характеристикою роботи розгінної колони є кратність вилучення та концентрування домішок, а також якість отриманого спирту.
Кратність вилучення домішок - концентрація домішок у жив-
ленні та кубовому залишку) при постійному числі тарілок залежить від співвідношення рідинного та парового потоків - L/G, а також від концентрації етилового спирту по тарілках колони. Витрата гріючої пари на процес розгонки мелясної ГФ складає 20-28 кг на дал абсолютного алкоголю. При постійній витраті ГФ та гріючої пари величина L/C та концентрація спирту по висоті розгінної колони залежать від кількості води, що подається на гідроселекцію.
Рис. 15.13 Розподілення концентрації етилового спирту по висоті розгінної
колони при витраті гріючої пари:--- 20 кг/дал а.а. і------- 28 кг/дал а.а.
Витрата води на гідроселекцію (кг/кг а.а.): 1 - 5,7; 2 - 11; 3 - 13,4; 4 - 20,5; 5 - 26,0.
Нарис. 15.13 показано розподілення концентрації етилового спирту по висоті розгінної колони в залежності від подачі води на гідроселекцію при відкритому обігріві та витраті гріючої пари 20 та 28 кг/дал.
За даними графіка, наведеного на рис. 15.13 визначають коефіцієнти випаровування ключових домішок спирту та розраховують кратність їх вилучення.
Для стабільного отримання спирту високої якості з мелясної бражки може бути рекомендована двостадійна гідроселекція домішок. Для цього вода подається не тільки до розгінної колони, але й до спюраційної, що дозволяє більш повно звільняти епюрат від домішок та сприяє підвищенню якості ректифікованого спирту.
Необхідною умовою використання двостадійної епюрації є визначення оптимальної кількості води на гідроселекцію в епюраційну колону.
Кратність вилучення домішок в епюраційній колоні залежить від їх коефіцієнтів випаровування - К; вмісту спирту у живленні, що визначає його концентрацію по висоті колони; кількості тарілок у відгонній частині колони та питомої витрати гріючої пари. Для ефективного ведення процесу епюрації витрата пари повинна забезпечувати відношення L/G<K. Для головних домішок спирту це досягається при питомій витраті гріючої пари не менше 0,75...0,8 кг/кг а.а.
За інших рівних умов вирішальним фактором є коефіцієнт випаровування - К, який для більшості ключових домішок спирту зростає зі зменшенням концентрації спирту по тарілках колони. Використання гідроселекції дозволяє знизити концентрацію спирту по висоті епюраційної колони та створює умови більш повного виділення в ній домішок.
Дослідження двостадійної гідроселекції в системі БРУ, оснащеній розгінною колоною, були проведені на Андрушівському спиртокомбінаті.
Досліди відрізнялися кількістю води, яку вводили на верхню тарілку епюраційної колони. Інші технологічні параметри роботи БРУ залишались без змін і не відрізнялись від роботи при одинарній гідроселекції.
При подачі води на гідроселекцію до епюраційної колони у кількості 0,55 кг/кг а.а. у ГФ більш, ніж у три рази збільшується вміст складних ефірів; концентрація кислот залишається практично без змін; вміст альдегідів також не змінюється.
Найменший вміст ефірів у ректифікованому спирті у процесі двостадійної гідроселекції досягається при витраті води на епюраційну колону у кількості 0,55 кг/ кг а.а., при цьому окислюваність спирту збільшується на 2...3 хв., що свідчить про покращання вилучення в епюраційній колоні ненасичених сполук, коефіцієнт випаровування яких в зоні високих концентрацій етанолу незначний.
Подальше збільшення подачі води до епюраційної колони дає негативний ефект. Так, при подачі води 0,72 кг/кг а.а. вміст ефірів у ректифікованому спирті знаходився на рівні припустимого, а окислюваність не відповідала вимогам стандарту для спирту вищої очистки. Збільшення подачі води до 0,96 кг/кг а.а. призводить до зростання вмісту складних ефірів у ректифікованому спирті та до зниження окис-люваності до 10 хв. Такий стан пояснюється тим, що подача води на гідроселекцію до епюраційної колони вище 0,55 кг/кг а.а. призводить до зниження міцності ГФ нижче 70 об.% , і, як наслідок, до зменшення необхідної кількості води на гідроселекцію в розгінній колоні, що в свою чергу викликає зменшення в її концентраційній частині критерію Сореля (KG/L). У результаті кратність концентрування ефірів та альдегідів у колоні падає.
Кількісний відбір концентрованих домішок у розгінній колоні та їх склад залежить від якості вихідної ГФ та організації відбору КГФ.
При відборі КГФ безпосередньо з конденсатору розгінної колони вміст у ньому альдегідів досягає 40... 42 об.%, в той же час кількість ефірів не перевищує 20 об.%. Для одержання якісного ректифікованого спирту за вмістом ефірів необхідний підвищений відбір КГФ, що призводить до загального зниження виходу товарної продукції з одиниці сировини.
Склад флегми з дефлегматору та конденсату з конденсатора розгінної колони неоднаковий та суттєво відрізняється за вмістом ефірів, альдегідів та етанолу. Флегма збагачена складними ефірами та водою, як правило, гетерогенна та розшаровується.
Для відбору домішок у більш концентрованому вигляді 'необхідно виведення ключових домішок спирту із зон їх максимального накопичення. При цьому флегма з дефлегматора розгінної колони спрямовується до декантатора, де відбувається її розділення на два шари: верхній - ефірний концентрат - та нижній - водно-спиртову суміш, - що повертається у вигляді флегми до розгінної колони. Альдегідний концентрат відбирається з конденсатора у співвідношенні 1:2... 1:2,5 до ефірного концентрату та разом з ним виводиться з установки у вигляді ефірно-альдегідного концентрату. Газохроматографічні аналізи продуктів розгонки ГФ при роздрібненому відборі домішок показали, що найбільша кількість вищих спиртів та оцтовоетилового ефіру знаходиться у верхній частині декантатора (до 0,52 та 53,1 мас.% відповідно): етанолу - у дефлегматорі (до 34,8 мас.%); оцтового альдегіду - у конденсаторі (до 67,] мас.%). При проходженні флегми крізь декантатор вміст у ній етанолу знижується з 28,4... 34,8 мас.% до 21,5... 26,2 мас.%. При надходженні до декантатора флегми з вмістом етанолу вище 34 мас.% розділення суміші на два шари погіршується, а концентрація етилацетату в ефірному концентраті знижується до 41,5 мас.%.
При роздрібненому відбиранні домішок втрати етанолу з КГФ скорочуються більш, ніж на 30%.
Включення розгінної колони до системи БРУ мелясних спиртових заводів за схемою, яка передбачає подвійну епюрацію спирту, роздрібнену конденсацію домішок спирту та нагрівання флегми розгінної колони до температури кипіння (рис. 15.14) дозволяє стабільно одержувати спирт-ректифікат вищого очищення, незважаючи на підвищений вміст домішок у ГФ, знизити витрати гріючої пари у середньому на 1,5 кг/кг а.а., при цьому кількість КГФ не перевищує 0,23% за а.а.
Теоретичні розрахунки та експериментальні дослідження, проведені в НУХТ показали, що поряд з головними домішками у процесі глибокої гідроселекції досить повно вилучаються й проміжні домішки. Це дозволило розробити брагоректи-фікаційну установку з виділенням усіх домішок спирту у вигляді одного продукту - сивухо-ефіро-альдегідного концентрату - СЕАК. Схемою установки передбачається введення до розгінної колони спиртовмісних фракцій зі спиртовловлювачів, конденсаторів бражної, епюраційної та спиртової колон, конденсатора сепаратора СО2, а також усіх сивушних фракцій із спиртової колони, рис. 15.15.
Водно-спиртові пари, збагачені леткими домішками, після конденсації у дефлегматорі та конденсаторі розгінної колони надходять до декантатора, де конден-
сат розшаровується на два шари - СЕАК та води о-спиртову рідину, яка у вигляді флегми повертається иа верхню тарілку розгінної колони. Чіткому розшаруванню фаз у декантаторі сприяє те, що конденсат містить значну кількість вищих спиртів, які обмежено розчинні у воді.
Установка за даною схемою вперше застосована на Хоростківському спиртза-воді, а потім на Андрушівському спиртокомбінаті, де були відпрацьовані оптимальні режими її експлуатації.
Як вже було відзначено, основним показником, що характеризує роботу розгінної колони, є відношення рідинного та парового потоків - L/G.
Ефективне виділення домішок в розгіннІй колоні потребує створення умов, за яких критерій Сореля KG/L> 1.
Визначальною домішкою сивушної фракції треба вважати н-пропіловий спирт, який має в зоні низьких концентрацій етанолу найменший коефіцієнт випаровування та ректифікації порівняно з іншими вищими спиртами.
Коефіцієнт ректифікації для н-пропанолу - К1 - перевищує одиницю в зоні концентрацій етилового спирту нижче 15 мол.%. Така концентрація спирту по тарілках розгінної колони досягається при витраті лютерної води - 20,5 кг/кг а. а. та гріючої пари 20 кг/дал а. а. (рис. 15.13) при L/G =9,1. Коефіцієнт випаровування н-пропанолу у водно-спиртовому розчині концентрацією 15 мол.%, за даними В.М. Перелигіна дорівнює 4,6, при цьому критерій Сореля буде менший за одиницю, що вказує на неможливість повного виділення вищих спиртів за даних умов.
Зниження відношення L/G<4,6, при якому забезпечується ефективне виділення н-пропанолу, можливе при подачі води на гідроселекцїю в кількості 13,4 кг/кг а. а. з одночасним збільшенням витрати гріючої пари з 20 до 28 кг/дал а.а., при цьому концентрація спирту по висоті розгінної колони не перевищує 15,2 мол.%, а відношення L/C дорівнюватиме 4,25.
При сумісній розгонці головних та сивушних фракцій концентрація вищих спиртів у живленні розгінної колони може досягати 15 мас.%, а їх вміст у кубовій рідині, за даними Циганкова П.С., не повинен перевищувати 0,6 мас.%. При цьому ступінь вилучення вказаних домішок дорівнює 15:0,6 = 25.
Місце вводу сивушних фракцій до розгінної колони, тобто кількість тарілок у її відгонній частині, необхідних для вилучення вищих спиртів, розраховується за рівнянням Сореля-Харіна. При заданому ступені вилучення в відгонній частині розгінної колони повинні знаходитись 13 теоретичних або 26 реальних тарілок. Мінімальна величина відбору СЕАК визначається з матеріального балансу всіх домішок, що введені до розгінної колони та виведених з неї, а також кратністю їх концентрування. Кратність концентрування залежить не тільки від кількості тарілок у концентраційній частині та технологічних параметрів роботи колони, але згідно закону Рауля, й від початкової концентрації всіх компонентів вихідної суміші.
При сумісній переробці головної та сивушної фракції усереднений склад СЕАК характеризується наступними показниками: видима міцність - 75,3 об.%, вміст вищих спиртів - 35,4 мас.%, альдегідів - 20,8 мас.%, ефірів - 16,3 мас.%, етанолу -13,0 мас.%, кислот - 0,1 мас.%, води - 13,7 мас.%.
Досвід сумісної перобки головних та сивушних фракцій показав, що ефективна сумісна розгонка головних та сивушних фракцій у розгінній колоні можлива при збільшенні витрати гріючої пари з 2,56 до 3,59 кг/кг а.а. (тобто на 40%) та води з 11,7 до 13,5 кг/кг а.а. (тобто на 15,4%).
За допомогою даної технології можливо майже повністю вилучити етиловий спирт із побічних продуктів ректифікації, при цьому виводиться з експлуатації екстрактор сивушного масла, поліпшується якість спирту за рахунок збільшення відбору спиртовмісних фракцій, збагачених домішками. Вихід СЕАК знаходиться у межах 0,2... 0,4% від абсолютного алкоголю бражки.
В УкрНДІспиртбіопроді розроблена установка виділення етанолу з сивушних фракцій за допомогою екстрактивної ректифікації, рис. 15.16.
Сивушна фракція у суміші з гріючою парою вводиться до кубової частини колони екстрактивної ректифікації, в якій встановлені 8...12 тарілок. На верхню тарілку надходить лютерна вода з розрахунку підтримання концентрації етанолу в кубі у межах 1,5...3,0 об. %.
Рис. 15.16 Схема установки екстрактивної ректифікації етанолу
з сивушних фракцій;
1,2,3 - відповідно: бражна, спиртова, екстрактивної ректифікації колони; 4 - декантатор; 5 - екстрактор сивушного масла
За рахунок інтенсивної гідро селекції компоненти сивушної фракції концентруються у дистиляті, який розподіляється у декантаторі на два шари. Верхній шар, збагачений вищими спиртами, потрапляє на промивку до екстрактора сивушного масла, а нижній - водно-спиртовий шар - повертається у вигляді флегми до колони екстрактивної ректифікації. Кубова рідина повертається до циклу ректифікації на 12 тарілку бражної колони.