ИЗВЛЕЧЕНИЕ СПИРТА ИЗ БРАЖКИ И ЕГО ОЧИСТКА В ТЕХНОЛОГИИ ЭТИЛОВОГО СПИРТА

  Главная      Учебники - Продукты питания     Технология пищевых производств (Л.П. Ковальская) - 1997 год

 поиск по сайту           правообладателям

 

 

 

 

 

 

 



 

 

 

 

содержание   ..  120  121  122  123  124  125  126  127  128  129  .. 

 

 

ИЗВЛЕЧЕНИЕ СПИРТА ИЗ БРАЖКИ И ЕГО ОЧИСТКА В ТЕХНОЛОГИИ ЭТИЛОВОГО СПИРТА

Зрелая бражка — полупродукт спиртового производства. Для получения 1 м3 спирта требуется около 12 м3 бражки.

Бражка — сложная многокомпонентная. система, состоящая из трех фаз: жидкой, газообразной и твердой. Жидкая фаза составляет основную долю из суммы трех фаз. Она представлена водой (82...90 мае. %) и этиловым спиртом 4,8...8,8 мас. % (или

6...11 об. %) с сопутствующими легколетучими примесями, число которых превышает 70 наименований. Среди летучих примесей — кислоты, сложные эфиры, альдегиды и высшие спирты, серо- и азотсодержащие примеси. Летучие вещества бражки составляют 0,5 % по отношению к этиловому спирту, содержащемуся в ней.

Твердая фаза бражки представлена нерастворимыми частицами исходного сырья — шелухой и дробиной. К ней относятся также все вещества, которые остаются в остатке после выпаривания спирта, воды и летучих примесей. Это растворимые экстрактивные вещества органического и неорганического происхождения. К первым относят несброженные сахара, декстрины, белки, а ко вторым — минеральные вещества. В мелассной бражке содержится СВ 8...10 мае. %, в зерновой — 5...7, а в картофельной — 3...5 мае. %.

Газообразная фаза бражки представлена главным образом диоксидом углерода — продуктом жизнедеятельности дрожжей, который образуется при сбраживании сахаров. В 1 дм3 зрелой бражки содержится до 1...1.5 г С02; при перекачке бражки из бродильного в ректификационное отделение количество СО2 в ней снижается на 30...50 %.

Извлечение этилового спирта из бражки и его очистка-осуществляются ректификацией. Ректификацией принято называть процесс разделения бинарной или многокомпонентной жидкой смеси на компоненты или группы компонентов (фракции), различающиеся между собой летучестью. Разделение бинарной смеси спирт—вода часто называют простой перегонкой или дистилляцией. Разделение однородных летучих смесей осуществляют путем многократного двустороннего массо- и теплообмена между противоточно движущимися паровым и жидкостным потоками.

При взаимодействии фаз в процессе ректификации происходит диффузия (перенос) легколетучего компонента из жидкой фазы в паровую и труднолетучего компонента, наоборот, из паровой фазы в жидкую.

Способ контактирования потоков при разделении водноспиртовых смесей носит ступенчатый характер. Ректификацию проводят при нормальном давлении в аппаратах колонного типа, оборудованных контактными устройствами в виде тарелок различных типов (ситчатых, колпачковых, клапанных). Эти устройства способствуют максимальному приближению соприкасающихся противоположно движущихся в аппарате парового и жидкостного потоков, а следовательно, к интенсивному массообмену.

При кипении смеси более летучий компонент переходит в паровую фазу в большем количестве, чем менее летучий. Смесь обогащается одним из компонентов практически в процессе ректификации, которую можно рассматривать как способ сложной или многократной перегонки.

Цель очистки этилового спирта — освобождение его от сопутствующих летучих примесей и получение спирта стандартной крепости. Очень важно наряду с очисткой спирта максимально сконцентрировать отбираемые примеси и максимально освободить их от этанола и воды. В этом случае потери спирта с отходами будут минимальными; отходы же при высокой степени концентрации примесей возможно и экономически целесообразно использовать в качестве вторичных материальных ресурсов (BMP). Например, из сивушного масла, получаемого при ректификации этилового спирта как BMP, на специализированных предприятиях химико-фармацевтической промышленности получают высшие спирты — изоамиловый, изобутиловый и пропиловый и на их основе сложные эфиры как компоненты ряда лекарственных препаратов.

В основу современной теории перегонки положены закономерности перегонки бинарных смесей, которые установлены Д. П. Коноваловым и М. С. Вревским. Состав равновесных фаз играет важную роль в изучении процессов разделения простых и сложных летучих смесей. [

На рис. 139 изображена кривая равновесной бинарной системы этиловый спирт—вода при нормальном давлении и температуре кипения смеси. На горизонтальной оси этого графика приведено содержание этанола х в жидкой фазе (мае. %), а на вертикальной оси — в паровой фазе у (мае. %). Кривая равновесия располагается выше диагонали (х = у) от начала координат до точки А, что свидетельствует об обогащении паровой фазы спиртом на указанном участке кривой равновесия. Кривая равновесия представляет собой геометрическое место точек коэффициентов испарения этанола, которые наглядно характеризуют его летучесть в зависимости от состава жидкой фазы.

Коэффициент испарения этанола (Кэ с) равен х/у. Он применяется в широких пределах (см. рис. 149): при малых концентрациях спирта в смеси его значения максимальны (около 13), а при больших — минимальны (около I). При х = 10 об. % Кэс — 5,1, а при х = 50 об. % Кэс = 1,5; в азеотропной точке Кэ с = 1. Кривая равновесного состава в точке А пересекает диагональ, следовательно, в этой точке состав паровой и жидкой фаз одинаков. Точка А характеризует состав нераздельиокипящей смеси. Для нее х = у и Кэ с = 1. При нормальном давлении нераэдельнокипящая (азеотропная) смесь этанол—вода содержит

95.57 мае. % спирта при температуре кипения 78,15 °С, при том же давлении температура кипения этанола равна 78,3, а воды — 100 °С.

После точки А кривая равновесия проходит несколько ниже диагонали до правой верхней точки Б диаграммы (см. рис. 139). Следовательно, обогащение пара спиртом при содержании его в смеси более
95.57 мас. % невозможно.

 

 

 

Рис. 139. Кривая равновесия системы этиловый спирт — вода при нормальном давлении:
х, у— концентрация спирта в парах и в жидкости соответственно

 

 

 

Лишь изменение давления в системе ниже нормального позволяет получать более крепкий спирт, чем указано ранее. В этом случае кривая равновесия располагается выше диагонали, вплоть до точки Б.

Первый закон Коновалова устанавливает зависимость между составом жидкой и паровой фаз в системе этанол—вода, а второй — положение азеотропной точки на кривой, устанавливающей зависимость между упругостью пара Р (МПа) и составом жидкой смеси X (мас %):

Р = f(Х).

Законы Вревского указывают направление, в котором сдвигается равновесие в смеси этанол—вода при изменении давления в системе. Так, при давлении в системе 0,009 МПа и температуре кипения 27,92 'С возможно получение безводного (абсолютного) спирта.

Технология выделения этилового спирта из бражки и его очистка от сопутствующих легколетучих примесей обусловлена различной летучестью этих веществ. Для оценки летучести введены понятия коэффициента испарения и ректификации. Первое понятие применяют для спирта и примесей, второе — только для этанола.

Формула для определения коэффициента испарения этанола приведена выше. Аналошчно вычисляют этот коэффициент для примеси (Кпр).

Летучесть примесей в значительной степени зависит от содержания спирта в разделяемой смеси. Чтобы судить, насколько полно можно очистить этиловый спирт от данной примеси, необходимо сравнить ее коэффициент испарения () с коэффициентом испарения этилового спирта () и вычислить значение коэффициента ректификации примеси

 

П. С. Цыганков предложил новую классификацию примесей по их летучести, в зависимости от содержания этанола в смеси.

Все примеси разделены на четыре группы: головные, хвостовые, промежуточные и концевые. К первой группе относят головные примеси (ацетальдегид, этилацетат и др.), у которых коэффициент испарения при любом содержании этилового спирта выше, чем коэффициент испарения спирта; следовательно, у этих примесей всегда и они концентрируются в парах при

любом содержании спирта в жидкой фазе. Вторая группа включает хвостовые примеси, у которых летучесть всегда меньше летучести этанола и Kпp < 1. Наиболее типичной хвостовой примесью является вода. Третья группа представлена промежуточными

примесями (изоамиловым, изобутиловым, пропиловым спиртами, рядом сложных эфиров), которые обладают двоякими свойствами: при высоких концентрациях спирта в разделяемой смеси они ведут себя как хвостовые примеси, а при низких — как головные. При определенных концентрациях этанола Кпр = Кэс и коэффициент ректификации примеси будет равным 1. Характерной концевой примесью является метиловый спирт. Концевые примеси обладают коэффициентом ректификации Кпр > 1 при высоких концентрациях спирта и Кпр < 1 — при низких.

Процесс ректификации проводят в противоточных аппаратах колонного типа, в которых пары разделяемой смеси движутся снизу вверх, а навстречу им стекает жидкость. Колонны оборудованы контактными устройствами или тарелками.

Для увеличения крепости дистиллята ректификацию водноспиртовых смесей проводят в сочетании с дефлегмацией, повышая крепость водно-спиртовых паров частичной их конденсацией. Ее осуществляют в специальных теплообменных аппаратах — дефлегматорах. Жидкость, образующаяся при дефлегмации, называется флегмой. Последнюю возвращают в колонну. Нескон-центрировавшиеся в дефлегматоре крепкие водно-спиртовые пары поступают в холодильник, где полностью конденсируются (сжижаются), охлаждаются и выводятся из испарителя в виде дистиллята. Отношение количества флегмы к количеству дистиллята называют флегмовым числом (ФЧ).

Для создания парового потока в колонну снизу подводят теплоту в виде греющего пара. Подлежащая разделению смесь подается чаще всего в среднюю часть колонны в жидком, парообразном или в смешанном состоянии. Для разделения бинарной смеси используют одну колонну. Ректификацию многокомпонентных смесей проводят в нескольких колоннах, работающих последовательно.

По техническому назначению ректификационные установки спиртового производства подразделяют на сырцовые, ректификационные и брагоректификационные. Первые предназначены для получения бражки спирта-сырца, содержащего кроме этанола все летучие примеси. На ректификационных установках спирт-сырец очищают и получают ректификованный спирт. В брагоректификационных установках совмещены технологические операции сырцовых и ректификационных аппаратов. Эти установки позволяют получать ректификованный спирт непосредственно из бражки.

В состав брагоректификационной установки входят три основные и две дополнительные колонны. К основным относят бражную, эпюрационную и ректификационную колонны, а к дополнительным — сивушную и окончательную. Бражная колонна предназначена для отделения из бражки всех летучих компо-нентов. Освобожденная от летучих компонентов бражка называется бардой. В эпюрационной колонне из бражного дистиллята выделяют головные и концевые примеси в виде головной фракции этилового спирта (ГФЭСп). Спиртовая колонна служит для укрепления и очистки спирта от промежуточных примесей. Сивушная колонна предназначена для разгрузки спиртовой от высших спиртов с последующим их концентрированием. В окончательной колонне дополнительно удаляют концевые и промежуточные примеси спирта, особенно эффективно удаляют метиловый спирт. Кроме этих колонн для извлечения спирта из ГФЭСп используют разгонные колонны, применение которых увеличивает выход спирта на 2,5...3,5 %.

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

Наибольшее распространение получили брашректификацион-ные установки косвенного действия, в которых спирт и примеси извлекаются из бражки в виде жидкого продукта — бражного дистиллята, которым питают эпюрационную колонну. В нашей стране выпускают брагоректификационные установки косвенного действия мощностью 1000, 1500, 2000, 3000 и 6000 дал условного спирта-сырца, под которым понимают сумму всех спиртсодержащих продуктов, полученных на установке в пересчете на безводный спирт. В условный старт включают также и потери спирта при ректификации (0,8... 1 %).

Аппаратурно-технологическая схема установки косвенного действия для получения этилового спирта из бражки представлена на рис. 140.

Бражка, подогретая до 85...92 °С в бражном подогревателе 5, направляется в сепаратор 4 для удаления диоксида углерода и далее на верхнюю тарелку бражной колонны 1; диоксид углерода СО2 выводится в атмосферу через конденсатор 3 сепаратора. В колонну 1 снизу поступает пар (П). Пары, обогащенные спиртом, идут через пеноловушку 2 в подогреватель 5; отдают свою теплоту бражке и поступают в конденсатор 6 бражной колонны для конденсации. Бражный конденсат крепостью 45...55 % поступает на питательную тарелку эгаорапионной колонны 7. Барда (Бар), удаляемая из нижней части колонны 1 при температуре кипения 104 °С и давлении 0,016 МПа, направляется в качестве отходов на корм скоту или в качестве питательной среды для выращивания кормовых дрожжей в специальных цехах.

Пары, обогащенные головными примесями, поступают в дефлегматор 8 эпюрационной колонны 7 для укрепления, а затем в конденсатор 9 для конденсации. Эта колонна работает при большом флегмовом числе (ФЧ) (свыше 400). Ключевые примеси, определяющие основные параметры работы колонны, — ацеталь-дегид и этилацетат. Примеси, содержащие альдегиды и сложные эфиры, выводят через смотровой фонарь 10 из колонны в виде ГФЭСп в количестве 2...4 % по отношению к спирту-сырцу. Крепость этой фракции равна 95 об. %. В нижней части колонны, где расположено 40 реальных тарелок, поддерживают температуру 90 “С и давление 0,015...0,020 МПа. Из этой зоны отводят жидкий продукт — эпюрат крепостью 40...45 об. %. Эпюрат лишен основной массы головных примесей. Он является питанием для спиртовой колонны 13.

Снизу в спиртовую колонну, как и в эпюрационную, поступает греющий | пар. Спиртовые пары направляются в верхнюю часть колонны. Обедненная спиртом жидкость, наоборот, стекает вниз и в виде лютерной воды, содержащей труднолетучие примеси этилового спирта — сложные эфиры и кислоты, выводится из колонны при закрытом ее обогреве из расчета в среднем 20 л на 1 дал спирта.

Для спиртовой колонны характерно наличие вверху зоны непастеризованного спирта, содержащего остаточное, но повышенное количество метанола, эфиров и альдегидов, которые попали

в нее из эпюрационной колонны. Поэтому отбор целевого продукта — ректификованного стандартного спирта крепостью
96,2...96,5 об. % производят в виде жидкости ниже указанной зоны с S...1 тарелок концентрационной части, считая сверху колонны. Спирт охлаждают в холодильнике 14 до 15...20 °С, после чего его направляют сначала для измерения объема и количества безводного спирта в контрольный снаряд, а затем в спиртоприемное отделение. Из этого отделения спирт поступает на хранение или на отпуск потребителю. Из отгонной части колонны, расположенной ниже места ввода эпюрата, удаляют высшие спирты — сивушное масло (СМ), выход которых после сивухопромывателя составляет 0,3...0,35 %. Колонна 13 снабжена дефлегматором 11 и конденсатором 12.

 

 

 

 

Рис. 140. Аппаратурно-технологическая схема брагоректификационной установки косвенного действия:
Условные обозначения: В — вода; Бар — барда; Б — бражка; П — пар; СМ — сивушная фракция; С — спирт ректификованный; Т — число тарелок; ГФЭСп — головная фракция этилового спирта; ЛВ — лютерная вода

 

 

 



Спиртовая колонна работает при ФЧ — 3,5 и давлении в нижней части 0,02...0,028 МПа; температура в зоне отвода лютера составляет 105... 107 "С.

Геометрические размеры колонн зависят от мощности брагоректификационной установки. Так, например, диаметры браж-ной, эпюрационной и спиртовых колонн установки мощностью 6000 дал спирта в сугки равны соответственно (мм): 2000, 1500 и 2000. Число тарелок в колоннах указано на рис. 140. Расстояние между тарелками в бражной колонне 500 мм, а в эпюрационной и спиртовой — 370 мм.

Выход ректификованного спирта в брагоректификационной установке косвенного действия составляет 95...96,5 % к условному спирту-сырцу.

Ректификация многокомпонентных смесей связана с большим расходом воды и пара. Для получения 1 дал спирта в 3-колонной установке расходуют около 0,6 м3 воды и 59...60 кг пара. Наиболее емкими по расходу пара являются бражная и ректификационные колонны, расходующие 20 и 22 кг пара на 1 дал спирта соответственно.

Если брагоректификационная установка оборудована кроме бражной, эпюрационной и спиртовой колонн сивушной, дополнительной и разгонной колоннами, расход пара возрастает до 70 кг/дал спирта.

Экономический анализ процессов брагоректификации показывает, что затраты на ее проведение определяются в основном расходом греющего пара и в незначительной мере амортизационными отчислениями на эксплуатацию оборудования.

Расход пара в рассматриваемом процессе можно понизить путем повышения концентрации спирта в бражке на 2...3 об. %, использования закрытого обогрева колонн, перевода брагоректификационных установок косвенного действия на работу в условиях вакуума. Под разрежением работают бражная и эпюрацион-ная или эпюрационная и спиртовая колонны. В первом случае обогрев колонн осуществляют за счет теплоты конденсации

 

спиртового пара спиртовой колонны, а во втором — за счет теплоты бражной колонны (ВТИ УкрНИИСП). Рационально также, чтобы бражная колонна работала под давлением, близким к атмосферному, а эпюравдюнная и спиртовая колонны работали под разрежением около 0,05 МПа. Данная схема, разработанная б. КТИПП, позволяет снизить удельный расход пара на

45...50 % и довести его до 27.-28 кг/дал при минимальных затратах на переоснащение брагоректификационных установок косвенного действия мощностью до 3000 дал/сут.

На многих спиртовых заводах внедрена и успешно эксплуатируется брагоректификационная установка косвенно-прямоточного действия, которая предложена ВНИИПрБ (рис. 141). Особенность этой установки состоит в эпюрации бражки и обогреве эпюрационной колонны водно-спиртовыми парами бражной колонны. В установках производительностью 3000 и 6000 дал/сут, оснащенных колоннами с 25 тарелками, рекомендуется устанавливать разграничительную царгу высотой до 0,5 м. Верхняя часть бражной колонны, расположенная над царгой и содержащая 7...8 тарелок, используется для эпюрации бражки, т. е. для удаления

из нее основной массы легколетучих примесей спирта. Остальные 17... 18 тарелок (нижняя выварная часть бражной колонны) используются для полного извлечения спирта их эшорированной бражки. Образовавшиеся водно-спиртовые пары из цилиндрической разграничительной царги 2 направляются в эпюрацион-ную колонну 8 для ее обогрева.

 

 

 

 

Рис. 141. Схема брагоректификационной установки косвенно-прямоточного
действия:
Условные обозначения: Бар — барда; Б — бражка; В — вода; П — пар; ЛВ — лютерная вода; С — спирт; СМ — сивушное масло; ГФЭСп — головная фракция этилового спирта

 

 

 

 

Установка работает следующим образом. Бражка температурой 30 °С, поступившая из бродильного отделения, подогревается в подогревателе 5 до температуры 70...75 °С. Далее она направляется сначала в сепаратор диоксида углерода 4 для удаления СО2, а затем поступает на верхнюю тарелку эпюрирующей части 2 бражной колонны /.

Выделенные при эпюрации бражки водно-спиртовые пары с примесями этилового спирта последовательно проходят через подогреватель бражки 5 и конденсатор 6 бражной колонны. Сконденсировавшиеся водно-спиртовые пары, обогащенные примесями этанола, вместе с конденсатом из конденсатора СО2

3 через сборный коллектор бражного конденсата поступают на тарелку питания эпюрационной колонны 8. Барда удаляется из колонны через бардорегулятор 15.

Эпюрированная бражка стекает вниз по тарелкам верхней части колонны и поступает на верхнюю тарелку бражной колонны 1, обогреваемой паром. Водно-спиртовой пар из бражной колонны частично (около 50 %) поступает в брагоэпюрационную часть для эпюрации бражки; другая его часть (также около 50 %), пройдя пеноловушку 7, направляется для обогрева эпюрационной колонны 8. Соотношения этих потоков регулируют шибером, который устанавливают между верхом бражной колонны 1 и подогревателем бражки 5.

Особенность работы эпюрационной колонны состоит в том, что она обогревается открытым способом водно-спиртовым паром, а количество питания (бражного дистиллята) уменьшается при этом примерно в 1,6 раза. Колонна 8 снабжена дефлегматором 9 и конденсатором 10. Очистку спирта от метанола, поступившего в эпюрационную колонну 8 с эпюрированными водноспиртовыми парами, осуществляют далее в спиртовой колонне 13. Для этого она должна иметь развитую зону пастеризации, которая представляет собой одну-две пяти-восъмитарельчатые царги. Отбор ректификованного спирта осуществляют ниже зоны пастеризации с 14... 16-х тарелок спиртовой колонны, считая сверху. Укрепление спиртовых паров идет в дефлегматоре 11, а их конденсация — в конденсаторе 12. Отобранные из колонны 13 пары воды, этилового спирта и сивушного масла вначале конденсируются в теплообменнике 14. Далее сивушное масло промывается водой (водная экстракция сивушного масла).

В остальном брагоректификационная установка косвеннопрямоточного действия как по устройству, так и по технологи-ческому режиму ведения процесса не отличается от установок косвенного действия, описанных выше. Экономические и экологические преимущества при использовании установок косвеннопрямоточного действия очевидны. Расход пара и воды примерно па 20 % меньше, чем на установках косвенного действия. Эти установки работают стабильно.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

содержание   ..  120  121  122  123  124  125  126  127  128  129  ..