Тепловые схемы брагоректификационных установок БРУ под вакуумом

 

Тепловая схема вакуумной БРУ позволяет снизить удельный расход пара и воды по сравнению с типовыми БРУ косвенного действия на 35—45%. Вакуумные БРУ расходуют пар в количестве 30—35 кг/дал и воды 0,3—0,4 м³/дал (обычные атмосферные БРУ косвенного действия расходуют 70-75 кг пара/дал) Дополнительный расход электроэнергий на создание разрежения невелик и составляет около 0,1 — 0,2 кВт-ч/дал.

Тепловые схемы российских вакуумных брагоректификационных установок БРУ создавались на базе установок косвенного действия в двух вариантах.

По первому варианту (рис. 1, а) под разрежением работает бражная колонна (иногда и эпюрационная колонна) и обогрев ее осуществляется за счет тепла конденсации спиртового пара спиртовой (иногда и сивушной) колонны. По такой схеме работают установки фирмы «Спейшим» (Франция), некоторые установки США, установка ВТИ (В. И. Баранцева) и др.

По второму варианту (рис. 1,6) предусматривается работа под вакуумом спиртовой колонны (а иногда и эпюрационной) и обогрев ее за счет тепла бражной колонны. По такой схеме работают некоторые установки США, УкрНИИСПа, ВНИИПрБа и др.

Наиболее простым вариантом вакуумной ректификационной установки является схема, созданная в Киевском технологическом институте пищевой промышленности КТИППе на базе наиболее распространенной типовой трехколонной брагоректификационной установки косвенного действия.

Рис. 1. Схемы вакуумных брагоректификационных установок:

колонны: 1 — бражная колонна, 2 — эпюрационная колонна, 3 — спиртовая колонна; 4 — вакуум-насос

В настоящее время существует два противоположных мнения о преимуществах того или иного варианта.

Ряд исследователей считает, что работа бражной колонны под вакуумом предпочтительнее, поскольку в этих условиях в значительной мере исключается новообразование легколетучих примесей в бражной колонне, что положительно влияет на качество спирта. Содержание эфиров, альдегидов и кислот в бражном дистилляте и эпюрате резко сокращается, улучшаются аналитические и дегустационные показатели спирта (данные фирмы «Спейшим», Воронежский технологический институт ВТИ и др.).

Другие исследователи (УкрНИИСП) считают такую гипотезу необоснованной из-за низкой концентрации спирта в бражной колонне и относительно малого содержания примесей, которые могут при взаимодействии со спиртом давать новообразования. Они полагают, что химические процессы протекают более интенсивно в эпюрационной и спиртовой колоннах, где имеются зоны наиболее высоких концентраций этилового спирта, альдегидов и других реакционно-активных соединений, поэтому работа последних предпочтительна при пониженной температуре (пониженном давлении).

По энергетическим показателям второй вариант имеет ряд преимуществ. Работа спиртовой колонны, под разрежением теоретически оправдана тем, что с понижением давления азеотропная точка спирто-водного раствора сдвигается в сторону более высоких концентраций спирта, а следовательно, для достижения заданной концентрации спирта потребуется или меньшее число тарелок в концентрационной части колонны, или меньший удельный расход пара.

Расход пара на процесс в спиртовой и бражной колоннах при работе их под различным давлением и с неизменным числом тарелок должен соответствовать приведенным ниже данным (табл.1). Из этих данных следует, что более ощутимо снижение расхода пара с понижением давления в спиртовой колонне, нежели в бражной. Это дает возможность при работе спиртовой колонны под разрежением с большей гарантией обеспечить ее отработавшим теплом бражной колонны.

Таблица 1

Расход пара на проведение процесса ректификации в зависимости от давления в колонне

Колонна	Расход пара, кг/дал, при давлении в колонне, кПа
	100	50	25	12,5
Бражная	23	19	19	20
Спиртовая	21	12	10	9

Паровые котлы типа ДЕ потребляют от 71 до 75 м3 газа для получения одной тонны пара. Стоимость газа в России на сентябрь 2008г. составляет 2,44 рубля за кубометр. Следовательно, сэкономленная тонна пара будет стоить 71 × 2,44 = 173 руб 24 коп. Реальная стоимость тонны пара на заводах составляет для котлов ДЕ составляет не менее 189 рублей за тонну.

Паровые котлы типа ДКВР потребляют от 103 до 118 м3 газа на получение одной тонны пара. Минимальная расчетная стоимость сэкономленной тонны пара для этих котлов составляет 103 × 2,44 = 251 руб 32 коп. Реальная же стоимость по заводам составляет не менее 290 рублей за тонну.

Теперь вычисляем производительность спиртового завода в год, умножаем на удельный расход сэкономленного пара и еще раз умножаем на его стоимость. Результаты приведены в таблицах. При 315 рабочих днях экономия составит:

Например, современная БРУ потребляет 29 кг/дал пара.

Следовательно, экономия современной энергосберегающей БРУ, по сравнению со старым БРУ, составит 75 – 29 = 46 кг/дал.

Тогда, при 315 рабочих днях экономия газа увеличится еще больше, и составит:

Важным моментом в данном варианте является и более высокий потенциал пара, обогревающего колонну, работающую под разрежением. Температура, конденсации греющего пара, выходящего из бражной колонны, 92—95°С с последующим снижением ее до 82°С (при полной конденсации), в то время как пар, выходящий из спиртовой колонны, имеет температуру около 78°С. К тому же из спиртовой колонны необходимо отводить значительно меньше неконденсирующихся газов, чем из бражной, а следовательно, потребуется меньше энергии на их отвод.

Чтобы обеспечить необходимый температурный напор в испарителе-дефлегматоре приблизительно 10°С, (см. поз. 5, рис. 21), при работе бражной колонны под вакуумом следует поддерживать разрежение около 80%, спиртовая же колонна при обогреве ее спирто-водяным паром бражной колонны может работать при разрежении 50%, и при этом будет обеспечиваться необходимый температурный напор.

Однако второй вариант не лишен и определенных недостатков. При использовании тепла спирто-водного пара на обогрев спиртовой колонны возникает вопрос, чем же греть бражку перед ее вводом в бражную колонну. Единственным высокопотенциальным источником тепла является барда. На заводах, перерабатывающих мелассу, подогрев бражки не вызывает затруднений. Исследованиями М. П. Мылыка под руководством автора показана эффективность применения для обогрева бражных колонн пластинчатых теплообменников. На заводах, перерабатывающих крахмалистое сырье, применение пластинчатых теплообменников для подогрева бражки за счет тепла барды имеет мало промышленного опыта.

Рассмотрим устройство и принцип действия вакуумных браго-ректификационных установок, прошедших производственную проверку или перспективных для промышленного применения.

 

Брагоректификационная установка фирмы «Спейшим». Схема установки представлена на рис. 20. Бражная колонна работает под разрежением - вакуумом (остаточное давление р~0,02 МПа) и обогревается спиртовым паром спиртовой колонны; полученный при этом конденсат откачивается насосом на орошение спиртовой колонны. Бражная колонна имеет 20 отгонных и 5 концентрационных тарелок.

Эпюрационная колонна снабжена 50-ю тарелками, в том числе 30—в отгонной части. Обогрев осуществляется закрытым паром. Пар, отходящий из эпюрационной колонны, используется для обогрева колонны окончательной очистки, что требует повышенного давления в эпюрационной колонне. Спиртовая колонна с 65-ю тарелками (30 и 35) разделена на две части с целью уменьшения общей высоты установки. Питание подается на 16-ю тарелку, сивушная фракция отбирается в жидкой фазе с 20—24-й тарелок (считая снизу).

Рис. 1. Схема вакуумной брагоректификационной установки фирмы «Спейшим»:

колонны: 1 — бражная колонна, 2 — эпюрационная, 3, 4 — спиртовые, 5 — сивушная, 6 — окончательной очистки, 7 — вакуум-насос

 

Сивушная колонна имеет 40 тарелок (в том числе 16 в отгонной части) и обогревается за счет тепла лютерной воды спиртовой колонны, что требует поддержания повышенного давления в последней.

Колонна окончательной очистки имеет 40 тарелок; питание может вводиться на 18, 21 и 30-ю, считая снизу; работает в режиме эпюрации. Погоны из конденсаторов сивушной колонны и колонны окончательной очистки сбрасываются на тарелку питания эпюрационной колонны. Установка обеспечивает выработку ректификованного спирта при расходе пара ~35 кг/дал, при этом четко прослеживаются три ступени давления в колоннах: бражная колонна работает под разрежением, сивушная и окончательной очистки — при атмосферном давлении, а эпюрационная и спиртовая — под некоторым избыточным давлением.

 

Брагоректификационная установка Воронежского технологического института ВТИ. Бражная колонна работает при разрежении 80—83 кПа и обогревается открытым паром, поступающим из специального испарителя-дефлегматора, куда подаются конденсат греющего пара из испарителей эпюрационной и спиртовой колонн и лютерная вода. По данным автора, экономия в расходе пара по этой схеме определяется в 45% по сравнению с установками косвенного действия. Им также установлено, что с понижением температуры при отгонке спирта из бражки под разрежением снижается содержание в дистилляте эфиров, альдегидов и кислот, улучшаются дегустационные качества ректификованного спирта, повышается его выход за счет снижения отбора головной фракции.

Установка (рис. 2) имеет следующую характеристику: бражная колонна — 24 тарелки провального типа (или ситчатые) диаметром 1100 мм; эпюрационная колонна — 30 тарелок (20+10) диаметром 800 мм и спиртовая колонна — 70 тарелок диаметром 900 мм. Установка обеспечивает производительность 1200 дал/сут при переработке мелассной бражки.

Бражка подогревается в дефлегматоре эпюрационной колонны до температуры 54—56°С (температура кипения на верхней тарелке бражной колонны). Температура вторичного пара, получаемого в дефлегматоре-испарителе, 67°С; температура над верхней тарелкой бражной колонны 54—56°С. При эксплуатации установки расход пара составляет 27—28 кг/дал, воды—0,15—0,2 м³/дал, дополнительный расход электроэнергии 0,34 кВт-ч/дал.

Рис. 2. Схема вакуумной брагоректификационной установки Воронежского технологического института ВТИ:

колонны: 1 — бражная, 2 — эпюрационная, 3 — спиртовая; 4 — вакуум-насос; 5 — испаритель-дефлегматор; 6 — теплообменник

Получаемый спирт отличается мягкостью и тонкостью вкуса, отсутствием жгучих тонов, свойственных мелассному спирту; выход составляет 96,5—97,0% (высшей очистки), выход головной фракции ГФ 1,2—1,5%, сивушного масла 0,25—3%; потери спирта не превышают потерь на типовых установках, работающих при атмосферном давлении.

 

Брагоректификационная установка УкрНИИСПа. В настоящее время на ряде спиртовых заводов Украины введены в эксплуатацию брагаректификационные установки УкрЙИНСПа (рис. 3), работающие под разрежением.

Рис. 3. Схема вакуумной брагоректификациоиной установки УкрНИИСПа:

1 — подогреватель бражки; колонны; 2 — бражная, 3 — отгонная, 4 — эпюрационная, 5 — спиртовая; 6 — барометрический конденсатор; 7 — вакуум-насос

В установке предусмотрена двухстадийная эпюрация. Суть ее состоит в том, что бражной дистиллят предварительно проходит эпюрацию в открытой эпюрационной колонне (отгонная колонна), где за счет тепла греющего пара происходит выделение головных и промежуточных примесей. Но так как отгонная колонна не имеет дефлегматора, то с головными и промежуточными примесями уходит примерно 50% спирта бражного дистиллята. Расход пара на предварительную эпюрацию равен 3—4 кг/дал. Спирто-водный пар концентрацией около 70—75% об. используется для обогрева второй эпюрационной колонны, куда поступает сконденсированный отгон из первой эпюрационной колонны. Вторая эпюрационная колонна работает под разрежением, что создает возможность обогревать ее спирто-водным паром из первой эпюрационной колонны через поверхность теплопередачи.

Теперь рассмотрим действие установки в целом. В установке под разрежением работает вторая эпюрационная колонна и спиртовая. Для обогрева спиртовой колонны используется тепло конденсации спирто-водного пара бражной колонны.

Бражка, подогретая в дефлегматорах спиртовой и второй эпюрационной колонна, поступает на подогрев в теплообменник, где нагревается до необходимой температуры за счет тепла барды. Нагрев бражки осуществляется циркуляционной водой. Бражная колонна работает под некоторым избыточным давлением, равным 35—40 кПа.

Спиртовая колонна работает при абсолютном давлении в нижней части 70—75 кПа и обогревается спирто-водным паром бражной колонны. Избыток пара, выходящего из бражной колонны, используется во второй эпюрационной колонне.

Бражной дистиллят из сборника насосом подается на верхнюю тарелку отгонной (первой эпюрационной) колонны, которая работает под атмосферным давлением.

Из отгонной колонны отбирается 40—60% спирта от содержания его в бражном дистилляте. Спирто-водный пар из отгонной колонны поступает в испаритель второй эпюрационной колонны. Эпюрационная колонна работает при абсолютном давлении 60— 65 кПа (в нижней части колонны).

Отгон после конденсации в испарителе собирается в сборнике и самотеком (засасывается) поступает на тарелку питания второй эпюрационной колонны.

На верхнюю тарелку второй эпюрационной колонны подается лютерная вода из расчета получения эпюрата концентрацией 35— 50% мае. Расход воды—1—2 кг на 1 кг алкоголя, поступающего в колонну с отгоном, или 0,6—1,2 кг на 1 кг алкоголя бражки.

Для стабилизации давления в колонну через регулировочный клапан вводят острый пар в количестве не более 0,5 кг на 1 дал ректификованного спирта.

Эпюрат отгонной колонны с температурой более высокой, чем на тарелке питания спиртовой колонны, дополнительно охлаждается до 74—78°С в теплообменнике для подогрева барометрической воды, идущей на гидроселекцию во вторую эпюрационную колонну.