Назад, на главную страницу

 

РЕКТИФИКАЦИОННЫЕ И ВЫПАРНЫЕ АППАРАТЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВТОРИЧНОГО ПАРА

 

 

1. РАСХОД ТЕПЛА НА ПЕРЕГОНКУ И РЕКТИФИКАЦИЮ В СПИРТОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

В тепловом балансе спиртового завода расход тепла на пе­регонку и ректификацию этилового спирта играет весьма существенную роль. Если взять за единицу измерения производительности аппаратов 1 дал спирта, то расход пара на 1 дал спирта, получаемого на брагоректификационном аппарате полупрямого действия, составляет 38—42 кг при среднем содержании алкоголя в бражке 8% об.

Возможность значительного уменьшения расхода тепла при перегонке вытекает из сопоставления ректификационных аппаратов с выпарными, для которых такого рода рационализация проведена давно и с успехом осуществляется в громадных масштабах. Эта рационализация заключается в многократном использовании тепла.

 

 

2. ПРИНЦИП МНОГОКРАТНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛА В ПРИМЕНЕНИИ К ВЫПАРНЫМ АППАРАТАМ

С переходом от огневого обогрева выпарных аппаратов к паровому стало возможным применить принцип многократного использования тепла. Это объясняется особым свойством водяного пара, демонстрируемым данными таблице XIV—1.

 

Таблица XIV-I

Свойства насыщенного водяного пара

 

 

    Из данных табл. XIV—I видно, что при значительном увеличении давления (от 0,2 до 3 бар) полное теплосодержание пара изменится только на 27,2 ккал/кг, а теплота испарения 46,6 ккал/кг, т.е. менее чем на 10%

Следовательно, вторичный пар, образующийся в выпарном аппарате, почти равноценен по теплосодержанию греющем пару более высокого давления. Это обстоятельство и привело к созданию многокорпусной выпарной установки.

 

Таблица ХIV-2

Свойства паров этилового спирта

 

 

 

Возможно ли применение принципа многократного использования пара в ректификационных аппаратах?

В табл. XIV—2 показаны свойства паров этилового спирта. Как видно, теплота испарения этилового спирта при изменении давления меняется незначительно. Отсюда можно заключить, что

принцип многократного использования тепла вполне приложим и к ректификационным аппаратам, в которых мы имеем дело со смесью паров этилового спирта и воды.

Помимо многокорпусных систем выпарных аппаратов, многократное использование тепла может быть осуществлено другим путем — с применением термокомпрессора. По расходу тепла на выпаривание установка с термокомпрессором не превосходит многокорпусной выпарной установки. В ряде случаев, однако, установку с термокомпрессором следует предпочесть многокорпусной выпарной установке.

Из сказанного ранее ясно, что принцип термокомпрессии применим и к ректификационным установкам.

 

 

 

3. РЕКТИФИКАЦИОННЫЕ АППАРАТЫ С МНОГОКРАТНЫМ ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕПЛА

 

Вопрос о применении принципа многократного использова­ния тепла для ректификационных аппаратов не новый. Известны работы в этом направлении Чусова, Жура, Харина, Четвери­кова, Осмера, Грегора, Стабникова, Тобилевича и других [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10]. Предложенные аппараты могут быть раз­биты на три группы:

1) аппараты, в которых комбинируются выпарные и ректи­фикационные установки. Аппараты этого типа приобретают осо­бое значение в связи с проблемой упаривания мелассной барды и вторичной мелассной барды;

2) аппараты многоколонного типа, в которых отдельные ко­лонны работают под различными давлениями;

3) аппараты с термокомпрессией.

В этой последовательности рассмотрим некоторые из предложенных схем.

 

 

 

4. КОМБИНИРОВАННЫЕ АППАРАТЫ

 

Одна из первых по времени схем была предложена К. Д. Журой, и испытана им в полузаводском масштабе на аппарате с производительностью 100 дал спирта в сутки [3].

 

 

Рис. XIV—1. Схема скомбинированного выпарного и ректификационного аппарата:

1, 2 — подогреватели, 3 — первый корпус выпарной установки,

4 — второй корпус, 5 — третий корпус, 6 — ректификационный аппарат, 7 — дефлегматор,

8 — холодильник для спирта, 9 — приемник для спирта, 10 — приемники, 11—16 — сборники конденсата.

 

Схема этого аппарата приведена на рис. XIV—1. Аппарат состоит из трехкорпусной выпарной установки и одноколонного ректификационного аппарата 6 и предназначен для получения концентрированной мелассной барды и спирта-сырца. Мелассная бражка проходит последовательно через подогреватели 1 и 2 и поступает в первый корпус выпарной установки 3. Этот корпус и подогреватель 2 обогреваются свежим паром.

Вторичный пар из первого корпуса направляется во второй корпус выпарной установки. Часть его идет на обогрев 1 подогревателя. Конденсат пара из первого корпуса выпарной уста­новки и подогревателя 2 собирается в сборник 11 и направляется на питание котлов.

Водно-спиртовые пары образуются в первом корпусе выпарной установки. Они поступают в подогреватель 1 и во второй корпус выпарной установки. Конденсат этих паров собирается в приемнике 12 и направляется в ректификационный аппарат. Вторичный пар из второго корпуса поступает в третий корпус.

Конденсат его собирается в приемнике. Он может содержать незначительное количество спирта, поэтому его направляют или на рассиропку мелассы перед сбраживанием или в ректификационный аппарат. Вторичный пар третьего корпуса служит для обогрева ректификационного аппарата. В этой схеме ректификационный аппарат включается как четвертый корпус выпарной установки. Сгущенная барда удаляется из третьего корпуса в сборник 14, лютерная вода — в сборник 15, а конденсат паря третьего корпуса — в сборник 16. Ректификационный аппарат имеет дефлегматор 7, холодильник 8 и сборник 9, соединенный с конденсатором и вакуум-насосом. Приемник 10 служит для сбора сырца.

На описываемом аппарате получали концентрированную барду, содержавшую от 40 до 60% сухих веществ. Крепость конденсата в сборнике 12 составляла 18—20% об. спирта. Расход пара составлял 40 кг/100 кг бражки. Расход пара при раз­дельной работе выпарного и ректификационного аппаратов со­ставил бы около 50 кг. Таким образом, экономия расхода тепла составляет примерно 25%.

К сожалению, комбинированные установки пока не получили у нас широкого применения. Однако за границей в ряде стран они используются в крупном производственном масштабе. Так, в Чехословакии инженером Грегором построена многокорпусная выпарная установка, состоящая из четырех двухсекционных корпусов [10] для сгущения и перегонки мелассной бражки.

Первый корпус этой выпарной установки нагревается свежим паром. Конденсат его используется для питания котлов. Конденсаты второго и третьего корпусов представляют собой водно-спиртовую смесь, которая подвергается перегонке на аппарате системы Гильома. Конденсат четвертого корпуса используется для технологических целей.

Экономия пара, по данным Научно-исследовательского ин­ститута бродильной промышленности Чехословацкой респуб­лики, составила 25 кг на 1 дал спирта. Чтобы оценить размер экономии, следует сказать, что расход пара на перегонку со­ставляет около 40 кг/дал спирта. Таким образом, экономия со­ставляет примерно 50%.

Комбинирование выпарного и ректификационного аппаратов может дать значительный экономический эффект. Стоимость комбинированного аппарата будет незначительно превышать стоимость отдельно установленных аппаратов, однако допол­нительные расходы окупятся довольно скоро за счет экономии топлива. Вопрос о комбинировании аппаратов приобретает особо важное значение в связи со строительством цехов для концентрирования мелассной барды.

На рис. XIV—2 представлена схема комбинированного трехкорпусного выпарного аппарата для барды и трехколонного брагоректификационного аппарата, разработанная сотрудни­ками КТИППа [9]. В табл. XIV — 3 приведены некоторые дан­ные, характеризующие работу выпарной установки этого аппарата.

 

 

Рис. ХIV-2. Схема комбинированного трехкорпусного выпарного аппарата для барды и брагоректификационного аппарата:

/, //, /// — подогреватели, IV — трехкорпусная выпарная установка, V — ректификационная колонна,

VI — эпюрационная колонна, VII — бражная колонна, VIII — сборник кон­денсата ретурного пара, IX — испаритель,

X, XI, XII — сборники конденсата вторичного пара соответственно первого, второго и третьего корпусов выпарной установки.

Общий расход греющего пара составляет 66 кг/дал спирта. Поверхность нагрева подогревателей 180 м2 и кипятильников 720 м². Выпарная установка работает без конденсатора, так как пар третьего корпуса конденсируется в поверхностях нагрева кипятильников брагоректификационного аппарата. Кипятильники бражной колонны обогреваются вторичным паром из пер­вого корпуса выпарной установки, кипятильники ректификационной колонны — вторичным паром из второго корпуса, а кипятильники эпюрационной колонны — паром из третьего корпуса. Схема предусматривает использование тепла конден­сата. Проведенный расчет подтверждает целесообразность ком­бинирования выпарных и ректификационных аппаратов в случае, когда выпариванию подвергается барда мелассных спиртовых заводов. К сожалению, схема эта остается пока не осуществленной.

 

Таблица ХIV-3

Характеристика выпарной установки комбинированного аппарата

Показатели	Корпус
	1	2	3
Температура, °С      греющего пара.........      кипения барды.........      вторичного пара.......	144 135 134,4	133,4 126,4 122,4	121,4 114,4 103,4
Конечная концентрация СВ, % мас.	15,5	38,4	75
Поверхность нагрева для завода  производитель-ностью  10000 дал спирта в сутки, м2    ........	900	900	900
Коэффициент теплопередачи, ккал/(м2 Х ч-град)............	1260	1000	300

 

§ 5. МНОГОКОЛОННЫЕ РЕКТИФИКАЦИОННЫЕ АППАРАТЫ

С РАЗЛИЧНЫМ ДАВЛЕНИЕМ В ОТДЕЛЬНЫХ КОЛОННАХ

 

Рассмотрим ректификационные аппараты, состоящие из не­скольких колонн, в которых поддерживается различное давле­ние, вследствие чего пар может быть использован многократно.

Рассмотрим схему брагоректификационного аппарата этого типа [5].

Брагоректификационный аппарат предназначается для полу­чения стандартных продуктов перегонки из зерновых, карто­фельных и мелассных бражек. Производительность предлагае­мого аппарата по безводному спирту равна 5000 дал в сутки. Аппарат состоит из бражной, эпюрационной, сивушной и ректи­фикационной колонн. Две последние работают под давлением 2,75 бар, бражная колонна — под давлением 1,2 бар, а эпюрационная — 0,25 бар.

Схема работы аппарата такова (рис. XIV—3). Зрелая браж­ка самотеком поступает из бродильного отделения на центро­бежный насос 1 и по нагнетательной линии 2 попадает в браж­ной подогреватель 3. Проходя по ходам подогревателя, бражка нагревается до температуры кипения ее на верхней тарелке бражной колонны за счет тепла отходящей барды и лютерной воды. Нагретая до нужной температуры бражка поступает че­рез сепаратор 4 на верхнюю тарелку бражной колонны 5. Из нижней части бражной колонны барда при температуре 104,2° С отводится на бардяной центробежный насос 7, подающий ее в бражной подогреватель 3.

Колонна питается паром по двум паровым линиям. По пер­вой линии 8 основная масса вторичного пара поступает из спир­тового 9 и сивушного 10 кипятильников непосредственно в выварную камеру, а по второй линии 11 в барботер подается в нужном количестве добавочный мятый пар. Освобожденные от

К конденсатору и Вакуум -Насосу

Рис. ХIV - 3. Схема брагоректификационного аппарата с многократным ис­пользованием тепла:

1 — насос, 2 — нагнетательный трубопровод, 3 — подогреватель, 4 — сепаратор 5 — бражная колонна, 6 — бардяной регулятор,

7 — насос, 8 — паровая линия вторичного пара, 9 — дефлегматор-испаритель ректификационной колонны,

10 — дефлегматор-испаритель сивушной колонны, 11 — ввод мятого пара, 12 — эпюрационная колонна, 13 — редукцион­ный вентиль,

14 — эпюрационный испаритель, 15 — насос, 16 — ввод горячей воды, 17 — трубопровод для хвостовых примесей, 18 — сивушная колонна,

19 — дефлегматор эпюрационной колонны, 20 — конденсатор эпюрационной колонны, 21 — насос, 22 — подо­греватель лютерной воды,

23 — трубопровод, 24 — ректификационная колонна, 25 — насос, 26 - конденсатор, 27 — трубопровод конденсата паров сивушной колонны,

28 — насос  сивушной  колонны.

 

бражки в сепарирующем устройстве колонны бражные пары крепостью 30,5% маc. поступают на дальнейшую очистку в эпюрационную колонну 12.

Большая часть этих паров поступает через редукционный вентиль 13 в верхнюю часть эпюрационной колонны. Другая часть погонных паров бражной колонны поступает в эпюрационный испаритель 14 и, отдавая скрытую теплоту парообра­зования, испаряет эпюрат, поступающий из нижней части ко­лонны. Полученный в испарителе эпюрационной колонны пар служит греющим для эпюрационной колонны. Образовавшийся в испарителе 14 конденсат бражных паров подается насосом 15 на нижнюю тарелку концентрационной части эпюрационной колонны. Для достижения оптимальных условий очистки кре­пость эпюрата доводится до 25% мас. путем добавления по линии 16 необходимого количества горячей воды. Хвостовые примеси по трубе 17 отводятся в виде раствора для дальней­шего концентрирования в сивушную колонну 18.

Поднимающиеся с верхней тарелки эпюрационной колонны пары поступают в межтрубное пространство Дефлегматора 19, где конденсируются и возвращаются на верхнюю тарелку ко­лонны. Несгущенные в дефлегматоре 19 пары поступают на кон­денсацию в эпюрационный конденсатор 20, а затем в виде кон­денсата— на фонарь. Эпюрат из нижней части эпюрационной колонны насосом 21 через лютерпый подогреватель эпюрата 22 подается по линии 23 в ректификационную колонну 24. Ректи­фикационная колонна питается острым паром из котла. Лютерная вода из нижней части колонны поступает на центробежный насос 25, который подает ее в лютерный подогреватель 3, а затем в лютерный подогреватель эпюрата 22 и кипятиль­ники 9 и 10.

Поднимающиеся с верхней тарелки ректификационной ко­лонны пары направляются в спиртовой конденсатор-кипятиль­ник 9, где, отдавая скрытую теплоту, образуют вторичный пар, который служит греющим для бражной колонны. Конденсатор-кипятильник по устройству представляет собой выпарной аппа­рат с выносной поверхностью нагрева, в котором выпаривается вода за счет теплоты конденсации спиртовых паров. Потребная разность температур создается за счет разницы давлений в ректификационной и бражной колоннах.

Конденсат спиртовых паров в виде флегмы возвращается на верхнюю тарелку колонны. Ректификат собирается с одной или нескольких тарелок, как показано на схеме. Несгущенная часть спиртовых паров направляется в конденсатор, а затем поступает на дальнейшую очистку в эпюрационную колонну. Сивушная колонна питается водно-спиртовым раствором, отби­раемым из эпюрационной и ректификационной колонн. Эта ко­лонна обогревается, как и ректификационная, острым паром, который подается из нижней части ректификационной колонны. При такой подаче устраняется необходимость в установке паро­вого регулятора для сивушной колонны. Работа и назначение кипятильника сивушной колонны 10 аналогичны работе и на­значению спиртового кипятильника 9. Конденсат по линии 27 направляется в ректификационную колонну и в виде флегмы — на верхнюю тарелку сивушной колонны. Конденсат из сивуш­ного конденсатора поступает на фонарь. Сивушное масло цент­робежным насосом 28 подается на дальнейшую переработку.

Как видно из схемы, в предлагаемом аппарате предусмат­ривается троекратное использование тепла. Таким образом, можно было бы ожидать уменьшения расхода тепла в 3 раза. Если принять расход пара в 57 кг, то расход тепла должен был бы составить всего 19 кг на 1 дал спирта. В действитель­ности такой расход тепла недостижим, так как не все тепло используется троекратно; кроме того, требуется добавление некоторого количества свежего пара в бражную колонну и имеется дополнительный расход тепла на вакуум-насос и допол­нительные насосы для жидких полуфабрикатов.

Теплотехнические расчеты показали, что расход тепла на аппарат составляет 23 кг пара на 1 дал спирта. Экономия пара, таким образом, составит более 50%. Кроме того, необходимо учесть значительное уменьшение поверхности нагрева котлов и питание их конденсатом, что также говорит в пользу предлагаемого аппарата.

К той же категории аппаратов относится аппарат, описан­ный Осмером [7]. Этот аппарат предназначается для получения абсолютного спирта по азеотропному методу с. применением этилового эфира.

Аппарат Осмера имел производительность 600 дал абсолют­ного спирта в сутки. Схема его изображена на рис. XIV—4.

Бражка, подогретая за счет теплоты отходящей барды, по­дается насосом по трубе 1 в бражную колонну 2. Колонна работает под давлением 0,4 бар. Пар из нее направляется в трубчатые теплообменники-испарители 3 и 4. Теплообменник 3 снабжает паром колонну 5, которая служит для выделения головных продуктов. Теплообменник 4 снабжает паром ректификационную колонну 6. Бражные пары, конденсируясь в тепло­обменниках, отдают свое тепло жидкости, поступающей из колонны, и испаряют ее, образуя греющий пар. Колонны 5 и 6 работают под давлением 0,23 бар. Конденсат бражных паров из теплообменников 3 и 4 собирается в приемнике 7 и насосом 8 подается на ректификационную колонну 6. Лютерная вода отводится насосом 9, частично используясь в декантаторе сивушного масла 10. С одной из верхних тарелок этой колонны спирт поступает в колонну 5, где из него удаляются головные продукты.

Спирт, освобожденный от примесей, крепостью 95% об., поступает в сборник 11, откуда насосом 12 через теплообменник 13 поступает на дегидратациоиную колонну 14. Эта колонна работает под давлением 9,1 бар. Она обогревается паром, поступающим в теплообменник 15.

На тарелках этой колонны кипит тройная смесь этиловый спирт—вода—этиловый эфир, имеющая высокое давление при низких температурах. Вследствие этого в колонне устанавли­вается давление около 9 бар, хотя она обогревается водяным паром, имеющим давление р,6 бар. Пары из этой колонны по ступают в дефлегматор-испаритель 16. В испаритель поступает конденсат греющего пара из теплообменника 15. За счет теплоты конденсации азеотропной смеси в дефлегматоре-испарителе

 

 

 

Рис. ХIV-4. Схема аппарата для абсолютирования спирта с многократным использованием тепла:

1 — ввод бражки, 2 — бражная колонна, 3, 4 — трубчатый теплообменник, 5 — эпюрационная колонна, 6 — ректификационная колонна,

7 — приемник конденсата водно-спиртовых паров, 8, 9 — насосы, 10 — декантатор сивушного масла, 11 — сборник рек­тификата,

12— насос, 13 — теплообменник, 14 — дегидратационная колонна, 15 — теп­лообменник, 16 — дефлегматор-испаритель,

17 — дополнительная колонна, 18 — сборник-декантатор для азеотропной смеси.

 

 

происходит образование водяных паров, которые исполь­зуются в бражной колонне 2 и в колонне 17. Давление этих паров около 2,1 бар. Конденсат азеотропной смеси поступает в сборник 18. Из этого сборника после расслаивания азеотропа верхний слой возвращается в колонну 14, а нижний идет в небольшую колонну 17. Абсолютный спирт отводится в нижней части колонны 14.

Таким образом, приведенный на схеме аппарат имеет колонны, работающие под различными давлениями. Теплота греющего пара используется в трех последовательных ступенях понижающегося давления. Описанный аппарат показал при испытании средний расход пара 27 кг/дал безводного спирта при содержании спирта в бражке 7,4% об.

Осмер указывает, что средний расход пара при обычных методах получения абсолютного спирта примерно в два раза больше.

Таким образом, в описанных выше аппаратах может быть достигнута весьма высокая экономия топлива только за счет многократного ступенчатого использования тепла. Однако эко­номия тепла дри изменяющемся давлении в колоннах может быть получена также и за счет сдвига равновесных концентрации спирта в жидкой и паровой фазах. В табл. XIV—4 приве­дены данные о фазовом равновесии в системе этанол — вода при изменяющихся давлениях.

 

Таблица ХIV-4

Влияние давления на равновесие в системе этанол — вода

Содержание спирта в жидкой фазе, % мас.	Содержание спирта в паровой фазе, % мас. при давлении
	2 бар	1 бар	50 мм рт. ст.
5,0	35,9	37,0	24,5
10,0	56,5	52,2	44,0
15,0	62,2	60,0	55,5
20,0	65,2	65,0	63,2
30,0	69,4	71,3	72,5
40,0	72,9	74,6	76,8
50,0	76,1	77,0	79,3
60,0	78,8	79,5	81,5
70,0	82,3	82,1	84,0
80,0	86,6	85,8	87,3
90,0	92,6	91,3	92,1
95,0	95,3	95,05	95,5

 

Как видно из данных табл. XIV—4, при низких концентрациях спирта повышение давления содействует увеличению концентрации спирта в паровой фазе. При увеличении концентрации спирта примерно более 25%, наоборот, уменьшение давления способствует укреплению паров. Профессор Харин [6] провел подсчет расхода пара на перегонку бинарной смеси этанол—вода при различных давлениях при минимальном флегмовом числе; в табл. XIV—5 приведены полученные им данные, отнесенные к 100 кг поступающей на перегонку смеси.

Из данных таблице XIV—5 видно, что при слабых концентрациях спирта, которые имеют место при перегонке бражки, повышение давления в колонне приводит к уменьшению расхода пара. Отсюда вытекает теплотехническая целесообразность при проектировании многоколонных аппаратов с различными давлениями в отдельных колоннах устанавливать максимальное дав­ление в бражной колонне. Однако с точки зрения технологической это едва ли целесообразно, так как при высокой температуре в бражной колонне более интенсивно идут нежелательные процессы эфирообразования. При работе бражных колонн под давлением оказывается целесообразным установить две бражные колонны с параллельным питанием бражкой.

 

Таблица ХIV-5

Расход пара на перегонку

 

Пар из котельной поступает в одну из этих колонн, вторая же обогревается парами, отходящими из первой колонны. Разу­меется, давлением в ней должно быть меньше, чем в первой.

Впервые схема такого рода была предложена в диссертации Е. Ф. Четверикова, выполненной под руководством С. Е. Харина в 1948 г. [И]. В этом аппарате было запланировано 4 колонны: две бражные, эпюрационная и ректификационная. Первая бражная колонна работает под давлением 2,5 бар, вто­рая — 1 бар, эпюрационная и ректификационная — под давлением 0,125 бар. Греющий пар поступал в первую бражную колонну, остальные колонны в основном обогревались вторичным паром.

Таким образом, благодаря трем ступеням давления в аппа­рате достигалась большая экономия тепла, составлявшая 42% от того тепла, которое расходуется при обычной схеме перегонки и ректификации. Расчеты, проведенные Четвериковым, относились к перегонке бражки гидролизных заводов. Для уточнения вопроса о расходе тепла при перегонке бражки спиртовых заводов по заданию автора инженера Л. А. Безуглая [1] спроектировала многоколонный брагоректификационный аппарат с многократным использованием тепла производительностью 5000 дал безводного спирта в сутки.

Установка состоит из 5 колонн: двух бражных, эпюрационной, ректификационной и сивушной. Первая бражная колонна работает под давлением 3 бар, вторая — 1,8 бар, ректификационная и сивушная — под атмосферным давлением и эпюрационная — под вакуумом 560 мм рт. ст.

Тепловые расчеты  показали, что расход пара в запроектированном аппарате составит 25,3 кг на 1 дал безводного спирта. Расход пара при обычной схеме пятиколонного аппарата составляет около 45 кг на 1 дал безводного спирта.

Таким образом, экономия пара составит ~ 40%, что совпадает с подсчетами Четверикова.

Из изложенного ясно, что многоколонные брагоректификационные аппараты с многократным использованием тепла могут дать значительную экономию топлива. Так, завод, производящий 5000 дал спирта в сутки, может сберечь свыше 2500 тонн угля в год.

 

 

 

 

 

Рис. Х-5. Схема брагоректификационного аппарата с использованием вто­ричного пара:

А — бражная колонна, работающая под вакуумом, В — эпюрационная колонна,

С — рек­тификационная колонна, G — дефлегматор-кипятильник,

H — конденсатор ректификационной колонны, D — дефлегматор бражной колонны,

Е — конденсатор бражной колон­ны, К —сборник, Р — насос бражиого конденсата,

L — сборник, R — парорегулятор, N — абсорбер, M — вакуум-насос,

Т — доска КИП, 0 — насос, I — холодильник ректифи­ката, S — узел отбора сивушного масла.

 

Запроектированная установка будет стоить несколько дороже обычной, но затраты быстро окупятся за счет умень­шения расхода топлива.

Принцип использования вторичного пара в многоколонных аппаратах получил применение в аппаратах для производства виски на заводах США [12].

За последние годы аппараты с использованием вторичного пара строились также во Франции. На рис. XIV—5 представлена схема брагоректификационного аппарата французской фирмы Спейшим. Согласно каталогу этой фирмы за 1965 г., аппарат предлагается для производства спирта крепостью 96,2—96,5% об. высшего качества (extra-neutral). Аппарат имеет три ко­лонны: бражную А, эпюрационную В и ректификационную С.

Колонна А обогревается вторичным паром из кипятильника-дефлегматора О. Бражной конденсат перекачивается в эпюрационную колонну насосом Р. Вакуум создается насосом М.

Другой тип аппарата с использованием вторичного пара предназначен для получения высокоградусного спирта (90—94°) без отбора фракций. Он имеет две бражные колонны и укрепляющую колонну. Одна из бражных колонн работает под ва-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. ХIV-6. Схемы  использования вторичного пара:

1,    2 — колонны,     3 — дефлегматор-испаритель,

4 — дефлегматор-кипятильник, 5 — насос.

 

куумом, другая — под нормальным давлением. Пар из укреп­ляющей колонны поступает в дефлегматор-кипятильник. Вто­ричный пар из дефлегматора обогревает первую колонну. Бражка поступает из напорного бака двумя потоками в обе колонны. Оба описанных аппарата работают по принципу кос­венного действия.

На рис. XIV—6 приведены принципиальные схемы использования вторичного пара в описанных выше аппаратах. Показан­ная па рис. XIV—6,а колонна 1 работает под давлением р1, а колонна 2 — под давлением р2. При этом р1>р2. Пары из колон­ны 1 поступают в дефлегматор-испаритель 3, представляющий собой выпарной аппарат того или другого типа. Пары посту­пают в межтрубное пространство и здесь конденсируются. За счет тепла их конденсации происходит испарение воды, нахо­дящейся в соковом пространстве выпарной установки. Вторич­ный пар поступает в колонну 2 для ее обогрева.

На рис. XIV—6,б показана другая схема использования вторичного пара. Здесь 1 и 2 колонны, работающие под давлением р1 и р2, и р1>р2. Дефлегматор-кипятильник 3 обогревается паром из колонны 1. Конденсат этого пара может быть использован как флегма или же направлен в другую колонну для дальнейшей разгонки. Он откачивается насосом. Теплообменник 4

 

 

 

Рис. XIV- 7.Схема брагоректификационного аппарата, предложенная В. И. Баренцевым

1 — дефлегматор бражной колонны, 2 — сепаратор углекислоты, 3 - бражная колонна,

4 — промежуточный сборник для барды, 5 — насос, 6- ловушка, 7 — конденсатор,

8 — вакуум-насос, 9 — спиртовая ловушка, 10 - сборник дистиллята, 11 — насос,

12 — сборник дистиллята, 13 — подогреватель, 14 - эпюрационная колонна,

15 — дефлегматор, 16 — конденсатор, 17 – кипятильник, 18 — сборник конденсата,

19 — ректификационная колонна, 20 – дефлегматор, 21 — конденсатор, 22 — кипятильник,

23 — сборник горячей воды, 24- испаритель, 25 — барометрический ящик.

 

присоединен к колонне 2, для которой он служит испарителем. Образующийся в нем пар поступает в колонну.

В заключение приведем оригинальную схему брагоректификационного аппарата, разработанную В. И. Баранцевым, и ре­комендованную для внедрения (рис. XIV—7).

Под вакуумом 600—620 мм рт. ст. находится бражная колонна 3. Она обогревается паром из испарителя 24. В испари­теле образуются пары за счет самоиспарения конденсатов, по­ступающих из кипятильников 17, 22 эпюрационной 14 и ректификационной 19 колонн. Недостаток пара покрывается за счет ретурного. Расчеты показали, что при такой тепловой схеме эко­номия пара составляет 12% [13].

 

 

 

§ 6. О ПЕРЕГОНКЕ БРАЖКИ ПОД ВАКУУМОМ С СОХРАНЕНИЕМ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНЫХ ДРОЖЖЕЙ

 

При составлении схемы аппарата с использованием вторич­ного пара основным вопросом является вопрос о том, какое давление должно быть создано в той или другой колонне многоколонного аппарата. С этой точки зрения весьма интересен вопрос: нельзя ли провести перегонку бражки при таких температурах, чтобы дрожжи в барде оставались жизнедеятельными? Очевидно, это возможно только при достаточно глубоком вакууме в бражной колонне. При этом бражная колонна могла бы обогреваться паром ректификационной колонны, работающей при нормальном давлении.

Если бы в отходящей из аппарата барде дрожжи сохрани­лись живыми, то на сепарацию отправлялась бы не бражка, содержащая спирт, а барда. Вследствие этого значительно уменьшались бы потери спирта, неизбежные при сепарации бражки. Промывные воды не разбавляли бы бражку, так как их не направляли бы на перегонку. Кроме того, как мы видели в гл. XIII, понижение температуры кипения в бражной колонне должно повести к замедлению процесса эфирообразования и к улучшению качества сырца.

Исследование этого вопроса проведено В. И. Баранцевым в работе, выполненной под руководством А. И. Скирстымонского и автора на Лохвицком спирткомбинате [14].

В этом исследовании В. И. Баранцев сначала в лабораторных опытах установил, что при перегонке под вакуумом 730 мм рт. ст. дрожжи сохраняются довольно хорошо. Процент мертвых клеток увеличивается незначительно, а подъемная сила дрожжей не уменьшается. Это дало основание предположить, что перегонка под вакуумом даст возможность выделять пекар­ские дрожжи из барды

Для выяснения этого вопроса В. И. Баранцев соорудил на Лохвицком спирткомбинате полупроизводственную бражную колонну, работавшую под вакуумом. Установка имела колонну диаметром 81 мм и высотой 10,5 м. Колонна имела 25 провальных тарелок живым сечением 12,5% с расстоянием между тарелками 350 мм.

Вакуум создавался суховоздушным насосом. В верхней части колонны вакуум был равен 710 мм рт. ст., а в нижней 675—680 мм рт. ст

Результаты исследования показали, что при этих условиях перегонки дрожжи сохраняются живыми и могут быть использованы для получения пекарских дрожжей. Было также выяс­нено, что качество спирта-сырца при перегонке под вакуумом значительно улучшается; это, по-видимому, может быть объяснено тем, что химимческие процессы, ведущие к образованию примесей в бражной колонне, при низкой температуре идут менее интенсивно. Работа В. И. Баранцева показала возможность перегонки бражки с сохранением жизнедеятельных дрожжей.

 

 

 

§ 7 ВЛИЯНИЕ ВАКУУМА НА ОТБОР ГОЛОВНЫХ И ХВОСТОВЫХ ПРИМЕСЕЙ СПИРТА

 

Если работой В. И. Баранцева было достаточно освещено влияние вакуума на процесс брагоперегонки, то вопрос о влиянии вакуума на процесс отбора головных и хвостовых примесей менее изучен. Разведочное исследование в этом направлении проведено в Московском институте тонкой химической технологии Н. И. Гельпериным и П. К. Бобковым [15] в 1956 г.

Опыты проводились в лабораторном кубовом аппарате со стеклянной колпачковой тарелкой без дефлегматора. Емкость куба составляла ~ 1,7 л. Ректификация проводилась при нормальном давлении и при остаточном давлении 50 мм рт. ст. Затем на основании групповых анализов состава дистиллята и кубового остатка выполнялись расчеты с целью определения коэффициентов испарения и коэффициентов ректификации примесей. Определение проводилось при загрузке куба сырцом без предварительной обработки или сырцом, предварительно химически очищенным по способу Грацианова.

Результаты определений коэффициентов испарения при загрузке куба спиртом-сырцом приведены в таблице XIV—6.

Данные, полученные при загрузке куба очищенным спиртом-сырцом, приведены в таблице XIV—7.

Учтем, что в области концентраций этилового спирта от 70 до 90% об. коэффициент испарения его при изменении давления от 760 до 50 мм рт. ст. изменяется очень незначительно, а именно: при крепости 77% об. на 1%, при крепости 89,5% об. также на 1 %.

Следовательно, можно принять, что приведенные в: табл. XIV—5 и XIV—6 показатели дают также и соотношения коэффициентов ректификации примесей. Не останавливаясь на абсолютных значениях, полученных авторами величин, отметим только тенденцию к изменению коэффициентов при изменении давления.

При понижении давления в пределах исследованных концентраций при вакууме эфиры будут иметь несколько меньший коэффициент ректификации. Коэффициент ректификации альдегидов возрастает при работе под вакуумом, а коэффициент ректификации сивушного масла при вакууме также будет больше, чем при нормальном давлении.

 

Таблица ХIV- 6

Коэффициенты испарения примесей спирта-сырца при разных давлениях в колонне

 

 

 

Таблица    ХIV- 7

Коэффициенты испарения при загрузке куба очищенным сырцом

 

 

 

В экспериментальном материале этой работы остается много неясного и требующего разъяснения. Однако все же можно сделать некоторые выводы. По-видимому, можно ожидать следующих результатов применения вакуума в эпюрационной и ректификационной колоннах.

1. Место отбора сивушного масла должно быть установлено выше обычного, так как коэффициент ректификации его возрастает.

2. Выделение альдегидов будет облегчено применением вакуума.

3. На выделение эфиров вакуум не окажет существенного воздействия.

 

В. Г. Скибало [16, 17] также исследовал вопрос о влиянии давления на процесс выделения примесей при ректификации. Опыты были проведены на колонне, работавшей по замкнутому циклу при изменении давления от 40 до 1140 мм рт. ст. и при изменении крепости навалки от 39,5 до 90% об.

Исследование показало, что давление в колонне оказывает существенное влияние на процесс выделения эфиров и альдегидов при эпюрации. Скибало подтвердил, что изменение давления оказывает более существенное влияние на выделение альдегидов, чем на выделение эфиров. При этом наблюдается интересное явление: автор установил, что имеется два оптимальных давления для выделения альдегидов: 110 и 1140 мм рт. ст. (при крепости навалки 39,5% об.). Для эфиров при этой крепости навалки влияние изменения давления незначительно.

При эпюрации крепкого спирта (сырца) автор нашел для выделения эфиров оптимальным давление 100 мм рт. ст.

Опыты Скибало не дали убедительного ответа о целесооб­разности проведения эпюрации под вакуумом. Необходимо про­ведение исследований в условиях, близких к производственным.

 

 

 

§ 8. АППАРАТЫ С ТЕРМОКОМПРЕССИЕЙ

 

Последний тип аппаратов, рассматриваемых нами, — это аппараты с термокомпрессором. Схема такого аппарата дана на рис. XIV—8. На этой схеме изображен одноколонный аппа­рат. Поступающий на перегонку продукт подогревается в теплообменнике 1 и поступает в колонну 2. Отходящий остаток отдает свое тепло в теплообменнике. Водно-спиртовые пары из аппарата поступают в компрессор 3, откуда после сжатия направляются в теплообменник 4, обогревающий колонну. Кон­денсат паров насосом 5 частично возвращается в колонну в качестве флегмы, а частично отводится как дистиллят.

На рис. XIV—9 приведена другая схема установки с термо­компрессором.

Колонна этого аппарата питается подогретой в теплообменнике 2 бражкой. Бражка нагревается за счет тепла отходящей барды. Спиртовые пары конденсируются в дефлегматоре-испа­рителе 3. В трубках испарителя циркулирует вода, которая, испаряясь, образует вторичный пар, поступающий на компрессор 4. Сжатый водяной пар направляется в колонну. Необходи­мый вакуум в паровом пространстве испарителя поддерживается при помощи компрессора 4.

Марийе [8] приводит данные о работе аппаратов с термо­компрессором. Из этих данных следует, что применение термокомпрессора экономит до 40% пара, т. е. примерно столько же сколько экономит многоколонный аппарат с несколькими ступенями давления. Однако эти данные вызывают некоторые сомнения. Как известно, экономический эффект, даваемый термокомпрессором, значителен в том случае, когда разница между температурой кипящей жидкости и температурой насыщенного пара при давлении в аппарате незначительна. Иначе говоря

 

 

для того чтобы применение термокомпрессора было эффективным, депрессия раствора должна быть небольшой.

В случае применения термокомпрессора к ректификационному аппарату мы имеем своеобразный температурный режим.

В нижней части колонны температура значительно выше, чем в верхней, так как содержание нижекипящего компонента возрастает по мере продвижения паров к верхней части ко­лонны.

Следовательно, разница температур возникает прежде всего за счет разницы концентраций нижекипящего компонента в нижней и в верхней частях колонны.

Пары из колонны поступают в дефлегматор-кипятильник в качестве греющего. Естественно, что для конденсации пара необходимо иметь некоторую разность температур между греющим паром и кипящей жидкостью. Следовательно, вторичный пар из дефлегматора-кипятильника будет иметь еще меньшую температуру, чем пары, поступающие из колонны. Это поведет к тому, что разность температур пара, поступающего в компрессор, и пара, обогревающего ректификационную колонну, станет весьма значительной. Все сказанное заставляет отнестись с недоверием к возможности получения значительного эффекта от применения термокомпрессора.

М. С. Козлова под руководством автора провела расчет ректификационного аппарата производительностью 2000 дал безводного спирта в сутки с применением термокомпрессора. Было выполнено два расчета: установка с инжектором и установка с турбокомпрессором с использованием отработавше­го пара турбины [1]. В результате расчетов установлено, что первый вариант может дать экономию тепла 16—20%, а вто­рой 17—35%, в зависимости от условий работы. Однако следует учесть, что затраты на установку турбокомпрессора более значительны.

Практическое применение турбокомпрессор получил в гидролизной и сульфитно-спиртовой отраслях промышленности Советского Союза. В этих отраслях вследствие низкой концент­рации спирта в бражке расход пара на брагоректификационные аппараты весьма велик. При этом значительная часть тепла, расходуемого в брагоперегонном аппарате, затрачивается на обогрев барды. Это прекрасно демонстрируется диаграммой (рис. XIV—10) тепловых потоков брагоперегонного аппарата .

Как видно из диаграммы, количество тепла, уносимое бар­дой, велико. Температура барды 103—106° С. К. П. Андреев и А. В. Зеленщиков предложили использовать значительную часть этого тепла при помощи пароинжекционной установки. Такая установка была построена на двух сульфитно-спиртовых заводах. Схема установки приведена на рис. XIV—11.

Работа установки протекала следующим образом. Барда через регулятор уровня прямого действия 3, связанный с шибером 6, поступает в испаритель 1. Барда вводится в испаритель тангенциально, что обеспечивает более интенсивное ее самоиспарение.

Испаритель снабжен двумя инжекторами 2, которые отсасывают из испарителя пары, выделившиеся из барды. Тем самым в испарителе создается разрежение, вызывающее интенсивное самоиспарение. Инжектор сжимает вторичные пары, выделившиеся из барды, и возвращает их в колонну.

 

 

 

 

На рис. XIV—10 приведена диаграмма, составленная К. П. Андреевым и его сотрудниками [19]. На диаграмме наглядно представлен тепловой поток брагоперегонного аппарата с пароинжекционной установкой. Как видно из диаграмы, таким путем удается использовать только часть тепла, содержащегося в барде, а большая часть его остается неиспользованной, однако и имеющаяся экономия тепла достаточно значительна.

Как показали наблюдения над производственными установками, работа установок может быть иллюстрирована следующими данными (табл. XIV—8).

 

Таблица   ХIV-8

Результаты испытаний пароинжекционных установок [19]

 

 

Как известно, коэффициент инжекции и показывает, какое количество вторичного пара (в кг) засасывается и сжимается в инжекторе на каждый килограмм поступившего в инжектор рабочего пара.

Из данных табл. XIV—8 видно, что величина коэффициента инжекции при работе установки колеблется в пределах 0,2—0,3 кг/кг.

Коэффициент полезного действия характеризует эффективность пароструйного инжектора. Теоретически он не превышает 0,35. Обычные его значения для производственных установок 0,2—0,25. Сравнительно низкое значение КПД. при проведенных испытаниях говорит о том, что конструкция установки была не вполне удачной.

Несмотря на это простая и недорогая установка, изготовленная на заводе, дала экономию пара до 20%. Поэтому есть все основания считать предложенный метод утилизации отбросного тепла барды перспективным и для спиртовой промышленности.

Имеются также предложения об использовании тепла барды для подогрева воды, идущей на отопительные цели, однако и эти предложения реализованы на немногих заводах. Поэтому представляется целесообразным использовать описанный выше опыт сульфитно-спиртовых заводов.

Вопрос многократного использования тепла в ректификационных и брагоректификационных установках в настоящее время может считаться достаточно хорошо разработанным. Применение этого принципа сулит значительные экономические выгоды, обоснованные теоретическими расчетами и производственными опытами.

 

Литература.

1. В. Н. Стабников. Перегонка и ректификация этилового спирта. Издательство “Пищевая промышленность”, 1969.