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.