Эффекты очистки спирта от примесей в эпюрационных колоннах Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 663.52

Профессор Г.В. Агафонов, аспирант А.В. Торшин,

(Воронеж. гос. ун-т инж. технол.) кафедра технологии бродильных и сахаристых производств. тел. (473) 255-37-32 E-mail: [email protected]

профессор В.М. Перелыгин

Professor G.V. Agafonov, graduate student A.V. Torshin,

(Voronezh state university of engineering technologies) Department of Technology of fermentation and sugar industries. phone (473) 255-37-32 E-mail: [email protected] Professor V.M. Perelygin

Эффекты очистки спирта в эпюрационных колоннах

The effects of alcohol purification in depuration column

Реферат. В настоящее время к качеству этилового спирта предъявляются все большие требования. В задачу настоящего исследования входило изучение эффектов эпюрации спирта и разработка новых способов их расчёта на основе модели теоретической тарелки. В работе рассматривалась работа эпюрационной колонны при различных режимах. Были составлены уравнения материального баланса и по ним рассчитано распределение концентраций спирта по тарелкам колонны. Далее из них получены уравнения для оценки эффектов очистки этилового спирта от сопутствующих примесей. Проведённые расчёты показали, что при работе эпюрационной колонны по методу гидроселекции наблюдается значительное снижение концентрации этилового спирта на её тарелках. В результате увеличиваются коэффициенты испарения примесей, что существенно улучшает их вываривание и концентрирование. Однако при этом снижается крепость эпюрата, что может ухудшить работу ректификационной колонны и привести к потерям с лютером. Поэтому был рассмотрен вариант с установкой отгонной части на эпюрационную колонну, благодаря чему повышается крепость эпюрата и снижается содержание в нём органических кислот и других хвостовых примесей, которые отводятся с лютером из её куба. Записав уравнения материального баланса для отгонной части было определено, что потери спирта с кубовой жидкостью отсутствуют. С учетом некоторых допущений, из уравнений материального баланса получены уравнения для оценки доли хвостовых примесей, отводимой с лютером. Проведенные расчеты показали, что больше половины хвостовых примесей, поступающих в эпюра-ционную колонну с питанием, удаляются из её куба.

Summary. Currently to the quality of ethyl alcohol increased requirements. The task of this research was to examine the effects of alcohol depuration and development of new methods of calculation based on the model of theoretical plates. The paper examines the work depuration column at different modes. Were composed material balance equation and it is calculated concentration distribution of ethanol on the plates of the column. Further we obtained equations for estimating the effects of ethanol purification from the accompanying impurities. The carries out calculations have shown that when depuration column working with water selection method observed the significant decrease in the concentration of ethanol on her plates. As a result, increases the coefficient evaporation of impurities, which considerably improved it concentration. But it fortress of epurate reduced, which may degrade the performance of the distillation column and result in a loss with the bottoms liquid. It was therefore reviewed variant with the installation of the stripping part on depuration column, thereby increasing the concentration of ethanol in epurate and reduced the content in it of organic acids and other tail impurities that are discharged with liquid from her cube. Having recorded material balance equation for the stripping part, it was determined that are no losses of alcohol with cube liquid are. With some assumptions, from the equations of material balance are obtained the equations allowing estimating proportion of tail impurities withdrawn with cube liquid. The calculations have shown that more than half of the tail impurities incoming to the depuration column removed from her cube.

Ключевые слова: этиловый спирт, эпюрация, гидроселекия.

Keywords: ethyl alcohol, depuration, water selection

В задачу настоящего исследования входило изучение эффектов эпюрации спирта и разработка новых способов их расчёта на основе модели теоретической тарелки.

Пусть имеется эпюрационная колонна (ЭК), содержащая n и m теоретических тарелок

от примесей from impurities

в её выварной и концентрационной частях. Колонна оборудована дефлегматором, конденсатором и кипятильником.

© Агафонов Г.В., Торшин А.В., Перелыгин В.М., 2015

Запишем уравнение материального баланса этилового спирта или примеси для дефлегматора колонны, считая, что эффект его укрепляющего действия равен одной теоретической ступени конденсации пара:

g ■ Уп+Ш = (£ - ^ ) • + ^ • УD

(1)

где g - молевой поток пара в колонне; Уп+т - молевая доля этилового спирта или примеси в паре над (п+т)-й тарелкой; FD - молевой поток фракции, отбираемой из конденсатора; XD, уD - молевые доли этилового спирта или примеси соответственно в флегме и паре, поступающем из дефлегматора в конденсатор;

Составим теперь уравнения материального баланса этилового спирта или примеси для тарелок колонны с учётом уравнения (1). При этом счёт тарелок будем вести снизу вверх, помечая куб колонны индексом «0», а индексом «Б» - её дефлегматор.

К ■ Х = £ ■ Уо + Ь0 ■ Х К ■ Х2 = £ ■ У1 + Ь0 ■ Х0

Ьп ■ Хп = £ ■ Уп-1 + Ь0 ■ Х0 Ьт ■ Хп+1 = £ ■ Уп - ¥В ■ Уи

(2)

Ь„

Хп+ 2 = £ ■ Уп+1 ^и ■ уэ

Ьт ■ Хп+т £ ■ Уп+ш-1 ^и ■ Уи ,

где Ln и Lm - молевые потоки жидкости соответственно в выварной и концентрационной частях колонны:

К = I + £ - , (3)

где 1 - молевой поток гидроселекционной воды, подаваемый на верхнюю тарелку колонны;

(4)

где Lc - молевой поток питания, подаваемого на п-ую тарелку;

Ко = 4 - £, (5)

Уравнение материального баланса спирта или примеси для всей эпюрационной колонны имеет вид:

Ь = Ь + Ь ,

п т с '

Ьс ■ Хс = Ь0 ■ Х0 + FD ■ Уи ,

(6)

где Хс - молевая доля этилового спирта в питании колонны.

Пусть число теоретических тарелок в выварной и концентрационной частях колонны составляет соответственно п=12 и т=8. В дальнейшем потоки жидкости и пара будем рассчитывать для брагоректификационной установки (БРУ), производящей этилового спирта 3000 дал/сутки, или 21,41543 кмол/ч. Удельный расход пара на обогрев колонны примем равным 12 кг/дал или 83,2593 кмол/ч. В расчётах примем, что выход этилового спирта для БРУ составляет 97 %, а его подача в эпюрационную колонну с фракцией сивушного спирта равна 5 %. Тогда питание эпюраци-онной колонны должно содержать этилового спирта в количестве: Ьс ■ хс = 23,12866 кмол/ч. Примем Хс=0,1615 молевых долей (39,66% об.), тогда Lc=143,2115 кмол/ч.

Для указанных условий работы эпюраци-онной колонны проведены по уравнениям (1)-(6) расчёты распределения концентраций этилового спирта по её тарелкам. Расчёты осуществлялись общепринятым способом «от тарелки к тарелке» на основе данных В.Н. Стабникова и О.Г. Муравской [1] о фазовом равновесии жидкость-пар в системе этиловый спирта-вода.

Полученные результаты приведены в таблице 1, из которой видно, что с увеличением расхода гидроселекционной воды наблюдается значительное снижение концентрации этилового спирта на тарелках эпюра-ционной колонны. При этом на большинстве тарелок её выварной части концентрация этилового спирта постоянна. Исключение составляют только куб и первая тарелка колонны, где наблюдается значительное понижение концентраций этилового спирта. В отсутствие подачи гидроселекционной воды концентрация этилового спирта на тарелках концентрационной части резко увеличивается при движении снизу вверх по высоте колонны, тогда как при подаче на верхнюю тарелку гидроселекционной воды концентрация спирта на тарелках её концентрационной части постоянна, а при 1 = 222,0249 кмол/ч эта концентрация меньше, чем в выварной части колонны.

Т а б л и ц а 1

Распределение концентраций этилового спирта по тарелкам ЭК при п=12, т=8, g= 83,2593 кмол/ч, расходе гидроселекционной воды 1 кмол/ч и

отборе фракции из конденсатора FD•yD кмол/ч

№, № теоретических тарелок 1=0 1=27,7531 1=111,0124 1=222,0249

FD•yD= 0,32123 FD•yD= 0,64246 FD•yD= 1,92739 FD•yD= 0,32123 FD•yD= 0,64246 FD•yD= 1,92739 FD•yD= 0,32123 FD•yD= 0,64246 FD•yD= 1,92739 FD•yD= 0,32123 FD•yD= 0,64246 FD•yD= 1,92739

D 0,8433 0,8426 0,8361 0,6383 0,6373 0,6334 0,5418 0,5404 0,5352 0,4790 0,4766 0,4664

20 0,8356 0,8349 0,8292 0,4781 0,4767 0,4711 0,2314 0,2301 0,2247 0,1301 0,1289 0,1238

19 0,8267 0,8259 0,8204 0,4781 0,4766 0,4710 0,2314 0,2301 0,2247 0,1301 0,1289 0,1238

18 0,8257 0,8148 0,8090 0,4780 0,4765 0,4709 0,2314 0,2301 0,2247 0,1301 0,1289 0,1238

17 0,8006 0,7995 0,7937 0,4777 0,4762 0,4707 0,2314 0,2301 0,2247 0,1301 0,1289 0,1238

16 0,7789 0,7777 0,7713 0,4767 0,4753 0,4697 0,2314 0,2301 0,2247 0,1302 0,1290 0,1239

15 0,7436 0,7423 0,7352 0,4734 0,4719 0,4662 0,2312 0,2299 0,2245 0,1304 0,1292 0,1243

14 0,6839 0,6823 0,6744 0,4616 0,4601 0,4542 0,2302 0,2288 0,2235 0,1311 0,1299 0,1253

13 0,5768 0,5751 0,5676 0,4193 0,4178 0,4116 0,2248 0,2234 0,2184 0,1333 0,1323 0,1284

12 0,3137 0,3127 0,3083 0,2738 0,2729 0,2692 0,1979 0,1971 0,1940 0,1423 0,1417 0,1390

11 03137 0,3127 0,3083 0,2738 0,2729 0,2692 0,1979 0,1971 0,1940 0,1423 0,1417 0,1390

10 0,3137 0,3127 0,3083 0,2738 0,2729 0,2692 0,1979 0,1971 0,1940 0,1423 0,1417 0,1390

9 0,3137 0,3127 0,3083 0,2738 0,2729 0,2692 0,1979 0,1971 0,1940 0,1423 0,1417 0,1390

8 03137 0,3127 0,3083 0,2738 0,2729 0,2692 0,1979 0,1971 0,1940 0,1423 0,1417 0,1390

7 0,3137 0,3127 0,3083 0,2738 0,2729 0,2692 0,1979 0,1971 0,1940 0,1423 0,1417 0,1390

6 03137 0,3127 0,3083 0,2738 0,2729 0,2692 0,1979 0,1971 0,1940 0,1423 0,1417 0,1390

5 0,3137 0,3126 0,3083 0,2738 0,2729 0,2692 0,1979 0,1971 0,1940 0,1423 0,1416 0,1390

4 0,3137 0,3126 0,3082 0,2738 0,2728 0,2691 0,1978 0,1970 0,1939 0,1422 0,1415 0,1388

3 0,3131 0,3121 0,3076 0,2733 0,2724 0,2686 0,1974 0,1966 0,1935 0,1415 0,1408 0,1380

2 0,3095 0,3084 0,3037 0,2703 0,2693 0,2653 0,1943 0,1935 0,1900 0,1372 0,1364 0,1331

1 0,2869 0,2855 0,2795 0,2487 0,2473 0,2416 0,1711 0,1699 0,1649 0,1179 0,1169 0,1130

0 0,1597 0,1519 0,1503 0,1338 0,1327 0,1260 0,0899 0,0888 0,0844 0,0625 0,0617 0,0525

& га

В

2

2 £

Для оценки эффекта вываривания примесей в эпюрационной колонне из уравнений системы (2) получено:

(Ьп - £) ■ (ап-2 -1)

К ■ (а-1) , (7)

^ = = а"^ +

Хг.

имеют постоянное значение Кп, поскольку по данным таблицы 1 концентрация этилового спирта на указанных тарелках одинакова.

Для расчёта степени концентрирования

Хг.

примесей с = —

где =

£ •, L - g

2 L„ 1 L„

g • K0 + Ln - g

L„ Ln

g • Kn

(8)

(9)

(10) (11)

При выводе уравнения (7) принято, что коэффициенты испарения изученных примесей для тарелок со 2-й по п-ую включительно

а = -

L„

K2 = K3 = K4 = ... = Kn

т на тарелках концентраци-

Хп

онной эпюрационной колонны и в её дефлегматоре си получено из уравнений (1) и (2):

Уи _Ки • Кп+т • (V + 1)

Хп+т Ки + V

(12)

где V = - и - флегмовое число эпюраци-Ьв

онной колонны; Ки и Кп+т - коэффициенты испарения примеси для дефлегматора и (п+т)-й тарелки.

^ m

Pn+m Pn+m-1 ... Рп

1 + F- ■ (1 + Pn+m + Pn

(13)

■ Р + + Р ■ Р ■ ■ Р )

rn+m-1 .....r-'n+m rn+m-1 r-^n+U

где Р =

g • K

L„

Как следует из данных таблицы 1, при работе эпюрационной колонны по методу гидроселекции концентрация спирта на тарелках её концентрационной части практически одинакова, в связи с чем можно допустить:

Kn+1 = Kn+2 = ... = Km = const (14)

В этом случае уравнение (13) преобразуется к виду:

ж = ■

FD -&D

FD

и

(17)

^m

Р,

F pm+1 -1'

1 | D pm 1

L_

(15)

Pm - 1

Где Pm =

LlKm

L

С использованием соотношения (6) запишем уравнение для расчёта доли примеси ж, отбираемой с фракцией FD из конденсатора эпюрационной колонны:

Уо

ж =

FD • yD

xo F • Zd + т

D 0

ХГ,

(16)

FD • yD + L0 • x0

Поскольку aD -am - an = — , перепи-

vo

x

0

шем уравнение (16) в виде:

Расчёты значений ж по уравнениям (7), (12), (13), (15), (17) проведены для ряда примесей этилового спирта с использованием данных [2] об их коэффициентах испарения. Результаты вычислений приведены в таблице 2, из которой следует, что увеличение расхода гидроселекционной воды улучшает очистку этилового спирта от компонентов сивушного масла и других трудновыделяемых примесей. При этом однако имеет место снижение концентрации спирта в эпюрате. Так, например, при 1 = 222,0249 кмол/ч (4000 кг/ч) молевая доля этилового спирта в эпюрате составляет 0,0585 молевых долей (16,97 % об.), что может осложнить работу ректификационной колонны и повлечь потери спирта с лютером из её куба. Для повышения содержания спирта в эпюрате в работах [3, 4] предложено дооснащать эпюра-ционную колонну отгонной частью и осуществлять боковой отбор эпюрата, что обеспечивает увеличение концентрации этилового спирта в нём и снижение содержания органических кислот и других хвостовых примесей, которые выводятся с лютером из куба эпюраци-онной колонны.

n

n

Т а б л и ц а 2

Доли примесей ж, отбираемых с фракцией из конденсатора ЭК, при п=12, т=8, g=83,2593 кмол/ч, расходе гидроселекционной воды 1 кмол/ч и отборе фракции из конденсатора FD•yD кмол/ч этилового спирта

Примеси этилового спирта Доля примеси ж в фракции из конденсатора ЭК, %

1=0 1=27,7531 1=111,0124 1=222,0249

FD•yD= 0,32123 FD•yD= 0,64246 FD•yD= 1,92739 FD•yD= 0,32123 FD•yD= 0,64246 FD•yD= 1,92739 FD•yD= 0,32123 FD•yD= 0,64246 FD•yD= 1,92739 FD•yD= 0,32123 FD•yD= 0,64246 FD•yD= 1,92739

Ацетальдегид 99,99 99,99 99,99 99,99 99,99 99,99 99,99 99,99 99,99 99,99 99,99 99,99

Метилацетат 99,99 99,99 99,99 99,99 99,99 99,99 99,99 99,99 99,99 99,99 99,99 99,99

Н. масл. альдегид 99,95 99,95 99,97 99,96 99,96 99,97 99,99 99,99 99,99 99,99 99,99 99,99

Этилацетат 99,99 99,99 99,99 99,99 99,99 99,99 99,99 99,99 99,99 99,99 99,99 99,99

Метанол 38,92 45,32 58,70 22,26 33,00 45,15 2,01 4,03 10,15 0,421 0,929 2,39

Кротон. альдегид 5,44 16,60 38,19 15,89 28,69 52,35 38,23 37,13 71,05 96,78 97,64 98,84

Пропанол-1 3,66-10-4 1,42-10-3 5,14-10-3 9,80-10-3 2,13-10-2 7,82-10-2 0,768 1,60 7,04 5,42 9,97 26,35

Пропанол-2 5,50 11,90 31,40 15,56 24,74 46,85 35,06 47,82 64,51 51,03 59,31 74,45

Изобутиловый спирт 2,80-10-5 6,77-10-5 2,82-10-4 3,75-10-4 9,31-10-4 2,49-10-3 0,462 1,11 5,29 3,90 7,56 22,75

Изоамиловый спирт 2,16-10-9 6,61-10-9 1,56-10-8 2,46-10-4 6,53-10-6 2,92-10-5 9,08-10-2 0,204 1,12 20,55 34,45 68,05

о

Уравнения материального баланса этилового спирта или примеси для отгонной части эффективностью w теоретических тарелок имеют вид:

Lw L,

xi = g ■ J0 + L0' Х2 = g ■ У1 + L0

(18)

К ■ К = 8 ■ У*-1 + L0 • ^

где Lw - молевой поток жидкости в отгонной части:

К = Кп — Кэп ;

Lэп - молевой поток эпюрата;

Lo - молевой поток лютера:

А> = К - 8;

Xw - молевая доля спирта или примеси в эпюрате.

Решение уравнений (18) относительно молевой доли этилового спирта в лютере хэ при g=83,2593 кмол/ч, Xw=0,1264, FD•yD=0,6425 кмол/ч, ^==143,2115 кмол/ч, 1=222,0249 кмол/ч,

Lэп=182,98 кмол/ч, Lw=264,52 кмол/ч,

Lo=181,26 кмол/ч дало следующий результат: Х0=0,000001 молевых долей, что свидетельствует о работе эпюрационной колонны без потерь спирта с лютером.

Используем теперь уравнения системы (18) для оценки доли хвостовых примесей Ж0, отбираемой с лютером из куба эпюрацион-ной колонны. При этом отбором этой примеси из её конденсатора будем пренебрегать. Тогда:

1 (19)

L0 ■ Х0

L0 ■ x0 + Lэп ■ Хэп

1 + L п ■ Xw

L0 Х0

ЛИТЕРАТУРА

1 Цыганков П.С., Цыганков С.П. Руководство по ректификации спирта. М: Пищепромиздат, 2002. С. 380-381.

2 Перелыгин В.М. Физико-химические основы расчёта и проектирования брагоректификацион-ных аппаратов в спиртовой промышленности: авто-реф. дис. ... докт. техн. наук. К.: МГТУ, 1971. 40 с.

3 Пат. РФ №2277433, RU, B01D3/14 C12P7/06. Способ получения этанола / Перелыгин В.М., Никитина С.Ю., Моисеенко В.С., Дяч-кина А.Б. №2004118263/13; Заявл. 2004118263; Опубл. 10.01.2006, Бюлл. №16.

4 Пат. РФ №2315108, RU, C12P7/06. Способ получения ректификованного спирта / Перелы-гин В.М., Перелыгин С.В. №2006104764/13; Заявл. 2006104764; Опубл. 20.01.2008, Бюлл. №2

5 Коган В.Б., Фридман В.М., Кафаров В.В. Равновесие между жидкостью и паром. М-Л: Наука, 1966. Т. 267-269, 272, 540, 541.

Допуская постоянство коэффициентов испарения хвостовой примеси на тарелках отгонной части:

(20)

преобразуем уравнения системы (18) к

K = K =... = K = K0

12 w

виду:

где а0 =

xw ^ Lo ■(1 -<)

= а0 + 7- П Х0 Lw ■ (1 -а0)

g-K L

0

(21)

(22)

Поскольку концентрация этилового спирта на большинстве тарелок отгонной части невелика, воспользуемся коэффициентами испарения K0 уксусной, пропионовой и н. масляной кислот при их бесконечно малом содержании в смесях с водой. С использованием данных [5] о фазовом равновесии жидкость-пар в системах уксусная кислота-вода, пропионовая кислота-вода, н. масляная кислота-вода получено для уксусной кислоты K0=0,738, для пропионовой кислоты K0=1,365 и для н. масляной кислоты K0=1,682. Найденные значения K0 использованы для расчётов по уравнениям (19)-(22) величины Ж0 изученных кислот при принятых условиях работы колонны: Ж0=0,6183 для уксусной кислоты, Ж0=0,5485 для пропионовой кислоты и Ж0=0,5007 для н. масляной кислоты. Таким образом, с лютером из куба эпюрационной колонны выводится 61,83 % уксусной кислоты, 54,85 % пропионовой кислоты и 50,07 % н.масляной кислоты от их количества в питании эпюрационной колонны.

REFERENCES

1 Tsygankov P.S., Tsygankov S.P. Rukovod-stvo po rektifikatsii spirta [Guidelines for alcohol distillation]. Moscow, Pishcheprom., 2002. 400 p. (In Russ).

2 Perelygin V.M. Fiziko-khimicheskie osnovy rascheta i proektirovaniya bragorektifikatsionnykh apparatov v spirtovoi promyshlennosti. Avtoref. diss. dokt. tekhn. nauk [Physical and chemical bases of calculation and design bragorektifikatsion devices in industrial alcohol, laziness. Abstr. dr. techn. sci. diss.]. Krasnodar, 1971. 40p. (In Russ).

3 Perelygin V.M., Nikitina S.Y., Moiseenko V.S., Dyachkina A.B. Sposob poluchenija jetanola [A method for producing ethanol]. Patent RF, no2277433, 2006. (In Russ.).

4 Perelygin V.M., Perelygin S.V. Sposob polu-chenija rektfikovannogo spirta [A method for producing rectified spirit]. Patent RF, no2315108, 2008. (In Russ.).

5 Kogan V.B., Fridman V.M., Kafarov V.V. Ravnovesie mezhdu zhidkost'yu i parom [The equilibrium between liquid and vapor]. Moscow-Leningrad, 1966. 1440 p. (In Russ).

x

0

x

0