CC BY
81
УДК 663.551
Оптимизация работы колонн
по извлечению и концентрированию органических примесей этилового спирта
Ю. В. Булий, канд. техн. наук, доцент; П. Л. Шиян, д-р техн. наук, профессор
Национальный университет пищевых технологий Украины, г. Киев А. П. Дмитрук
ООО «Техниссервис-процесс», Украина, г. Киев
Ключевые слова: гидроселекция; головная фракция; разгонная колонна; спиртсодержащие погоны; управляемая ректификация. Keywords: hydroselection; top fraction; accelerating column; alcohol-containing straps; controlled rectification.
В условиях растущих цен на энергоносители разработка и внедрение инновационных энергосберегающих технологий, обеспечивающих сокращение объемов побочных продуктов и отходов производства, является первоочередной задачей, актуальной для спиртовой промышленности. Резервом увеличения выхода ректификованного этилового спирта служит его выделение из спиртсодержащих отходов. Суть способа заключается в том, что браго-ректификационная установка (БРУ) дополнительно оснащается разгонной колонной (РК). Ее включение позволяет увеличить выход ректификованного спирта с 94-96 до 98-98,5% от спирта, введенного с бражкой, осуществлять двойную гидроселекцию примесей в разгонной и эпюрационной колоннах, в большей степени выделять летучие органические примеси из эпюрата за счет уменьшения концентрации этанола по тарелкам эпюрационной колонны и повышенного отбора ГФ из ее конденсатора [1]. Многолетняя практика эксплуатации разгонных колонн позволила обобщить опыт переработки ГФ и создать рациональные технологические схемы их включения в типовые (БРУ). Для выделения спирта из фракций, обогащенных органическими примесями, на тарелку питания РК направляют спиртсодержащие фракции из спир-толовушек, конденсаторов бражной, эпюрационной и спиртовой колонн, конденсатора сепаратора СО2, сивушный спирт и подсивушную промывную воду. Существуют технологические схемы, в
соответствии с которыми потоки питания раздельно направляют в различные зоны РК в зависимости от летучести органических примесей; отбор концентрата головных примесей осуществляют из конденсатора, а концентрата промежуточных примесей — из жидкостной фазы тарелки, расположенной над точкой ввода воды на гидроселекцию [2, 3]. Для гидроселекции используют горячую умягченную воду температурой, близкой по значению температуре верхней части колонны. Использование лютер-ной воды, содержащей значительное количество органических кислот, вызывает новообразование в колонне дополнительных примесей, что приводит к увеличению спиртсодержащих отходов производства. Количество эстеро-сивушного концентрата (КЭС), образовавшегося в процессе экстрактивной ректификации, зависит от состава летучей части бражки и составляет 0,050,5% от абсолютного алкоголя (а. а.) бражки. Его показатели должны соответствовать требованиям нормативно-технической документации [4].
В условиях производства в процессе разгонки спиртсодержащих фракций типовые БРУ не обеспечивают эффективное извлечение спирта из фракций, обогащенных концевыми и промежуточными примесями (метиловым, изо-бутиловым и н-пропиловым спиртами), которые вместе с кубовой жидкостью возвращаются в цикл ректификации и отрицательно влияют на качество товарного спирта. Нами разработана технология ректификации в режиме
управляемых циклов задержки и пере- I лива жидкости, позволяющая повысить степень извлечения и кратность концентрирования органических примесей, которые образуются на всех стадиях технологического процесса. Инновационная технология предусматривает проведение управляемых циклов задержки жидкости на тарелках РК на заданный промежуток времени с целью повышения эффективности межфазового контакта и ее синхронный перелив с тарелки на тарелку в два последовательных этапа, повторяющихся периодически во времени поочередно: на первом этапе жидкость переливается с каждой непарной тарелки на каждую следующую парную по порядку расположения тарелку, на втором этапе — с каждой парной тарелки на каждую следующую непарную тарелку. При этом греющий пар и питание подают в РК непрерывно. Работа переливных устройств осуществляется за заданным алгоритмом в соответствии с программой контроллера [5].
Известно, что степень извлечения органических примесей зависит от соотношения жидкостного и парового потоков (L/G), а также от концентрации этанола по тарелкам колонны [1]. При постоянном расходе потоков питания и греющего пара величина L/G и концентрация спирта по высоте колонны зависят от количества воды, подаваемой на гидроселекцию. Важным фактором, влияющим на степень извлечения (а) и кратность концентрирования (р) органических примесей, является выбор зон питания РК по ее высоте — места ввода воды на гидроселекцию примесей и места ввода в колонну спиртсодержа-щих фракций.
Цель исследований — определение степени извлечения и кратности концентрирования органических примесей спирта в процессе разгонки ГФ и спирт-содержащих полупродуктов брагорек-тификации в режиме управляемых циклов задержки и перелива жидкости в зависимости от изменения зон ввода питания в РК по ее высоте, определение оптимальных условий для максимального выделения ключевых органических примесей спирта из кубовой жидкости.
Исследования проводили в производственных условиях Чудновского филиала ДП «Житомирский ликероводочный завод». Аппаратурно-технологическая схема установки представлена на рисунке.
Установка включает РК 5, верхняя часть которой связана системой трубо-
6 • 2012 ПИВО и НАПИТКИ 43
ТЕХНОЛОГИЯ1
проводов с дефлегматором 6 и конденсатором 7, сборник умягченной воды 1, пластинчатые теплообменники 2, нижний и верхний вакуум-прерыватели 3 и ротаметры 4. Спиртсодержащие погоны и ГФ перед подачей на тарелку питания РК подогревались в пластинчатых теплообменниках 2 теплом лютерной воды, поступающей из нижней части спиртовой колонны. Расход питания и отбор КЭС из конденсатора 7 контролировали с помощью соответствующих ротаметров 4. Управление работой приборов системы автоматики и приводных механизмов осуществляли с помощью программного обеспечения. По ходу исследований меняли зоны ввода воды на гидроселекцию и спиртсодержащих фракций в РК. Расход питания, греющего пара и количественный отбор КЭС оставляли без изменений.
Для исследований было предусмотрено четыре варианта: в первом случае вода поступала на 30-ю, ГФ и погоны — на 20-ю тарелки; во втором варианте воду подавали на 25-ю, ГФ и погоны — на 20-ю тарелки; в третьем случае вода поступала на 30-ю, а ГФ и погоны подавались на 25-ю тарелки; в четвертом варианте воду, ГФ и погоны подавали на 25-ю тарелку. Время задержки жидкости на тарелках и время ее перелива равнялось соответственно 15 и 5 с, рабочий цикл массообмена — 40 с. Каждую серию опытов проводили в трехкратной повторности с интервалом между опытами 24 ч. Определяющими избирались средние результаты. Расход ГФ и спиртсодержащих погонов составлял 119 дм3/ ч в пересчете на а. а.: ГФ — 6,3%; погонов из конденсаторов бражной колонны и сепаратора СО2 — 9,4%; сивушного спирта — 0,8% от а. а. бражки. Отбор образовавшегося КЭС для всех вариантов составлял 0,25% по а. а., видимая концентрация
Установка для извлечения и концентрирования органических примесей этилового спирта в режиме циклической ректификации:
1 — сборник умягченной воды; 2 — пластинчатый теплообменник; 3 — вакуум-прерыватель; 4 — ротаметр; 5 — РК; 6 — дефлегматор; 7 — конденсатор; ГФ — головная фракция; ЛВ — лютерная вода; ГП — греющий пар; СФ — спиртсодержащая фракция; КЭС — концентрат эстеро-сивушный; КВСЖ — кубовая водно-спиртовая жидкость; В — вода на охлаждение
этанола в кубовой жидкости равнялась 11 об. %. Расход греющего пара на РК определяли исходя из теплового баланса. В процессе разгонки многоком-
Таблица 1
Примесь Концентрация, мг/дм3 (в пересчете на а. а.)
Проба 1 Проба 2 Проба 3 Проба 4
Ацетальдегид 0,134 0,393 0,255 0,271
Альдегиды: 0,134 0,393 0,255 0,271
этилацетат Следы 0,095 Следы 0,082
этилбутират » 0,089 0,147 0,089
Эстеры: » 0,184 0,147 0,171
изопропанол 0,452 0,801 0,623 0,878
н-пропанол 0,112 0,117 0,096 0,112
изобутанол 0,248 0,211 0,227 0,202
изоамиловый спирт 0,204 0,277 0,211 0,241
н-пентанол 0,133 0,097 0,107 0,093
Сивушное масло 1,149 1,503 1,264 1,526
Метанол, об. %: 0,007 0,006 0,010 0,009
кротоновый альдегид 0,110 0,165 0,133 0,146
понентной смеси отбирали опытные пробы ректификованного спирта, КЭС и кубового остатка. Результаты их хро-матографического анализа приведены в табл. 1 и 2. Номера проб, указанные в таблицах, соответствовали номерам вариантов исследований.
При включении РК в схему БРУ выход товарного спирта увеличивался на 3,5% для всех вариантов исследований. Как видно из табл. 1, образцы полученного ректификованного этилового спирта соответствовали требованиям ДСТУ 4221:2003, минимальное содержание летучих примесей оказалось в пробе, полученной при работе РК по варианту 1. В пробе 1 обнаружено минимальное количество составляющих, самая низкая концентрация альдегидов (в том числе кротонового альдегида) и спиртов сивушного масла. Данный об-
44 ПИВО и НАПИТКИ
6•2012
Примесь
'ТЕХНОЛОГИЯ
Таблица 2
Концентрация, мг/ дм3 (в пересчете на а. а.)
Номер пробы кубовой жидкости
Номер пробы концентрата эстеро-сивушного (КЭС)
1 2 3 4 1 2 3 4
Этанол, об. %: 11,0 11,0 11,0 11,0 76,0 92,0 76,0 90,0
ацетальдегид 3,41 5,08 4,64 4,85 21747,89 13763,16 16322,05 10201,00
метилацетат Следы Следы Следы Следы 8035,87 3556,19 8831,53 5322,36
Альдегиды: 3,41 5,08 4,64 4,85 29783,76 17319,35 25153,58 15523,36
этилацетат Следы Следы Следы Следы 330,56 103,21 143,83 125,79
изобутилацетат » 223,42 83,92 312,98 117,30
этилбутират » 4130,40 2279,62 1018,42 784,51
изоамилацетат » 6167,69 4179,10 6818,91 3690,48
Эстеры Следы Следы Следы Следы 10852,07 6645,85 8294,14 4718,08
Метанол, об. %: 0,077 0,110 0,085 0,097 26,938 11,487 22,052 13,695
н-пропанол 359,16 311,48 302,13 236,96 7737,55 6995,33 7264,30 4389,77
изобутанол 769,02 1130,74 985,32 1087,04 46887,11 35246,86 40465,94 23759.17
н-бутанол 45,47 43,94 31,24 8,32 150,60 84,43 125,80 54,56
изопропиловый спирт Следы Следы Следы Следы 36,42 12,45 25,00 8,57
изоамиловый спирт 1274,1 1382,57 1356,79 820,9 27544,11 18353,92 23939,56 14330,49
н-пентанол Следы Следы Следы Следы 86,32 35,10 57,94 25,15
Сивушное масло: 2447,75 2868,73 2675,48 2153,22 82442,11 53732,76 71878,54 42567,71
бутилформиат Следы 4,90 Следы 8,46 184,48 226,92 261,95 64,11
акролеин Следы Следы Следы 547,35 226,28 460,80 68,37
2-бутанон » » » 132,47 133,32 59,80 56,62
кротоновый альдегид » » » 132,72 70,14 75,07 21,64
Нетиповые Следы 4,90 Следы 8,46 997,02 656,66 857,62 210,73
разец отличался отсутствием эстеров, низким содержанием изопропилового и метилового спиртов — примесей, незначительная концентрация которых ухудшает органолептическую оценку товарного спирта. Результаты хро-матографического анализа опытных проб кубовой жидкости и КЭС, образовавшихся в результате разделения спиртсодержащих фракций, в зависимости от зон ввода питания в РК приведены в табл. 2. Внедрение технологии ректификации в режиме управляемых циклов позволяет в полном объеме выделять эстеры (этилацетат, изобутил-ацетат, этилбутират, изоамилацетат), метилацетат, нетиповые примеси (бу-тилформиат, акролеин, 2-бутанон, кро-тоновый альдегид) и изопропиловый спирт. Экспериментально доказано, что головные примеси спирта максимально выделялись в условиях работы РК по вариантам 1 и 3 благодаря снижению концентрации этанола на верхних ее тарелках. Проба 1 кубовой жидкости в сравнении с другими имела самую низкую концентрацию альдегидов, метилового и изобутилового спиртов. Содержание спиртов сивушного масла (н-пропанола, н-бутанола и изоами-лового спирта) было минимальным в пробе 4 кубовой жидкости. Анализ проб образовавшихся КЭС показал, что головные, промежуточные и концевые примеси максимально концентрировались в условиях работы РК по
варианту 1: концентрация альдегидов в пробе 1 в сравнении с другими пробами КЭС увеличилась на 41,8%, эстеров — на 56,5, спиртов сивушного масла —на 48,4, метилового спирта — на 57,0, нетиповых — на 78,8 %.
Для оценки эффективности процесса разгонки учитывали степень извлечения органических примесей, которые содержатся в небольших количествах, но в значительной мере ухудшают ор-ганолептические показатели кубовой жидкости и ректфикованного спирта.
К ним относятся этилбутират, метанол, н-пропанол, изопропанол, акролеин и кротоновый альдегид. Экспериментально доказано, что вышеуказанные примеси максимально концентрировались в пробе 1 КЭС. Видимая концентрация этилового спирта в пробах 1 и 3 КЭС была самой низкой и составляла 76 об. %. Расход греющего пара на процесс разгонки спиртсодержащих фракций в условиях управляемых циклов экстрактивной ректификации составлял 12 кг/дал а. а. Теоретические разработки П. С. Цыганкова и П. Л. Шияна, а также производственный опыт эксплуатации разгонных колонн доказывают, что необходимое условие повышения коэффициентов ректификации головных примесей спирта — снижение концентрации этанола в кубовой жидкости РК до 6-8 об. %, для эффективного извлечения спиртов сивушного масла — до концентрации этанола 4-5 об. %,
для извлечения метилового спирта — проведение умеренной гидроселекции при концентрации этилового спирта на тарелках РК в пределах 60 мол. % [1].
Авторы приносят глубокую благодарность администрации Чудновского филиала ДП «Житомирский ликер овод очный завод» за сотрудничество и помощь при проведении монтажных и пусконаладочных работ.
ЛИТЕРАТУРА
1. Шиян, П. Л. 1нновацшш технологи спиртово! промисловостъ Теорш I практика: Моногра-ф1я/П. Л. Шиян, В.В. Сосницький, С. Т. Олт-тчук. — К.: Видавничий дам «Аскашя», 2009. — 424 с.
2. Патент Украхни 69511 С2. Ректифжацтна установка для вилучення етилового спирту з фракщй, збагачених оргашчними домпттка-ми/Шиян П.Л., Украшець А. I., Сизько В.Б., Жолнер I. Д., Олшшчук С.Т., М]хненко 6. О., Артюхов В.Я. — Опубл. 15.09.04, Бюл. №9.
3. Патент Украши 89875 С2. Споаб вилучення домгшок ¡з спиртовмсних фракцш в процеа брагоректифжаци/Цмитрук А.П., Черняхшський Й. Б., Цмитрук П. А., Булш Ю.В. — Опубл. 10.03.10, Бюл. № 5.
4. Технiчнi умови Украши. Концентрат естеро-сивушний ТУ У 24.6-30219014-004: 2005.
5. Патент RU на изобретение № 2372965 «Способ перелива жидкости по тарелкам колонного аппарата в процессе массообмена между паром и жидкостью»/Цмитрук А. П., Черняховский И. Б., Цмитрук П. А., Булий Ю. В. — Опубл. 20.11.2009, Бюл. № 32. ®
6 • 2012 ПИВО и НАПИТКИ 45
