Содержание

Введение

     Современные заводы бродильной промышленности –  это высокомеханизированные предприятия  с интенсифицированными и непрерывными технологическими процессами. Дальнейшее совершенствование технологии и  техники бродильных производств направлено на расширение ассортимента, повышение качества и выхода выпускаемой продукции, полное и более рациональное использование перерабатываемого сырья, снижение тепло- и энергозатрат, улучшение экологии и обеспечение высоких технико- и экономических показателей работы предприятий.

     На  предприятиях по производству спирта, пожалуй, основной установкой является брагоректификационная, именно поэтому необходимо изучать, пытаться выявлять и исправлять недостатки существующих установок. При производстве спирта желательно получить больший выход спирта с меньшим содержанием вредных примесей, необходимо также грамотно утилизировать отходы. Таким образом, в спиртовом производстве набирается немалое количество проблем, которые нужно решать, но для этого, в первую очередь, нужно освоить теоретические основы главного компонента производства – брагоректиикационной установки. Это я и попытаюсь сделать в своем реферате.

1 Теоретические основы

1.1 Процесс ректификации

     Ректификация  — процесс разделения жидких летучих смесей на компоненты или группы компонентов (фракции) путем многократного двустороннего массо- и теплообмена между противоточно движущимися паровым и жидкостным потоками. Необходимое условие процесса ректификации — различная летучесть (упругость пара) отдельных компонентов.

     При взаимодействии противоточно движущихся потоков в процессе ректификации происходит диффузия легколетучего компонента (ЛЛК) из жидкости в пар и труднолетучего компонента (ТЛК) из пара в жидкость. Способ контактирования потоков может быть ступенчатым (в тарельчатых колоннах) или непрерывным (в насадочных колоннах).

     В результате многократно повторяющегося на последовательных тарелках (ступенях) контактирования движущихся в противотоке по высоте колонны жидкости и пара составы взаимодействующих фаз существенно изменяются: паровой поток при движении вверх обогащается ЛЛК, а жидкостный, стекая вниз, обедняется им, т. е. обогащается ТЛК. При достаточно большом пути контакта противоположно движущихся потоков по колонне в итоге можно получить пар, выходящий из верхней части колонны, представляющий собой более или менее чистый ЛЛК, конденсация которого дает дистиллят, а из нижней части колонны — сравнительно чистый ТЛК, так называемый кубовый остаток.

     Жидкостный  поток в колонне (флегма) образуется в результате частичной конденсации пара, выходящего из верхней части колонны, в специальных теплообменных аппаратах — дефлегматорах или вводится в колонну в виде питания. Для создания парового потока в нижнюю часть колонны вводят определенное количество теплоты непосредственным впуском греющего пара (случай открытого обогрева колонны) или подачей его в специальный теплообменник — испаритель, в котором теплота передается кипящему кубовому остатку через поверхность теплопередачи (случай закрытого обогрева).

1.2 Фазовое равновесие в системе этанол - вода

      Летучесть отдельных компонентов  смеси характеризуют коэффициентом испарения К = у/х—отношением концентрации данного вещества в паровой фазе у к концентрации его в жидкой фазе х при условии, что рассматриваемые фазы бинарной смеси находятся в равновесном состоянии.

     Летучая часть бражки состоит в основном из воды и этанола, поэтому в процессе выделения спирта бражку рассматривают как бинарную смесь этанола и воды. В верхней части рис. 4.6 линия 7 изображает зависимость равновесного состава пара у от состава жидкости х при атмосферном давлении и температуре кипения для смеси этанол—вода. Линия представляет собой геометрическое место точек значений коэффициентов испарений этанола Кэ=у/х из водно-спиртовой смеси. При малых концентрациях спирта в смеси значения К_э максимальны (около 13), при больших — минимальны (около 1).

      Линия равновесного состава в точке А пересекает диагональ, следовательно, в этой точке состав паровой и жидкой фаз одинаковый. Эта точка получила название азеотропная точка, или точка нераздельного кипения. Для нее у = х или К_э = К_в — 1, где К_в — коэффициент испарения воды. При атмосферном давлении нераздельнокипящая смесь системы этанол—вода содержит 97,2 об. % (95,57 мас. %) этанола.

     В соответствии с законом М. С. Вревского при повышении давления растворы с низкой концентрацией спирта (примерно до 30—40 мас. %) образуют пары с большим содержанием спирта, а растворы с высокой концентрацией спирта — пары с меньшим содержанием спирта, что наглядно показано в верхней части рис. 4.6 пунктирной линией. Из рисунка также видно, что с изменением давления сдвигается и положение азеотропной точки. Так, при давлении 9,33 кПа (температура кипения 27 °С) нераздельнокипящая точка смещает концентрацию этанола вправо — в сторону увеличения вплоть до х= 100 %, т. е. при таком давлении пар всегда будет иметь большую концентрацию спирта, нежели исходная жидкость.

     Анализируя  положение кривой фазового равновесия, легко установить, что при атмосферном давлении пар над жидкостью будет обогащаться этанолом только до азеотропной точки. Следовательно, путем ректификации (многократного испарения и конденсации)при атмосферном давлении можно достичь максимальной концентрации этанола – 97,2 об. %.

     Если  же необходимо получить этанол более  высокой концентрации, необходимо уменьшить давление, тогда азеотропная точка сдвинется вправо. Этим примером иногда пользуются на практике при получении абсолютного спирта.

1.3 Контактные устройства ректификационных колонн

     Основной  элемент ректификационной колонны  — контактное устройство, на котором  осуществляется процесс массообмена  между паром и жидкостью. Процесс массообмена диффузионный и определяется площадью поверхности контакта фаз F, м², средней движущей силой процесса (средней разностью концентраций ΔС, кг/кг) и коэффициентом массопередачи, отнесенным к 1 м² поверхности фазового контакта, К, кг/(м²с). Коэффициент массопередачи зависит от природы вещества и гидродинамического режима контакта фаз.  Количество вещества,  перешедшего из одной фазы в другую (кг/с),

     M=KFΔC. (11.2)

     Конструкция контактного устройства должна обеспечивать как можно более интенсивный массообмен на нем. Это достигается в первую очередь путем создания развитой поверхности контакта фаз и такой гидродинамической обстановки, при которой коэффициент массопередачи будет по возможности наибольшим.

     В практике спиртовой промышленности, как правило, применяют тарельчатые контактные устройства, на которых осуществляется последовательно ступенчатый контакт фаз. Тарелки ректификационных колонн могут быть колпачковыми, решетчатыми (ситчатыми), клапанными, чешуйчатыми, ситчато-клапанными, жалюзийными и др. (рис. 84). Во всех случаях на тарелке удерживается слой жидкости, через который проходит пар, в результате чего осуществляется массообмен.

     Работу  тарелок оценивают по следующим  показателям: пропускной способности по пару и жидкости; способности разделять рабочую смесь; диапазону устойчивой работы; гидравлическому сопротивлению и др.

     Пропускная  способность по пару и жидкости характеризует  производительность колонн, или удельный съем конечного продукта с единицы поперечного сечения колонны.

     Способность разделять перегоняемую смесь называют эффективностью контактного устройства или колонны в целом и обычно определяют числом теоретических тарелок (ступеней изменения концентраций), или числом единиц переноса. Эффективность тарельчатых колонн, как правило, оценивают числом теоретических тарелок (т. т.).

     Под теоретической тарелкой понимают такое устройство, которое обеспечивает контакт пара и жидкости, в результате которого покидающие его потоки достигают фазового равновесия. Практически на реальных тарелках такое равновесие почти никогда не достигается. Теоретическая тарелка служит эталоном для установления эффективности реальных тарелок.

     Мерой оценки эффективности реальной или  действительной тарелки является ее коэффициент полезного действия (КПД). В практике определяют КПД не отдельной тарелки, а средний КПД тарелок всей колонны или значительного ее участка, который равен отношению числа теоретических тарелок n, необходимых для осуществления заданного разделения смеси, к числу реальных N, необходимых для той же цели:

     η = n/N. (11.3) 

Рисунок 84 – Типы тарелок:

1— решетчатая (ситчатая) провального типа; 2 — ситчатая; 3 — одноколпачковая одинарного кипячения; 4— одноколпачковая двойного кипячения; 5— многоколпачковая; 6 — чешуйчатая; 7— клапанная

     КПД тарелок зависит от их конструкции, диаметра колонны, межтарелочного расстояния, скорости пара, нагрузки колонны, физических свойств разделяемой смеси и многих других факторов, поэтому обычно КПД определяют опытным путем, для большинства тарелок он равен 0,4...0,6.

      В спиртовом производстве широко распространены колпачковые тарелки. Многоколпачковые (капсульные) тарелки применяют в колоннах для разделения жидкостей, не содержащих взвешенных частиц, одноколпачковые — для разделения жидкостей со взвешенными частицами или способных выделять осадки. Реже применяют ситчатые тарелки, которые имеют отверстия диаметром 2,5...3,5 мм (для разгонки первых из упомянутых жидкостей) и 8...12 мм (для вторых). В спиртовой промышленности применяют также тарелки клапанные, чешуйчатые и решетчатые (без переливных устройств) с большей пропускной способностью по пару и жидкости.

      При выборе типа тарелки учитывают ее пропускную способность, эффективность, экономичность конструкции, а также способность обеспечить оптимальные условия работы колонны при заданном технологическом режиме.

      Устойчивая  работа тарелок должна соответствовать таким нагрузкам по пару и жидкости, при которых достигаются наиболее интенсивный их контакт и высокая эффективность. При больших нагрузках по пару (больших скоростях пара в свободном сечении колонны) может происходить большой унос жидкости с тарелки на тарелку; на ней может накапливаться жидкость сверх допустимого предела. Верхний предел нагрузки по пару характеризуется «захлебыванием» тарелок. Внешний признак «захлебывания» — резкое повышение давления в нижней части колонны и понижение в верхней. При нагрузках по пару, приближающихся к минимально допустимым, часть жидкости (флегмы) перетекает с тарелки на тарелку, не вступая в контакт с паром. При большой нагрузке по жидкости также может произойти «захлебывание» колонны. Максимально допустимая нагрузка по жидкости и пару зависит от числа тарелок, необходимого для создания активной зоны контакта между ними.

      На  работу тарелок значительно влияет межтарелочное расстояние, обеспечивающее в первую очередь создание условий для контакта пара и жидкости, происходящего в зонах барботажа, пены и брызг. Эти зоны расположены последовательно над тарелкой и должны вмещаться между смежными тарелками. Высота каждой зоны определяется физическими свойствами разделяемой жидкости, конструкцией тарелки, нагрузкой по пару, обычно ее устанавливают опытным путем. Жидкости, образующие рыхлую пену, в основном уносятся за счет ее хлопьев, имеющих высокую парусность. Для колонн, перерабатывающих непенящиеся жидкости без взвешенных частиц, межтарелочное расстояние обычно принимается 170...230 мм; для колонн, перерабатывающих жидкости со взвешенными частицами, — 280...500 мм, что необходимо для создания условий механической чистки тарелок.

2 Ректификационные установки для получения спирта-сырца

     Принцип работы аппаратов для отделения  спирта от других веществ подчинен закону физики, по которому при кипячении  двух жидкостей в их парах содержится больше паров той жидкости, температура кипения которой ниже. Так как температура кипения спирта 78,3°С, а воды 100°С, то при кипении водно-спиртового раствора в парах содержится больше спирта, чем воды. При кипении из бражки с содержанием спирта 10% выделяется водно-спиртовые пары с содержанием 51,6% спирта. Если испарить ¹/₃ бражки и собрать конденсат, то получается водно-спиртовая жидкость крепостью около 33%.

     Повысить  крепость выделенного спирта можно  путем последующих перегонок. При увеличении крепости спирта, выделенного из бражки с содержанием 10% спирта, выполняют несколько перегонок -первая перегонка дает отгон с содержанием спирта 37,7%, вторая -58,3%, третья - 77,8%, четвертая - 83%, пятая - 87,3%.