Розрахунок і проектування ректифікаційної колони

Стійка  робота тарілок повинна відповідати  таким навантаженням по парі й  рідині, при яких досягаються найбільш інтенсивний їхній контакт і  висока ефективність (ККД) тарілок. Цій  умові повинен відповідати такий  режим роботи, при якому пара й  рідина рівномірно розподіляються по всій площі тарілки. На рис.2-10 наведені порівняльні графіки зміни ККД різних тарілок залежно від швидкості пари у вільному перетині колони. Найбільшу стійкість мають клапанні тарілки, вони допускають зміну робочих навантажень у межах 2,5-4, ковпачкові - 2-3, сітчасті - 1,5-2. Найменшу стійкість мають РПТ. Зі збільшенням міжтарілкової відстані стійкість роботи тарілок збільшується.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2-10. Характер залежності ККД тарілок від швидкості пари:

1 – клапанні; 2 – ковпачкові; 3 – сітчасті; 4 – провального  типу

(без переливних пристроїв)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.3. Модернізація брагоректифікаційних  установок

 
     Проведена модернізація 26 заводів (від 1000 дал / добу до 9000 дал / добу).        Модернізація зачіпала як обладнання, так і технологічну обв'язку БРУ.

Отримати  спирт марки "Люкс" сьогодні не є проблемою для більшості  заводів. Правда за це доводиться розплачуватися зниженням потужності виробництва  і зменшенням виходу товарного продукту. Тому багато заводів ставлять завдання підвищення потужності виробництва  і збільшення виходу без зниження якості.

За останні  роки істотно підвищилися вимоги саме до якості продукту. І якщо вчора, як типова, ставилося завдання підвищити вихід продукту марки "Люкс" по ГОСТ Р 51652-2000, то сьогодні низкою підприємств як обов'язкові умови висуваються підвищені вимоги до фізико-хімічними та органолептичними показниками товарного продукту і стабілізації його якості.

У ряді випадків можна (в залежності від вимог  замовника) обійтися модернізацією  обладнання, зберігши типову трьохколонну систему БРУ (БК + ЕК + РК). Стандартні колони: Бражна (БК), епюраційна (ЕК), ректифікаційна (РК) колони можуть забезпечити випуск спирту марки "Люкс" по ГОСТ Р 51652-2000 з виходом 90 ... 92%. Відбір головної фракції  при цьому з ЕК становить 4 ... 8%; відбір проміжної фракції етилового  спирту з РК становить 2 ... 5%. Підвищивши ефективність ЕК до 70 тарілок, а РК до 100 ... 110 тарілок можна зменшити відбір головної фракції до ~ 2%, а проміжної - до 1,5 ... 2%. Однак трьохколонна схема для задоволення сучасних  вимог не  є  оптимальною                        
       Для забезпечення високих і стабільних показників якості, мінімізації втрат спирту з відходами виробництва, зниження питомих енерговитрат, необхідно використовувати високоефективні колони, а також таку технологічну схему, яка забезпечує гарантований висновок домішок з промислового циклу і виключає їх накопичення, що призводить до нестабільності  якості  товарного продукту. 
   Для гарантованого видалення домішок з промислового циклу з одночасною мінімізацією втрат спирту нами пропонується використовувати насадочні ефірну колону (для виведення легколетучих домішок в концентрованому вигляді) і насадочні або комбіновану сивушних колону СК (для виведення проміжних домішок в концентрованому вигляді). Дані технологічні рішення успішно впроваджені нами на цілому ряді спиртових заводів і показали свою високу ефективність і надійність, забезпечивши поліпшення органолептичних показників товарного продукту і підвищення його виходу до 98,5 ... 99% (відбір концентрованої головної фракції становить 0,2 ... 0,5% , відбір концентрованої проміжної фракції - 0,4 ... 0,6%).

У той  же час для забезпечення індивідуальних вимог замовника (наприклад, підвищені  в порівнянні з ГОСТ Р 51652-2000 вимоги до якості товарного продукту по 2-пропанолу (не більше 1 мг/дм3) з одночасним зниженням  вмісту метанолу (не більше 0,003%)) може знадобитися  схема БРУ, що включає в себе шість (БК, ЕфК, ЕК, РК, СК, МК) або сім (БК, ЕфК, ЕК, РК, СК, КОО, МК) колон. Метанольна колона служить для виведення метанольної  фракції з промислового циклу  в концентрованому вигляді і  дозволяє уникнути зацікловкі по метанолу при використанні глибокої гідроселекціі  на стадії епюраціі. Колона остаточного  очищення працює в режимі повторної  епюраціі. При використанні семиколонної схеми може бути забезпечено  зміст  метанолу    до 0,0003%. 
      Для одночасного забезпечення високих показників якості і виходу потрібні такі ефективності колон: ЕК - 60 ... 70 тарілок, РК - 105 ... 120 тарілок, СК - 110 ... 120 тарілок, ЕфК - 90 тарілок, КОО - 80 тарілок, МК - 90 тарілок. 
       Запропоновані технологічні схеми та апаратурне оформлення гарантовано забезпечують така умова: всі поворотні потоки мають якість вище, ніж потоки, в які вони вступають, таким чином, виключається можливість накопичення домішок в промисловому циклі. Це є обов'язковою умовою забезпечення  стабільності роботи БРУ. 
        Реалізувати запропоновані технологічні рішення можна як за допомогою тарільчатой ​​апаратури, так і з використанням насадок колон. 
   На спиртових заводах традиційно використовують тарілчасті колони з ковпачковими тарілками. До їх основних недоліків відносяться невисока ефективність, великі габарити і металоємність, висока вартість. Тарілчасті колони мають значну затримку з рідкої фазі, що створює сприятливі умови для генерації побічних домішок в зонах з одночасно високою концентрацією етилового спирту і альдегідів. До таких зон відносяться: верхні частини епюраційні, ректифікаційної і сивушної колон, колони остаточного очищення і ефірна колона. Зниження часу перебування рідкої фази в цих зонах покращує  умови  виділення домішок. 
   Тому одночасно з оптимізованою технологічною схемою ми пропонуємо використовувати сучасні насадочні колони нового покоління з регулярною насадкою. Насадочні колони мають менші габарити і вагу, що істотно знижує капітальні витрати при будівництві будівлі апаратної і вартість монтажних робіт. У той же час, при рівній висоті насадок і тарілчастих колон, колони з регулярною насадкою мають в 1,5 ... 2 рази більшу ефективність, що дозволяє відокремлювати мікропроцеси що містяться в етиловому спирті і суттєво впливають на органолептичні показники і вести процес при менших питомих енерговитратах. Крім того, використання насадок колон з регулярною насадкою, що мають набагато меншу затримку по рідкій фазі в порівнянні з тарілчастими (в 5 ... 8 разів) дозволяє істотно поліпшити умови поділу і знизити небажані побічні реакції, що протікають в тарілчастих колонах.

На багатьох спиртових заводах впроваджені  насадочні колони і модулі діаметрами 200 мм, 300 мм, 400 мм, 500 мм, 600 мм, 700 мм, 800 мм, 900 мм, 1100мм,1400мм. 
   В практику модернізації спиртових заводів введені насадочні колони практично для всіх стадій: ефірні, сивушні, епюраційні, колони остаточної очистки. 
   У той же час на підприємствах вже є тарілчасті колони (ЕК, РК, іноді СК і КОО). Тому при модернізації виробництв дані колони рекомендується виконувати комбінованими: нижня частина тарілчаста, верхня - насадочні.

 

 

 

Рис. 2-11. Блок схема семиколонної брагоректифікаційної установки

БК - бражна колона; ЕК - епюраційна колона; РК – ректифікаційна колона; СК - сивушна колона,ЕФК – ефірна колона; КОО – колона остаточної очистки; МК - метанольна колона.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.Опис технологічної схеми процесу виробництва спирту

Технологічна  схема процесу виробництва спирту містить складу чотири колони: бражну, епюраційну ректифікаційну та екстрактивно-ректифікаційну.

З бродильного  відділення бражку насосом подають  в підігрівник поз.31 секцію дефлегматора ректифікаційної колони,в якому  бражку нагрівають  до температури 53….58 С. Із підігрівника поз.31 бражку відводять  в підігрівник поз.1,в якому  бражку догрівають до 85…..90 С парою  бражного дистиляту,підведеним з кип’ятильника  поз.17 епюраційної колони.

Підігріту бражку із підігрівника поз.1 направляють  в сепаратор поз.2,в якому з  бражки відокремлюють діоксид  вуглецю. Із сепаратора поз.2 бражку направляють  на тарілку живлення бражної колони поз.4,а диоксид вуглецю в суміші з іншими газами послідовно через  конденсатор поз.7 і спиртовловлювач  поз.6 відводять в атмосферу.Спирто-водний конденсат з конденсаторів поз.5,6,7 і підігрівника бражки поз.1 напавляють на тарілку живлення КЕ поз.16,при  цьому частину погону з водяної  секції підігрівника через ротаметр поз.23 відводять на верхню тарілку  КБ поз.4 для зрошення її флегмою.

В бражній  колоні поз.4 з бражки виділяють спирт  і леткі компоненти бражки.Барду  відводятьз куба через гідро затвор поз.12 з паро сепаратором поз.11,після  якого барду подають в збірник, або в пароінжеційну систему.

Спирто-водяну пару з бражної колони поз.4 направляють  в кип’ятильник поз.17 КЕ поз.16 для  її обігрівання. З кип’ятильника  поз.17 надлишок пари відводять в  підігрівник бражки поз.1. Бражний  дистилят з кип’ятильника поз.17 направляють в збірник поз.18, з  якого насосом поз.62 подають на тарілку живлення КЕ поз.16,при цьому  рівень в збірнику поз.18 підримують постійним .

Спирто-водяну пару  з КЕ поз.16 відводять для  конденсації послідовно в дефлегматор  поз.15, конденсатор поз.14 і спиртовловлювач  поз.13. Флегму із вказаних теплообмінників  повертають на верхню тарілку  КЕ. Із конденсатора поз.14 відбирають головну  фракцію етилового спирту через  ротаметр поз.21, ліхтар поз.20 і спиртообліковий  апарат поз.19 напрвляють до спиртоприйомного відділення.

Епюрат  із кубу КЕ відводять на тарілку  живлення ректифікаційної колони КР поз.32. Спирто-водяну пару з КР поз.32 послідовно конденсують в підігрівникові бражки поз.31 , дефлегматорі поз.30, конденсаторі поз.29 і спиртовловлювачі поз.28. З  конденсатора поз.29 відбирають не пастеризований  спирт, витрату якого регулюють  по ротаметру поз.24 і повертають на одну з верхніх тарілок КЕ поз.16. Погони з бражного підігрівника поз.31, дефлегматора поз.30, конденсатора поз.29 і спиртовловлювача поз.28 подають  на верхню тарілку КР поз.32.

Ректифікований  спирт відбирають з верхніх тарілок  КР поз.32 і через холодильник поз.43, ліхтар поз.45 і спиртообліковий апарат поз.46 направляють до спиртоприйомного відділення .

Лютерну воду з КР поз.32 відводять через  гідрозатвор поз.42 з паро сепаратором  поз.41 в збірник поз.38, з якого  насосом поз.37 подають в напірний збірник поз.27 лютерної води. З напірного  збірника через ротаметр поз.48 лютерну воду подають на верхню тарілку екстрактивно-ректифікаційної колони КЕР поз.49 і для промивки сивушного масла в декантатор поз.56.

З зони 5,7,9,11-ї  нижніх тарілок КР поз.32 відбирають пару сивушного масла, яку інжектором поз.40 подають в куб екстрактивно-ректифікаційної  колони поз.49.

Пару  з колони поз.49 відводять в дефлегматор поз.51, конденсатор поз.52. Гетерогенний дистилят з дефлегматора поз.51 направляють в роздільник поз.53, нижній шар флегму, з якого повертають на верхню тарілку КЕР поз.49, а верхній шар,збагачений вищими спиртами, з роздільника поз.53 через ротаметр поз.54 подають в насадкову колону декантатора поз.56, де змішують з водою. В декантаторі поз.56 масляна фракція підіймається в верхню частину, звідки відстояне сивушне масло відбирають в збірник поз.57 і насосом поз.58 направляють в спиртоприйомне відділення.

  Вакуум  в КЕ поз.16 і КР поз.32 створюють  вакуум-насосом поз.59 через барометричний  конденсатор поз.26, для чого з  спиртовловлювачів поз.13 і 28 окремими  комунікаціями гази підводять  в куб барометричного конденсатора  поз.26, а з останнього – до  вакуум насосу поз.59.

Для уловлювання  спирту з газів на верхню тарілку  барометричного конденсатора поз.26 подають  холодну воду, а спирто-водяну рідину з барометричного конденсатора направляють  на 10-11-у тарілку бражної колони поз.4.

Тиск  верхніх колон регулюють подачею  охолоджуючої води з колектора холодної води поз.60 на поверхні теплообміну. Гарячу воду відводять в колектор гарячої  води поз.47.

Конденсат пари з кип’ятильника  КР  поз.39 відводять до збірника конденсату поз.36  і насосом поз.35 направляють в  котельню.

Для визначення втрат спирту в барді та лютерній воді установка обладнана пробними холодильниками поз.8  і  поз.33.

Бражна  колона поз.4 обладнана нижнім та верхнім  вакуум-переривниками поз.9  і 10, а  ректифікаційна колона – тільки нижнім вакуум - переривником поз.34

 

 

 

 

 

 

 

 

4.Технологічний розрахунок колони

4.1. Матеріальний розрахунок колони

4.1.1 Продуктивність колони по дистиляту і кубовому залишку

Таблиця 4.1

Температури кипіння і молекулярні маси поділюваних компонентів

параметр речовина	tк, °С	М, кг/кмоль
Этанол	78,30	46,10
Вода	100,00	18,00

 

Молекулярні маси вихідної суміші, дистиляту і кубового залишку:

   

MF = 0,10×46,10 + 0,746×18,00 = 49,00 кг/кмоль

Аналогічно для MР и MW:

MР = 0,75×46,1 + 0,099×18,00 = 56,80 кг/кмоль

MW = 0,01×46,1 + 0,968×18,0 = 46,40 кг/кмоль

Рівняння матеріального балансу

F = P + W;       

F F = P + W ,     

де  F, , – масові концентрації НКК,

  F = 5000,00 кг/ч – витрата вихідної суміші,

Р - витрата д истиляту,

W – витрата кубового залишку,

Перш, ніж знаходити витрату дистиляту і кубовою рідини,                  переведемо молярні частки компонентів суміші в масові:

xF= 0,1 F = 0,22

xР= 0,75 = 0,82

xW= 0,01 = 0,025

          Тоді

W = F( – )/( – ) (10)

W = 5000,00×(0,82 – 0,22)/(0,82 – 0,025) = 3773,58 кг/год

Р = F – W = 5000,00 – 3773,58 = 1226,42 кг/год

4.1.2 Розрахунок   оптимального  флегмового  числа і визначення числа теоретичних тарілок

Будуємо діаграму рівноваги між парою і рідиною в системі етиловий спирт-вода (рис. 4.1.), використовуючи дані по рівноваги (таблиця 4.2).

Таблиця 4. 2.

Рівноважні дані системи етиловий спирт-вода

х, %мол.	0,00	1,90	9,66	16,61	26,08	39,65	50,79	57,32	67,63	74,72	89,43
у, %мол.	0,00	17,00	43,75	50,69	55,80	61,22	65,64	68,41	73,85	78,15	89,43
T, ºС	100,0	95,50	86,70	84,10	82,30	80,70	79,80	79,3	78,64	78,41	78,15