Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Литературный обзор 7
1.1 Примеси, входящие в состав эфиро-альдегидной фракции 7
1.2 Установки для выделения спирта из головной фракции 9
1.3 Анализ методов описания фазового равновесия 22
1.4 Моделирование химико-технологических систем 28
1.5 Цель и задачи исследования 34
Глава 2 Двухзонная модель для моделирования процессов разделения эфиро-альдегидной фракции 35
2.1 Обоснование двухзонной модели жидкости 35
2.2 Основные положения двухзонной модели 37
2.3 Вывод уравнений для расчета парожидкостного равновесия для химических потенциалов и коэффициентов активности в жидкой фазе 39
Глава 3 Идентификация двухзонной модели применительно к спиртовым смесям 58
3.1 Экспериментальное определение содержания примесей в эфиро-альдегидной фракции 58
3.2 Обработка экспериментальных данных по двухзонной модели 63
Глава 4 Разработка установки непрерывного действия для получения спирта этилового ректификованного высших сортов из эфиро-альдегидной фракции 70
4 1 Моделирование схем произвольной структуры с использованием программной среды сложных химико- технологических систем 70
4,2 Разработка установки непрерывного действия для получения спирта этилового ректификованного высших сортов из эфиро-альдегидной фракции 85
Выводы 99
Литература 101
- Установки для выделения спирта из головной фракции
- Основные положения двухзонной модели
- Обработка экспериментальных данных по двухзонной модели
- Разработка установки непрерывного действия для получения спирта этилового ректификованного высших сортов из эфиро-альдегидной фракции
Введение к работе
В спиртовой промышленности уделяется большое внимание проблеме переработки вторичных продуктов брагоректификации, содержащих довольно значительное количество этилового спирта, (в частности эфиро-альдегидной фракции), и повышению за счет этого выхода этилового ректификованного спирта. В настоящее время эта задача стала особенно актуальной в связи с ужесточением требований ГОСТ на качество этилового ректификованного спирта, а также с повышением потребности рынка в высококачественных сортах «Экстра» и «Люкс». Переход на эти сорта потребовал увеличения отборов эфиро-альдегидной фракции (ЭАФ) с 3-К3,5 % до 5-^10 % от потенциального содержания спирта в бражке. Вместе с тем упал спрос на ЭАФ для лакокрасочной промышленности в связи с поступлением импортных материалов. Поэтому проблема выделения спирта из ЭАФ стала актуальной. При этом целесообразно получать спирт марок «Высшей очистки» и «Экстра».
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с федеральной научно-технической программой Минобразования РФ «Разработка высокоэффективной технологической схемы и оборудования для производства пищевого этилового спирта высшего качества» (№ гос. регистрации 01.2.00305371).
Цель исследования. Цель настоящей работы состоит в совершенствовании системы и режима работы установок для выделения этилового спирта из эфиро-альдегидной фракции и разработке математической модели этой системы.
Научная новизна работы заключается в том, что - разработана двухзонная модель жидкости для описания фазового равновесия в бинарных и многокомпонентных спиртовых смесях с высоким содержанием примесных компонентов и получены уравнения для расчета коэффициентов активности компонентов с использованием методов статистической физики и идей группового и локального состава;
Автор выражает благодарность за помощь и консультации при выполнении работы канд. техн. наук, доценту Коротковой Т.Г. - разработаны математические модели систем разделения эфиро-альдегидной фракции. Достоверность и надежность результатов подтверждается проверкой теории парожидкостного равновесия по экспериментальным данным, идентификацией математической модели эпюрациопнои колонны по производственным данным и сравнением результатов расчета с показателями процесса разделения эфиро-альдегидной фракции.
Практическая значимость работы заключается в том, что определены параметры модели для расчета коэффициентов активности примесных компонентов спиртовых смесей; разработана установка непрерывного действия для получения спирта этилового ректификованного высших сортов из эфиро-альдегидной фракции, определены ее оптимальная структура и технологический режим; результаты внедрены на предприятии ОАО «Спиртзавод «Майкопский» и малогабаритной установке получения спирта из эфиро-альдегидной фракции на ООО «777».
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены на I сессии V Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов, докторантов и молодых ученых «Наука XXI веку» (г. Майкоп, 2004 г.); на Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Средства и методы обеспечения и управления качеством» (г. Тольятти, 2004 г.); на II Всероссийской научно-практической конференции «Химическое загрязнение среды обитания и проблемы экологической реабилитации нарушенных экосистем» (г. Пенза, 2004 г.); на Международной научно-технической конференции «Современные информационные технологии в науке, производстве и образовании» (г. Пенза, 2004 г.); на II Международной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии и оборудование для пищевой промышленности» (г. Воронеж, 2004 г.); на отчетной научно-технической конференции «Технологии живых систем. Раздел 04 — Высокоэффективные пищевые технологии и технические средства для их реализации» (г. Москва, 2004 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 работ [182-190].
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, списка использованной литературы, приложений. Работа изложена на 135 страницах, содержит 33 рисунка и 15 таблиц. Список использованных источников включает 190 наименований на русском и иностранном языках.
Установки для выделения спирта из головной фракции
В поисках более рационального использования ЭАФ или спирта, содержащегося в ней, в практике спиртовой промышленности были попытки уменьшения отбора ЭАФ или возврат ее в производственный цикл (в бродящую массу или в бражную колонну), но это приводило к ухудшению качества спирта [25].
Известно много решений по выделению спирта из ЭАФ. В конце 60-х годов прошлого столетия П.С. Цыганковым была предложена разгонная колонна [33], к определяющим показателям которой относятся; освобождение ЭАФ от всех примесей (кроме концевых) и высокая степень их концентрирования. При этом получают эфи-ро-альдсгидный концентрат (ЭАК) и спирто-водную жидкость крепостью 7 9 об. %, которую затем направляют в бражку или бражпой дистиллят. Рассмотрим принцип работы брагоректификационной установки, включающей дополнительную разгонную колонну (рисунок 1). ЭАФ подается непосредственно из конденсатора эпюрационной колонны 1 на тарелку питания ЭК2 для разгонки ЭАФ. Снизу разгонной колонны вводится острый пар, а на верхнюю тарелку подается конденсат водяного пара или горячая лютерная вода. За счет введенных конденсата или горячей воды ЭАФ разбавляется и под действием греющего пара освобождается от головных примесей, Спирто-водный пар, обогащенный эфирами и альдегидами, попадая в концентрационную часть 3, встречает обильный поток воды, который поглощает этиловый спирт, а пар, обогащенный эфирами и альдегидами, проходит до верха колонны, конденсируется в конденсаторе и направляется в декантатор 5. Из него нижний слой, обогащенный водой, направляется на орошение концентрационной части 3, а верхний — эфиро-альдегидный концентрат (ЭАК), состоящий из эфиров, альдегидов и других летучих веществ, декантируется в сборник. Спирто-водная жидкость, свободная от эфиров, альдегидов и прочих примесей, отводится из низа отгонной части 2 и подается в бражную колонну или в бражной дистиллят. Эпюрат из эпюрационной колонны ЭК1 подается на тарелку питания ректификационной колонны 4 (РК).
Использование всего лишь одной колонны при переработке ЭАФ приводит к тому, что полученную спирто-водпую смесь нельзя направлять в ректификационную колонну для дальнейшей переработки из-за наличия в ней значительного содержания промежуточных, хвостовых и концевых примесей, к которым, в частности, относится метанол.
Дальнейшее совершенствование технологии разделения ЭАФ связано с применением двух колонн и третьей - спиртовой колонны для получения спирта ректификованного в соответствии с требованиями ГОСТ [34-49].
На рисунке 2 показана установка для выделения спирта из эфиро-альдегидной фракции [34]. Эфиро-альдегидная фракция (ЭАФ) подается в теплообменник 10, где нагревается за счет лютерной воды из ректификационной колонны 7, и поступает на питательную тарелку эпюрационной колонны 1 (ЭК1). Снизу в ЭК1 подается греющий пар, а на верхнюю тарелку укрепляющей части ЭК 1 - флегма в смеси с водой, вводимой в декантатор 4. По выходе из ЭК1 пары, содержащие летучие примеси, конденсируются в конденсаторе 3 и направляются в декантатор 4, куда вводится вода для гидроселекции. Из декантатора нижний водный слой направляется на орошение колонны ЭК1, а верний слой, состоящий из эфиров, альдегидов и растворимых в них летучих веществ, в виде эфиро-альдегидного концентрата (ЭАК) выводится из установки.
На рисунке 3 показана установка непрерывного действия для получения ректификованного спирта из эфиро-альдегидной фракции [35]. ЭАФ, отбираемая из конденсатора 4 эпюрационной колонны 2 (ЭК), поступает на тарелку питания разгон ной колонны 1. Обогрев колонн производится паром, поступающим в их нижние части. На верхнюю тарелку разгонной колонны 1 подается конденсат водяного пара для гидроселекции. Спирто-водная смесь из нижней части разгонной колонны 1 по трубопроводу подается для гидроселекции на верхнюю тарелку ЭК. Отбор эфиро-альдегидного концентрата (ЭАК) производится из флегмы, возвращаемой в разгонную колонну 1 из конденсатора 5.
На рисунке 4 показана установка для получения ректификованного спирта из эфиро-альдсгидпой фракции [36]. ЭАФ без предварительного подогрева поступает на тарелку питания разгонной колонны 1, в нижнюю часть которой подают вводно-спиртовые пары из бражной колонны 2 (БК). На верхнюю тарелку разгонной колонны 1 поступает лютерная вода из БК и ректификационной колонны 4 (РК), а также флегма после декантатора. В декантаторе 5 происходит разделение смеси на два слоя. Нижний водный слой направляется на орошение разгонной колонны, а верхний, содержащий эфиро-альдегидный концентрат (ЭАК), выводится из установки. Спирто-водная смесь выводится из разгонной колонны и поступает на верхнюю тарелку БК. Снизу в БК подается греющий пар. Обогащенные спиртом пары, выходящие из бражной колонны делятся на две части, одна из которых идет на обогрев разгонной колонны, а другая, конденсируясь в конденсаторе 8, поступает на тарелку питания эшора-ционной колонны 3 (ЭК), в нижнюю часть которой подается греющий пар. Эпюрат из нижней части ЭК поступает на тарелку питания РК. Выделенные в ЭК головные примеси, пройдя дефлегматор 9 и конденсатор 10, поступают на тарелку питания разгонной колонны. В нижнюю часть РК вводится греющий пар. Ректификованный спирт отбирается с верхних тарелок РК, а с нижних - сивушное масло. Непастеризованный спирт конденсируется в конденсаторе 12 и подается на верхнюю тарелку ЭК.
На рисунке 5 показана установка непрерывного действия для получения ректификованного спирта из эфиро-альдегидной фракции [38]. ЭАФ подается на тарелку питания разгонной колонны 1. Снизу в колонну 1 поступает греющий пар, а на верхнюю тарелку подаются вода для гидроселекции и флегма из декантатора 5. Спиртово дные пары, обогащенные головными примесями, проходят до верха разгонной колонны 1 и через дефлегматор 6 и конденсатор 7 поступают в декантатор 5. Нижний водный слой возвращается в виде флегмы в колонну 1, а верхний слой, представляю ший собой эфиро-альдегидный концентрат (ЭАК), направляется в сборник концентрата ЭАФ. Спирто-водная жидкость крепостью 8-10 об. % из нижней части разгонной 1 поступает на тарелку питания эпюрационной колонны 2, где при помощи греющего пара происходит выделение головных примесей, их концентрирование на верхних тарелках колонны и вывод через дефлегматор 8 и конденсатор 9 в сборник концентрата ЭАФ. В водно-спиртовая жидкость в виде пара крепостью 40-45 об. % отбирается из парового пространства дополнительной отгонной части эпюрационной колонны 3, поступает в конденсатор 10 и далее на тарелку питания ректифификаци-ошюй колонны 4 (РК). В нижнюю часть РК вводится греющий пар. Непастеризованный спирт через дефлегматор 11 и конденсатор 12 направляется на верхнюю тарелку эпюрационггой колонны 2. Лютерная вода отводится из нижних частей отгонной 3 и ректификационной 4 колонн. Ректификованный спирт отбирается с верхних тарелок РК, а с нижних - сивушное масло.
ЭАК (рисунок б) [39] поступает на тарелку питания эпюрационной колонны 1 (ЭК1). Снизу в ЭК1 поступает греющий пар. Пары с верха ЭК1, содержащие ацеталь-дегид, пройдя дефлегматор 5 и конденсатор 6, выводятся из установки. ЭАК, освобожденный от ацетальдегида, из исчерпывающей части ЭК1 поступает на тарелку питания эпюрационной колонны 2 (ЭК2). Снизу в ЭК2 поступает греющий пар. Пары с верха ЭК2, содержащие в основном уксусноэтиловый эфир, пройдя дефлегматор 7 и конденсатор 8, переходят в смеситель 9, куда также подается вода, и далее - в отстойник 10. Нижний - водный слой, содержащий в своем составе этиловый спирт, воду и часть альдегидов, из отстойника 10 поступает на тарелку питания ЭК2, а верхний - эфирный слой из отстойника 10 поступает на тарелку питания третьей эпюрационной колонны 3 (ЭКЗ). Снизу в ЭКЗ поступает греющий пар. Примеси, сопутствующие уксусноэтиловому эфиру, с верха ЭКЗ переходят в дефлегматор 13, конденсатор 14 и отводятся в сборник горючей фракции.
Основные положения двухзонной модели
В основу модели положено предположение о том, что молекула компонента обладает двумя различными по энергетической активности зонами: зоной более сильного взаимодействия и зоной слабого энергетического взаимодействия. Основные положения двухзоннои модели: - Молекула /-го компонента имеет на своей поверхности две зоны с различной энергетической активностью. - Молекула /-го компонента рассматривается как совокупность структурных групп, входящих в химическую формулу г-го компонента. - Число наружных ближайших соседей молекулы і-го компонента составляет zgt, где qt - поверхность молекулы /-го компонента, равная сумме поверхностей структурных групп, входящих в химическую формулу -го компонента, z - координационное число.
Пример микросостояния для двухзоннои модели жидкости представлен на рисунке 9. Одна зона каждой из молекул - темная, другая - светлая. Проиллюстрирована известная идея локального состава о том, что с микроскопической точки зрения состав смеси неоднороден. Использование двухзоннои модели приводит к тому, что в бинарной смеси появляются 4 зоны. Следовательно, матрица энергий парного взаимодействия AUjj включает шестнадцать энергетических параметров, из которых четыре (диагональные) равны нулю. Использование такой модели с 12-ю параметрами идентификации очень затруднительно и едва ли является целесообразным. Пример микросостояния для двухзонной модели жидкости двухзонной модели энергия взаимодействия рассчитывается для всех зон, а при получении химического потенциала производная энергии Гиббса берется по компоненту, а не по зонам. Ниже показано, что после преобразований энергии взаимодействия объединяются в линейные комплексы, которые входят в расчет как 1-го, так и 2-го компонента и в результате этого модель становится 4-х параметрической. Это не вызвало затруднений в ее реализации.
Вывод уравнений для расчета парожидкостного равновесия для химических потенциалов и коэффициентов активности в жидкой фазе Для получения уравнения, связывающего равновесные концентрации в жидкой и паровой фазах, достаточно получить выражения для химических потенциалов в обеих фазах.
Если поверхность одной молекулы 1-х молекул составляет qiz, то N q z - поверхность всех 1-х молекул, число которых N\. Обозначим долю поверхности первой зоны 1-х молекул через \уі- Тогда поверхность первой зоны 1-х молекул составит N z i, а их второй зоны Niglz(l \ i). Аналогично для 2-х молекул, число которых JV2 , можно записать: #2Z - поверхность одной молекулы 2-х молекул, Л г2 поверхность всех 2-х молекул. Обозначив долго поверхности первой зоны 2-х моле кул через \\ 2, определим поверхность первой зоны 2-х молекул N2q2z4}2- И ИХ вт0" рой зоны 2 2 (1-4 )- Распространяя принятые обозначения для r -х молекул, получим: q;Z - поверхность одной молекулы /-Х молекул, NjqiZ — поверхность всех /-Х молекул. Обозначив долю поверхности первой зоны /-х молекул через ij/(, определим поверхность первой зоны /-Х молекул Л 2цг,-, и их второй зоны N- zi). - ц/(-).
Если смесь бинарная, то первая зона 1-х молекул имеет четыре вида взаимодействий: с первой зоной 1-х молекул, со второй зоной 1-х молекул, с первой зоной 2-х молекул, со второй зоной 2-х молекул (рисунок 1). Обозначим через верхний индекс (1) первую зону 1-й молекулы, через верхний индекс (2) - вторую зону /-и молекулы, а через нижние индексы - номера молекул. Тогда применительно к бинарной смеси введем следующие обозначения: з(0.(0 _ доля поверхности первой зоны 1-х молекул вблизи первой зоны 1-х молекул; з у , - Доля поверхности первой зоны 1-х молекул вблизи второй зоны 1-х молекул; ,(0.(0 I, 2 ,(0.(2) 2 Очевидно, что з[ 2 -доля поверхности первой зоны 1-х молекул вблизи первой зоны 2-х молекул; з О 2 - доля поверхности первой зоны 1-х молекул вблизи второй зоны 2-х молекул. 3№) + 3MD + 3№) + 3№)=u (2) I, 1 1, I 1, 2 1, 2 v з (2).(1) -доля поверхности второй зоны 1-х молекул вблизи первой зоны 1-х молекул; 3(2).(2)_ д0ЛЯ поверхности второй зоны 1-х молекул вблизи второй зоны 1-х молекул; 3 (2).(0 -доля поверхности второй зоны 1-х молекул вблизи первой зоны 2-х молекул; 1, 2 3(2).(2)_ доля поверхности второй зоны 1-х молекул вблизи второй зоны 2-х молекул. 3 (4(0 + з и,(2) + 3(2),(0 + з 4(2) = 1 1.1 1, 1 1, 2 1, 2 5(0.(0 _ доля поверхности первой зоны 2-х молекул вблизи первой зоны 1-х молекул; 3 z і доля повеРхности первой зоны .
Обработка экспериментальных данных по двухзонной модели
Параметры модели (энергетические комплексы двухзониой модели) найдены по экспериментальным данным [50-77] методом наименьших квадратов. Примеры обработки экспериментальных данных и результаты расчетов бинарных спиртовых систем по двухзониой модели представлены на фазовых диаграммах у-х (рисунки 10 - 20). На рисунках 10—20 приняты следующие обозначения: I - Двухзонная модель; 2 -UNIFAC; 3 - UNIQUAC; - экспериментальные данные. Это дает возможность наглядно оценить способность двухзониой модели описывать фазовое равновесие в выбранной многокомпонентной смеси.
Из рисунков 10 и 11 видно, что фазовое равновесие этиловый спирт— вода описывается по двухзонной модели с высокой точностью. В частности, азеотропная точка в двухзонной модели (рисунок 11) совпадает с азеотропной точкой, полученной обобщением многочисленных экспериментальных данных В.Н. Стабниковым. Из рисунков 12 и 13 видно, что при средних концентрациях примесных компонентов в системах эфир - вода (рисунок 12) и альдегид - вода (рисунок 13) имеются большие расхождения теории и эксперимента, метод UNIQUAC и метод UNIFAC дают большие погрешности. Интересно отметить, что для расслаивающейся системы на кривой равновесия должен наблюдаться горизонтальный участок, что следует из опыта. На рисунке 13 имелись экспериментальные данные только в области низких концентраций по равновесию в системе н-масляный альдегид - вода. Между тем известно, что эта смесь расслаивается в области средних концентраций. Интересно то, что двухзонная модель даже при наличии ограниченных данных предсказывает это расслаивание. В системах этиловый спирт - спирт и вода - спирт наблюдается хорошее качество описания по моделям. В системах вода - кислота (рисунок 16) метод UNIFAC дает очень большие как количественные, так и качественные погрешности. На рисунке 16 он предсказывает точку азеотропа, а по экспериментальным данным уксусная кислота является труднолетучей по отношению к воде во всем диапазоне концентраций. В системах вода - спирт (рисунок 17) двухзонная модель более качественно описывает точку азеотропа, чем модели UNIFAC и UNIQUAC. Для ряда систем альдегид — этиловый спирт метод UNIFAC качественно неверно описывает рановесие (рисунок 19), а для ряда систем эфир - этиловый спирт (рисунок 20) метод UNIFAC предсказывает точку азеотропа.
Таким образом, двухзонная модель обеспечивает более точное описание паро-жидкостного равновесия спиртовых смесей. Она использована при моделировании технологических схем переработки ЭАФ.
Проведено моделирование схем произвольной структуры с использованием программной среды сложных химико-технологических систем и разработана установка непрерывного действия для получения спирта этилового ректификованного высших сортов из эфиро-альдегидной фракции, определены ее оптимальная структура и технологический режим.
В главе 1 было показано, что дальнейшее совершенствование технологии разделения ЭАФ связано с применением двух колонн и третьей - спиртовой колонны для получения спирта ректификованного в соответствии с требованиями ГОСТ [181]. На основе классификации и анализа действующих схем, а также авторских свидетельств и патентов за последние 40 лет, установлено, что все разновидности вариантов можно разделить на два (глава 1). И в первом и во втором типе используется гидроселекция (с подачей воды в первую эпюрационную колонну). В обеих схемах осуществляется рециркуляция водно-спиртовой жидкости и спирта с высоким содержанием примесей. Анализ и выбор типа схемы выполнялся методами математического моделирования с использованием программной среды расчета сложных химико-технологических систем. В настоящем разделе рассматривается вопрос моделирования схем произвольной структуры на основе этих схем.
Рассмотрим последовательно технологические схемы в традиционном и программном исполнении. Согласно первому типу схемы (рисунок 21) эпюрацию проводят в 1-ой эпюра-ционной колонне с повышенным отбором ЭАФ, которую разгоняют вторично во второй колонне. ЭАФ поступает на верхнюю тарелку эпюрационной колонны 1 (ЭК1), куда также поступает вода для гидроселекции. Снизу в ЭК1 подается греющий пар.
По выходе из ЭК] пары, содержащие летучие примеси, пройдя дефлегматор 4, конденсируются в конденсаторе 5. Конденсат подается на тарелку питания эпюрациои-ной колонны 2 (ЭК2), а флегма из дефлегматора 4 подается на верхнюю тарелку ЭК1. Снизу в ЭК2 подается греющий пар. По выходе из ЭК2 пары, пройдя дефлегматор 6, конденсируются в конденсаторе 7 и в виде эфиро-альдегидного концентрата (ЭАК) отбираются в сборник ЭАК, а флегма из дефлегматора 6 подается в качестве орошения на верхнюю тарелку ЭК2. Эпюрат из нижней части ЭК 1 поступает на тарелку питания ректификационной колонны З (РК), в нижнюю часть которой поступает греющий пар. Выделенные в РК головные примеси, составляющие ЭАФ (непастеризованный спирт), пройдя дефлегматор 8 и конденсатор 9, сбрасываются в поток конденсата ЭАФ, выводимого из конденсатора 5 и подаваемого на тарелку питания ЭК2 .
Разработка установки непрерывного действия для получения спирта этилового ректификованного высших сортов из эфиро-альдегидной фракции
Путем изменения структурных параметров нами разработана оптимальная структура схемы (рисунок 32). Технологическая схема в программном исполнении приведена на рисунке 33. Эфиро-альдегидная фракция (ЭАФ) подается в теплообменник 10, где нагревается за счет лютерной воды из ректификационной колонны 3, и поступает на питательную тарелку эпюрационной колонны 1. Снизу в эпюрационную колонну I подается греющий пар. По выходе из колонны 1 пары, содержащие летучие примеси, пройдя дефлегматор 4 и конденсатор 5, состоящие из эфиров, альдегидов, метанола и растворимых в них летучих веществ, в виде эфиро-альдегидного концентрата (ЭАК) выводятся из установки, Для вывода сивушных спиртов и масел предусмотрен боковой погон из эпюрационной колонны 1, отбираемый из паровой фазы с 5-6 тарелки. В нижнюю часть эпюрационной колонны 2 подается греющий пар. На линии подачи эпюрата, выходящего из эпюрационной колонны 1 установлен смеситель 11, в который подается гидроселекционная вода для улучшения условий выделения головных и промежуточных примесей в эпюрационной колонне 2. Это обеспечивает снижение концентрации головных и промежуточных примесей в эпюрате, выходящем из эпю рационной колонны 2. Эпюрат из нижней части эпюрационной колонны 2 подается в ректификационную колонну 3. Выделенные в эпюрационной колонне 2 головные примеси, составляющие ЭАФ, пройдя дефлегматор 6 и конденсатор 7, сбрасываются в основной поток исходной ЭАФ. Ректификованный спирт отбирается с верхних та релок ректификационной колонны 3, а из нижней части ректификационной колонны 3 с тарелок выше и ниже тарелки питания отбираются фракции, обогащенные проме жуточными и хвостовыми примесями. Снизу ректификационной колонны 3 выводится лютерная вода, содержащая кислоты и хвостовые примеси. Непастеризованный спирт, отбираемый из конденсатора 9 ректификационной колонны 3, подается в основной поток исходной ЭАФ.
Определено оптимальное место подачи гидроселекционной воды. В этом случае в первой колонне метанол хорошо отгоняется в ЭАК, а во второй колонне гидроселекция обеспечивает хорошее освобождение от примесей. В результате анализа этой схемы установлено, что возникает проблема по сивушным спиртам. Их содержание в ректификованном спирте превышает нормы ГОСТ. Анализируя профиль концентраций сивушных спиртов по высоте обеих колонн, обнаружено, что в первой эпюраци-онной колонне на тарелках имеются максимумы накопления сивушных спиртов и масел, которые не позволяют получить требуемое качество ректификованного спирта. Поэтому был сделан вывод о целесообразности введения бокового отбора с этих тарелок. В качестве параметров оптимизации технологического режима в этой колонне были: расход острого пара, номер тарелки питания, количество отбора ЭАК и бокового погона. Оптимизация количества отборов ЭАК и бокового погона связана с тем, что любой отбор приводит к уменьшению выхода ректификованного спирта, но улучшению его качества. Параметрами оптимизации во второй эпюрационной колонне были: расход воды на гидроселекцию, расход острого пара, номера тарелок подачи гидроселекционной воды и питания.
Функцией цели служил выход пастеризованного спирта, в качестве ограничения - требования к составу спирта. Обнаружено влияние величины рециркулирующего потока ЭАФ, отбираемого из второй эпюрационной колонны и направляемого в исходную ЭАФ, на количество примесей в этиловом ректификованном спирте. Величина рецикла не сказывается на выход спирта-ректификата в ректификационной колонне, так как рецикл является внутренним потоком. Увеличение величины рецикла из второй эпюрационной колонны до 15 % от потенциального содержания спирта в исходном сырье приводит к снижению концентрации как головных, так промежуточных и хвостовых, и концевых примесей в ректификованном спирте. Это позволило спирт из марки «высшей очистки» перевести в спирт марки «Экстра». Были внесены изменения в схему ректификационной колонны, поскольку по второму типу схемы сивушные спирты и сивушные масла отбираются вместе, а в обычной ректификационной колонне сивушные спирты и сивушные масла отбираются отдельно. Установлено, что отбор сивушных спиртов надо проводить с 23- 25 тарелок, если число тарелок в ректификационной колонне равно 80.
В таблицах 6-Ю представлен материальный баланс предлагаемой установки непрерывного действия по разделению эфиро-альдегидной фракции. В период производственных испытаний разработанной схемы переработки ЭАФ сняты показатели технологического режима и выполнен хроматографический анализ состава продуктов. Проведено сравнение их с расчетными данными по двум вариантам (таблица 13): - с использованием метода UNIQUAC; - с использованием двухзонной модели. На брагоректификационной установке производительностью 2000 дал/сутки ректификованного спирта выход эфиро-альдегидной фракции составляет 12700 дал/год. В таблице приведено сравнение технико-экономических показателей при переработке эфиро-альдегидной фракции по известной и предлагаемой технологиям. При расчете приняты одинаковыми затраты на сырье, электроэнергию, заработную плату, капитальные затраты. Не учтены потери спирта.
1. Обеспечение максимального выделения головных, промежуточных, хвостовых и концевых примесей при переработке эфиро-альдегидной фракции брагоректифи-кации с целью получения этилового ректификованного спирта марок «Высшей очистки» и «Экстра» требует использования двух последовательно соединенных колонн эпюрации сырья.
2. Математическая модель технологической схемы переработки эфиро-альдегидной фракции, реализованная в программной среде моделирования схем произвольной структуры, позволяет генерировать альтернативные технологические схемы, в том числе с рециклами, исследовать влияние параметров технологического режима на выход этилового спирта и его качество и определять оптимальные структуру системы и режим ее работы.
3. Предложенная двухзонная модель жидкости, полученные по ней с использованием методов статистической физики и идей группового и локального состава уравнения для расчета коэффициентов активности компонентов спиртовых смесей обеспечивают повышение точности описания парожидкостного равновесия в многокомпонентных спиртовых смесях с высокой концентрацией примесных компонентов по сравнению с моделями UNIQUAC и UNIFAC.
4. Уравнения двухзонной модели при ц/(- = 1 переходят в уравнения UNIQUAC. Поэтому рекомендуется в случае отсутствия экспериментальных данных по равновесию использовать в двухзонной модели известные бинарные параметры энергетического взаимодействия модели UNIQUAC.
5. Разработана установка непрерывного действия для получения спирта из эфиро-альдегидной фракции. В структуре схемы и технологическом режиме рекомендовано: исключить использование гидроселекции в первой колонне двухступенчатой эпюрации, так как при гидроселекции растет содержание метанола в ректификованном спирте сверх допустимых норм; боковой отбор производить с 5-6 тарелок первой эпюрационной 40-тарельчатой колонны в количестве 1,5 % от потенциального содержания спирта в исходной ЭАФ; подавать гидроселекционную воду на верхнюю тарелку второй эпюрационной колонны; установить величину рецикла из второй эпюрационнои колонны в исходную ЭАФ в размере 15 % от потенциального содержания спирта в исходной ЭАФ.
При использовании двухзонпой модели в программе расчета колонны разделения ЭАФ достигнуто лучшее согласие с распределением примесных компонентов между продуктами производственной колонны, чем при применении модели UNIQUAC.
Рекомендации по схеме и режиму переработки ЭАФ переданы и внедрены на ОАО «Спиртзавод «Майкопский», а также использованы на малогабаритной установке получения спирта из эфиро-альдегидной фракции ООО «777».
