Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ЭТИЛОВОГО СПИРТА
И МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ ЕГО КАЧЕСТВА 10
Общая характеристика производимого этилового спирта 10
Ректификационная очистка этилового спирта 21 /, 3. Современные методы разделения многокомпонентных
полиазеотропных смесей 31
1.4. Основные методы определения содержания примесей в
спиртосодержащих жидкостях 37
ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ВЫБОРА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
ПАРАМЕТРОВ ЭКСТРАКТИВНОЙ РЕКТИФИКАЦИИ
В РЕЖИМЕ «ГОРЯЧИЙ ВЕРХ» 42
Предварительные замечания 42
Объект исследования 45
Проведение эксперимента 48
Методика количественного определения примесного состава 50
Обработка данных эксперимента 58 2.6 Расчет значений технологи ческих параметров экстрактивной
ректификации * 61
ГЛАВА 3. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ РАЗДЕЛЯЮЩЕГО АГЕНТА
НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ
ОЧИСТКИ ЭТАНОЛА 65
Влияние температуры на качество конечного продукта 65
Влияние температуры на содержание примесей в дистилляте
и водно-спиртовом погоне 68
Анализ результатов расчета влияния температуры агента на количественное содержание примесных веществ в эпюрате 73
Физико-химический механизм влияния температуры
на эффективность экстрактивной ректификации 76
ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ РАСХОДА РАЗДЕЛЯЮЩЕГО АГЕНТА НА
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ОЧИСТКИ
ЭТИЛОВОГО СПИРТА 80
Влияние расхода на качество конечного продукта 80
Влияние расхода разделяющего агента на содержание
примесей в дистилляте и водно-спиртовом погоне 82
4.3. Анализ результатов расчета влияния расхода разделяющего
агента на количественное содержание примесных веществ
в эпюрате 87
4.4. Оценка влияния объемного расхода разделяющего агента
на эффективность экстрактивной ректификации 91
ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА ГАЗОХРОМАТОГРАФИЧЕСКИХ
МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ЭТИЛОВОГО
СПИРТА 92
5.1. Исследование примесного состава этилового спирта и
продуктов его ректификации 92
5.2. Метод идентификации примесей этилового спирта с
использованием разделительных колонок различной
полярности 95
5.3. Применение метода газовой хроматографии для идентификации
происхождения спирта 108
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 115
ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 117
ЛИТЕРАТУРА 120
ПРИЛОЖЕНИЯ 132
Введение к работе
Промышленное производство этилового спирта (по систематической номенклатуре - этанол) имеет большое практическое значение в связи с его широким использованием в различных сферах человеческой деятельности. Он применяется в пищевой, парфюмерной, фармацевтической, химической отраслях промышленностях, радиоэлектронике и т.д.. Этанол может служить антифризом и моторным топливом. Более 150 различных производств используют его как сырье или вспомогательный материал. В силу специфического воздействия этилового спирта на организм человека, он нашел широкое применение при изготовлении различных алкогольных напитков: водок, ликеров, крепленых вин и т.д.
Существует несколько промышленных способов производства этанола. Так этиловый спирт, применяемый в пищевой промышленности и медицине, может изготавливаться только путем ферментативного брожения из пищевого сырья. Для технических целей используют этанол, полученный путем брожения из отходов сульфатно-целлюлозного производства или при гидролизе древесины. Синтетический этиловый спирт получают гидратацией этилена в присутствии катализатора (ортофосфорная кислота на силикагеле).
Для использования в промышленности этиловый спирт должен быть очищен от побочных продуктов, образующихся в химическом или биохимическом процессе его получения. Эти побочные продукты химических реакций (примеси) могут быть токсичными или портить его потребительские качества. Таким образом, качество производимого этилового спирта определяется, в том числе, составом и количественным содержанием находящихся в нем примесей, а значит, существенно зависит от способа и полноты очистки.
В настоящее время известно много промышленных способов очистки этанола от содержащихся в нем примесей. Однако наиболее распространенным является ректификация. Это обусловлено наличием большого практического опыта промышленного использования этого процесса, наличием широкой номенклатуры оборудования и высокой экономической эффективностью производства, т.е. возможностью при сравнительно невысоких затратах получать продукты высокого качества, что обеспечивает их конкурентоспособность на рынке продукции химических производств.
Одной из причин развития и совершенствования спиртового производства в последние десять лет была необходимость насыщения потребительского рынка алкогольной продукцией. Следует заметить, что качество пищевого этилового спирта, применяемого для изготовления алкогольной продукции, в последние годы существенно возросло. Этому способствовал ряд запретительных мер со стороны государства и, в частности, жесткие требования, главным образом, касающиеся предельного содержания в пищевом этиловом спирте примесных компонентов. Обязательное лицензирование и сертификация производства алкогольной продукции также ставят барьер на пути выпуска поддельных низкокачественных спиртных напитков. Однако самыми действенными оказываются экономические стимулы - появившаяся в последнее время жестокая конкуренция на рынке этилового спирта при сопоставимых ценах у различных производителей заставляет их усиливать борьбу за его качество.
По существу, возможность повышение качества производимого ректификованного этилового спирта определяется следующими тремя основными факторами. Во-первых, дальнейшим совершенствованием технологического оборудования. Во-вторых, выбором оптимальных технологических режимов работы ректификационных установок. В третьих, эффективностью контроля качества не только конечного продукта, но и всех промежуточных стадий его получения. Кроме того, любое современное производство должно иметь малую энергоемкость и быть экологически безопасным. Таким образом, проблема экономического, технического, технологического,. экологического и энергетического совершенствования производства этилового спирта до настоящего времени имеет особую важность.
С точки зрения развития физико-химических основ процессов разделения очистка этилового спирта от присущих ему примесей представляет особый интерес. Здесь приходится сталкиваться с проблемой разделения многокомпонентных полиазеотропных смесей. С одной стороны, применительно к спиртовому производству ее решение облегчается тем, что нет необходимости разделять смесь на отдельные компоненты, а необходимо только получить в наиболее чистом виде целевой продукт - этанол. С другой стороны, необходимо повышать экономическую эффективность производства, что неизбежно требует
уменьшения числа колонн в технологической схеме и снижения потребления энергии на осуществление процесса.
Одним из путей в этом направлении является проведение процесса ректификационной очистки под вакуумом. За счет этого удается существенно уменьшить энергоемкость процесса в результате снижения температуры парообразования жидкости, находящейся в кубе колонны, а также минимизировать непроизводительные потери энергии с продуктами разделения и охлаждающим агентом. Кроме того, для большинства смесей при понижении давления равновесие в системе жидкость - пар сдвигается в направлении благоприятствующему разделению компонент, а в некоторых случаях приводит к разрушению азеотропов.
В настоящее время известно несколько эффективных способов разделения азеотропних смесей, например, экстрактивная, солевая и азеотропная ректификация, связанных с использованием дополнительного разделяющего агента. Теоретически, применение этих методов существенно расширяет и углубляет возможности ректификационной очистки целевого вещества от примесей. Однако эффективность применения этих методов на практике во многом определяется совершенством технологических условий их осуществления и, в частности, правильностью выбора эксплуатационных параметров. Задача существенно усложняется, но ее решение является более перспективным, при проведении процесса разделения под вакуумом.
В промышленности для получения ректификационного этилового спирта высокого качества все большее распространение получает метод экстрактивной ректификации. Он носит название гидроселекции примесей и заключается в подаче разделяющего (труднолетучего) компонента (воды) в концентрационную часть колонны предварительной^ очистки. В результате происходит уменьшение концентрации этанола в части колонны выше тарелки питания. Согласно существующим представлениям о процессе ректификационной очистки, это способствует повышению летучести примесей по отношению к этанолу в его водном растворе и их концентрированию в зонах отбора. Опыт эксплуатации вакуумных ректификационных установок очистки этанола свидетельствует о зависимости эффективности их работы от технологических параметров, определяющих условия подачи в колонну разделяющего компонента.
Здесь необходимо заметить, что многие проблемы, возникающие при ректификационной очистке этанола, являются общими для химической технологии, что обусловлено общностью протекающих процессов тепло- и массопереноса, многотоннажностью аппаратов и высокими требованиями рынка к качеству производимой продукции. Учитывая исключительную важность процессов разделения в химической промышленности, дальнейшие исследования возможностей повышения эффективности ректификационной очистки полиазеотропных смесей за счет использования технологического' приема экстрактивной ректификации являются весьма актуальной задачей.
Целью настоящей работы является изучение основных закономерностей процесса разделения многокомпонентных полиазеотропных смесей и дальнейшее совершенствование применяемой для этого технологии вакуумной экстрактивной ректификации в режиме «горячий верх» на примере очистки этанола от сопутствующих ему примесей. Для осуществления поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
1. Экспериментально исследовать эффективность применения вакуумной
экстрактивной ректификации в режиме «горячий верх» для повышения степени
извлечения примесей из этилового спирта. Для этого в первую очередь необходимо
установить закономерности избирательного влияния основных технологических,
параметров промышленного процесса вакуумной экстрактивной ректификации на
степень извлечения примесей различной летучести на колонне предварительной
очистки.
Изучить физико-химические механизмы, определяющие глубину очистки этанола от примесей при использовании экстрактивной ректификации. Это подразумевает необходимость разработать и развить подходы, связанные с математическим моделированием процесса концентрирования примесей по высоте ректификационной колонны при подаче разделяющего агента в ее концентрационную часть.
Разработать методику выбора технологических параметров экстрактивной ректификации,, обеспечивающих наилучшее качество очистки производимого продукта. В ее основу должна быть положена идея о необходимости избирательной глубины очистки этанола от различных примесей на ректификационной колонне
8 предварительной очистки в зависимости от степени их влияния на качество окончательного продукта.
4. Создать достоверный газохроматографический метод определения
качественного и количественного содержания основных примесей этанола в
продуктах его ректификации, пригодный для использования в условиях заводских
лабораторий.
5. Разработать и статистически подтвердить метод идентификации природы
происхождения этилового спирта (биохимическая или синтетическая), пригодный
как для неочищенных спиртов, так и спиртов-ректификатов. В основу метода
должно быть положено не определение наличия в этаноле какого-либо одного
вещества маркера, а соотношение между количественным содержанием примесей,
обусловленное химизмом образования этилового спирта.
Как показывает промышленная практика, гарантированное получение высококачественного продукта возможно только при обеспечении технологических режимов эксплуатации современных ректификационных установок, позволяющих реализовать заложенные в их конструкцию преимущества с учетом индивидуальных особенностей каждой. По этой причине особое внимание необходимо уделить вопросам практического использования результатов диссертационной работы, поскольку они получены на промышленной установке и могут быть сразу применены на практике без решения проблемы масштабного перехода.
Выполненные исследования позволили рекомендовать высокоэффективные технологические режимы проведения процесса ректификационной очистки этанола на спиртовом производстве ЗАО «ЛВЗ «Топаз» и Владимиро-Марьяновском спиртзаводе ОАО «Мордовспирт». Акты внедрения в производство выполненных разработок с указанием достигнутого экономического эффект приведены в приложении. Кроме того практическое использование результатов диссертационной работы позволило получить этиловый спирт с качественными показателями, значительно превышающими требования ГОСТ Р 51652-2000. Этиловый спирт, производимый ЗАО «ЛВЗ «Топаз» по усовершенствованной технологии, удостоен серебряной медали на Первом Всероссийском конкурсе спиртов (см. приложение).
Основное содержание диссертации опубликовано в работах [1-І5].
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, перечня используемой литературы и приложений. Работа изложена на 132 страницах машинописного текста, содержит 58 рисунков и 11 таблиц. Список используемой литературы включает 119 наименований.
