Анализ технологического процесса, как объекта управления

Размещено на http://www.allbest.ru/

Анализ технологического процесса, как объекта управления

Введение

Технология спирта включает в себя следующие процессы: подготовку сырья к развариванию, разваривание зерна водой для разрушения клеточной структуры и растворения крахмала, охлаждение разваренной массы и осахаривание крахмала ферментами солода или культур плесневых грибов, сбраживание сахаров дрожжами в спирт, отгонку спирта из бражки и его ректификацию.

Получаемая в результате брожения зрелая бражка имеет сложный состав. Кроме воды и спирта она содержит различные органические и неорганические соединения: сахара, декстрины, минеральные вещества, летучие соединения (эфиры, спирты, альдегиды, кислоты) и др. Состав и содержание примесей зависит от вида сырья, его качества, режимов его переработки в ходе технологического процесса.

Для выделения спирта из бражки и его очистки применяется ректификация. Ректификацией называется процесс разделения смеси, состоящей из двух или большего числа компонентов, кипящих при разных температурах. При кипении такой смеси компонент с более высокой упругостью пара (более летучий) переходит в паровую фазу в относительно больших количествах, а паровая фаза обогащается более летучим компонентом. Температура кипения этого компонента при постоянном давлении ниже, поэтому при кипении смеси летучих компонентов паровая фаза обогащается компонентом, имеющим более низкую температуру кипения. В водно-спиртовом растворе упругость паров спирта при любой температуре значительно выше упругости паров воды. Вследствие этого содержание спирта в парах больше, чем в кипящем водно-спиртовом растворе.

Очистка спирта от примесей путем перегонки основана на различии коэффициентов их испарения. Коэффициентом испарения называется отношение концентрации данного вещества в паровой фазе к концентрации в жидкой фазе. Коэффициенты испарения отдельных примесей отличаются один от другого и изменяются в зависимости от содержания этилового спирта. Для определения возможности очистки этилового спирта от примесей необходимо сравнить коэффициент испарения примесей с коэффициентом испарения этилового спирта.

При коэффициенте ректификации, равном единице, перегонка неэффективна, так как дистиллят после нее остается без изменения. Если коэффициент ректификации больше единицы, то в дистилляте больше примесей, чем в первоначальной смеси. Если коэффициент ректификации меньше единицы, то в дистилляте меньше примесей, чем в перегоняемой смеси.

Очистку спирта-сырца от примесей производят в настоящее время преимущественно на ректификационных установках непрерывного действия, в которых спирт-сырец освобождается от примесей в соответствии со значениями коэффициентов испарения. Такие установки используются на ликероводочных заводах, где основным сырьем является спирт-сырец.

Ректификованный спирт в настоящее время на спиртовых заводах получают непосредственно из бражки на брагоректификационных установках косвенного действия. В установку входят три колонны: бражная, эпюрационная и ректификационная.

Назначение бражной колонны состоит в полной отгонке спирта из бражки с сопутствующими этанолу примесями, то есть для отделения летучей части бражки от нелетучей.

При постоянном поступлении бражки режим действия колонны контролируют изменением подачи в нее пара и воды через конденсаторы. При этом стремятся к тому, чтобы была достигнута максимально возможная концентрация спирта в бражном дистилляте и потери спирта с бардой не превышали нормы (0,015 об. %). При таких условиях расход пара будет минимальным. С увеличением количества пара уменьшается концентрация спирта в барде и повышается температура над верхней тарелкой колонны.

При правильном контроле подачи воды в конденсаторы, горячей сохраняется только верхняя треть конденсатора. Температура воды, отходящей из основного конденсатора, должна быть 60...65 °С. Понижение температуры свидетельствует о недостаточной поверхности теплопередачи конденсатора или о его загрязнении; при этом увеличивается расход воды.

Подачу пара в колонну обычно контролируют по косвенному показателю-давлению в кубе колонны.

За потерями спирта-с бардой следят по температуре в нижней части колонны. С ее понижением появляются сверхнормативные потери. Более показательна температура над третьей тарелкой, считая снизу. Следует учитывать, что температура зависит не только от содержания спирта, но и от давления в кубе колонны.

Важные показатели работы бражной колонны - температура на верхней тарелкой и температура бражки, поступающей в колонну. Температура в значительной мере определяется степенью загрузки колонны бражкой: при недостаточной загрузке температура повышается, следовательно, излишне расходуется греющий пар, снижается концентрация спирта в бражном конденсате. Температура над верхней тарелкой в зависимости от концентрации спирта в бражке изменяется в пределах 92...94 °С. При понижении температуры могут быть сверхнормативные потери спирта с бардой, при повышении -- возрастает расход греющего пара. Как правило, по температуре над верхней тарелкой контролируют подачу бражки в колонну.

Эпюрационная колонна предназначена для выделения из бражного дистиллята головных примесей и в свою очередь состоит из нижней или выварной, и верхней, или альдегидной колонны.

Спирт-сырец поступает непрерывно на верхнюю тарелку выварной колонны и вместе с флегмой спускается вниз по тарелкам выварной колонны. В нижнюю часть ее подается греющий пар, движущийся в противоположном направлении, т. е. вверх, и выделяющий головные примеси.

Количество выварных тарелок устанавливается с таким расчетом, чтобы при движении по ним сырца головные примеси успели испариться. Водно-спиртовой раствор, освободившийся от большей части головных примесей и выводимый из эпюрационной колонны называется эпюратом.

Количество отбираемого из верхней колоны дистиллята (эфироальдегидной фракции) не превышает 3% об. от перерабатываемого сырца. Эфиро-альдегидная фракция имеет крепость 95--96,5% об., содержит воду, этиловый спирт, эфиры, альдегиды и метанол; этиловый спирт составляет в этой фракции до 90% по объему.

Расход пара на эпюрацию спирта-сырца зависит от качества, спирта-сырца и от числа тарелок в верхней части аппарата. Чем больше головных примесей в сырце, тем больше расход пара на получение эпюрата с допустимым содержанием головных примесей.

Концентрация альдегидов непрерывно возрастает от тарелки питания до самой верхней. В истощающей части колонны альдегиды имеются только на первых двух верхних тарелках. Часть эфиров остается в эпюрате и переходит в ректификационную колонну.

Ректификационная колонна предназначается для выделения из эпюрата чистого концентрированного раствора этилового спирта в воде (ректификата, отвечающего требованиям стандарта), концентрированного сивушного масла и воды, отходящей внизу выварной колонны. Одновременно в колонне спирт-ректификат освобождается от головных примесей.

Из эпюрационной колонны освобожденный от головных примесей эпюрат направляется в ректификационную колонну. В месте поступления эпюрата колонна делится на две части: верхнюю часть -- концентрационную и нижнюю -- выварную.

Ректификационная колонна предназначается для выделения из эпюрата чистого концентрированного раствора этилового спирта в воде (ректификата, отвечающего требованиям стандарта), концентрированного сивушного масла и воды, отходящей внизу выварной колонны. Одновременно в ректификационной колонне спирт-ректификат освобождается от головных примесей, которые могут поступить из эпюрационной колонны или же возникают в самой ректификационной колонне за счет эфирообразования или окисления спиртов в альдегиды.

Таким образам, в ректификационной колонне протекает ряд процессов, основной из которых -- перегонка бинарной смеси этиловый спирт--вода. В результате этого процесса внизу выварной колонны отводится лютерная вода с ничтожно малым содержанием спирта, а в верхней части укрепляющей колонны получается крепкий спирт-ректификат. Если бы в колонне не было головных примесей, то ректификат можно было бы отбирать, в виде пара из дефлегматора ректификационной колонны, однако головные примеси делают это невозможным.

В зависимости от крепости эпюрата и флегмового числа с которым работает колонна, места отбора промежуточных продуктов и сивушного масла перемещаются, поэтому для отбора их устанавливают краны, которые соединяют отводящие трубопроводы с несколькими смежными тарелками. Сивушное масло отбирают из парового пространства одной или нескольких тарелок, пары направляют в холодильник, откуда конденсат, смешанный с водой, поступает в маслоотделитель.

1. Описание технологического процесса и оборудования

Спирт-ректификат, этанол С₂Н₅ОН, полученный ректификацией непосредственно спиртовых бражек или спирта-сырца, вырабатываемых из зерна, картофеля, мелассы, а также вторичного сырья виноделия (выжимок виноградных, дрожжевых осадков), представляет собой прозрачную бесцветную жидкость с характерным запахом и жгучим вкусом.

В зависимости от степени очистки выпускают спирт-ректификат экстра, высшей очистки, 1-го сорта крепостью соответственно не менее 96,5; 96,2; 96% об. Спирт-ректификат виноградный отличается от ректификата из крахмалистого сырья большим содержанием примесей.

Спирт-ректификат должен выдерживать пробу на чистоту с серной кислотой, на окисляемость, на метиловый спирт с фуксинсернистой кислотой, не допускается содержание в нем фурфурола. ГОСТом ограничивается содержание в спирте-ректификате альдегидов, сивушного масла, эфиров, свободных кислот. Соответствие стандарту спирта-ректификата устанавливают на винзаводах при его приемке. По согласию сторон допускается к приемке спирта-ректификата крепостью 95,5% об., если он удовлетворяет всем другим требованиям ГОСТа. Концентрацию спирта-ректификата определяют металлическим или стеклянным спиртомером в интервале температур от -- 25°С до 40°С с применением термометра с ценой деления 0,5°С (см. спирта определение).

Спирт-ректификат огнеопасен. Его пары вредны для организма человека. Предельно допустимая концентрация в воздухе 1 мг/дм3.

Сырьем для производства спирта служат разнообразные растительные материалы, содержащие в достаточном количестве сбраживаемые сахара или другие углеводы, которые можно осахарить. Наиболее широко используются крахмалосодержащие материалы - зерно (рожь, пшеница, кукуруза, ячмень, овес, просо) и картофель, сахаросодержащие материалы - меласса (отход сахарного и крахмалопаточного производства), дефектная сахарная свекла, а также древесина и отходы сельскохозяйственных растений. Дальнейшее увеличение производство спирта будет идти в основном по пути увеличения мощностей предприятий, использующих непищевое сырье.

Ректификация (от лат. rectus -- прямой и facio -- делаю) -- это процесс разделения бинарных или многокомпонентных смесей за счет противоточного массо- и теплообмена между паром и жидкостью.

В колоннах специальные контактные устройства (тарелки, насадки) создают условия, способствующие максимальному приближению взаимодействующих парового и жидкостного потоков. Чтобы эти потоки могли обмениваться веществом и энергией, они должны быть неравновесны. При контактировании потоков в результате тепло и массообмена значение неравновесности уменьшается. Затем потоки отделяются один от другого и процесс продолжается путем нового контактирования этих фаз уже на другой, смежной ступени с другими жидкостными и паровыми потоками. 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 обогащается легколетучим компонентом (ЛЛК), а жидкостный, стекая вниз, обедняется им, т. е. обогащается труднолетучим компонентом (ТЛК). При достаточно большом пути контакта противоположно движущихся потоков по колонне можно получить в конечном итоге 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 колонне в ее нижнюю часть вводится определенное количество теплоты непосредственным впуском греющего пара или подачей его в специальный теплообменник.

В выпускной квалификационной работе рассматривается установка косвенного действия, включающая бражную, эпюрационную и ректификационную колонны.

Зрелую бражку температурой 25 - 30єС из сборника бражки насосом подают в подогреватель бражки (рис.1) (IX), где нагревают теплом конденсации водно-спиртовых паров бражной колонны (I) до температуры от 70 до75 єС.

Нагретая в подогревателе (IX) бражка поступает на тарелку питания бражной колонны (I). Бражную колонну обогревают острым паром через коллектор пара (VIII).

Введенный в выварную камеру бражной колонны (I) пар образует паровой поток, который двигаясь вверх по колонне, встречается со стекающей по тарелкам бражкой и вываривает из нее спирт. Бражку, отогнанную от спирта, в виде барды отводят из колонны через бардорегулятор в сборник барды.

Выделенный из бражки спирт с сопутствующими ему примесями в виде водно-спиртовых паров поступает в подогреватель бражки (IX), в котором происходит их конденсация. Несконденсировавшаяся часть водно-спиртовых паров поступает в водяную секцию подогревателя бражки (IX) и дефлегматор (IV) бражной колонны (I).

Сконденсировавшиеся водно-спиртовые пары и примеси спирта образуют бражный дистиллят, который поступает на тарелку питания эпюрационной колонны (II). Эпюрационную колонну (II) обогревают острым паром через коллектор пара (VIII). Эпюрационная колонна (II) предназначена для выделения из бражного дистиллята головных примесей и их концентрирования.

Спиртовые пары с головными примесями из колонны (II) поступают в дефлегматор (V). Дистиллят из дефлегматора (V) в виде флегмы возвращают на верхнюю тарелку колонны.

Ректификационная колонна (III) предназначена для концентрирования этилового спирта и его доочистки от компонентов сивушного масла, и головных примесей. Колонна обогревается острым паром через коллектор пара (VIII). Спиртовые пары из колонны (III) поступают в дефлегматор (VI), конденсируются в нем и в виде флегмы возвращаются на верхнюю тарелку колонны.

Из нижних тарелок колонны ректификационной (III)производят отбор паров сивушного масла. Для отгона паров сивушного масла открывают запорную арматуру на двух тарелках, где температура от 94 до 98єС. Если на 8-ой тарелке температура от 94 до 98єС, то следует производить отбор паров сивушного масла с 6-ой и 8-ой тарелок. Пары сивушного масла из ректификационной колонны (III), поступают в нижнюю (кубовую) часть ректификационной колонны (III).

Рис.1. Аппаратурно-технологическая схема процесса ректификации в производстве спирта: I - бражная колонна; II - эпюрационная колонна; III - ректификационная колонна; IV - дефлегматор бражной колонны; V - дефлегматор эпюрационной колонны; VI - дефлегматор ректификационной колонны; VII - теплообменник; VIII - коллектор пара; IX - подогреватель бражки

2. Технологический расчет

Рассчитать ректификационную колонну непрерывного действия для разделения смеси этиловый спирт-вода, если количество поступающего на ректификацию раствора =1500 кг/ч, содержание этилового спирта в растворе =22% по массе, его содержание в дистилляте 96% по массе. Содержание спирта в кубовом остатке 2.1% по массе. Коэффициент избытка флегмы у =1.3; КПД колонны ?=0.5. Расстояние между тарелками h=200 мм. Определить:

1. Материальный баланс.

2. Количество дистиллята , кубового остатка .

3. Количество тарелок n (действительное), высоту колонны H .

Расчет:

1) Материальный баланс :

по ;

;

2) Совместное решение двух уравнений позволяет рассчитать количество дистиллята и кубового остатка :

кг/ч;

кг/ч;

Пересчитываем концентрации этилового спирта в исходной смеси, дистилляте и кубовом остатке в молярные доли:

Малярные массы:

В квадрате х(0-1) y(0-1) по справочным данным наносим линию равновесия (рис.2): спирт ректификация этиловый

Рис. 2. Линия равновесия

Определяем минимальное и рабочее флегмовое число:

- определяем по кривой равновесия, зная .

Рабочее флегмовое число:

Находим отрезок В равный:

АВ - рабочая линия укрепляющей части колонны.

ВС - рабочая линия исчерпывающей части колонны.

3) Действительное количество тарелок расписываем, зная КПД колонны

з =0,5;

+1 тарелка питания.

Высота колонны:

Размещено на Allbest.ru