Эффекты очистки спирта от примесей в эпюрационных колоннах
Автор: Агафонов Г.В., Торшин А.В., Перелыгин В.М.
Журнал: Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий @vestnik-vsuet
Рубрика: Фундаментальная и прикладная химия, химическая технология
Статья в выпуске: 2 (64), 2015 года.
Бесплатный доступ
В настоящее время к качеству этилового спирта предъявляются все большие требования. В задачу настоящего исследования входило изучение эффектов эпюрации спирта и разработка новых способов их расчёта на основе модели теоретической тарелки. В работе рассматривалась работа эпюрационной колонны при различных режимах. Были составлены уравнения материального баланса и по ним рассчитано распределение концентраций спирта по тарелкам колонны. Далее из них получены уравнения для оценки эффектов очистки этилового спирта от сопутствующих примесей. Проведённые расчёты показали, что при работе эпюрационной колонны по методу гидроселекции наблюдается значительное снижение концентрации этилового спирта на её тарелках. В результате увеличиваются коэффициенты испарения примесей, что существенно улучшает их вываривание и концентрирование. Однако при этом снижается крепость эпюрата, что может ухудшить работу ректификационной колонны и привести к потерям с лютером. Поэтому был рассмотрен вариант с установкой отгонной части на эпюрационную колонну, благодаря чему повышается крепость эпюрата и снижается содержание в нём органических кислот и других хвостовых примесей, которые отводятся с лютером из её куба. Записав уравнения материального баланса для отгонной части было определено, что потери спирта с кубовой жидкостью отсутствуют. С учетом некоторых допущений, из уравнений материального баланса получены уравнения для оценки доли хвостовых примесей, отводимой с лютером. Проведенные расчеты показали, что больше половины хвостовых примесей, поступающих в эпюрационную колонну с питанием, удаляются из её куба.
Этиловый спирт, эпюрация, гидроселекия
Короткий адрес: https://sciup.org/14040410
IDR: 14040410
Текст научной статьи Эффекты очистки спирта от примесей в эпюрационных колоннах
В задачу настоящего исследования входило изучение эффектов эпюрации спирта и разработка новых способов их расчёта на основе модели теоретической тарелки.
Пусть имеется эпюрационная колонна (ЭК), содержащая n и m теоретических тарелок в её выварной и концентрационной частях. Колонна оборудована дефлегматором, конденсатором и кипятильником.
Запишем уравнение материального баланса этилового спирта или примеси для дефлегматора колонны, считая, что эффект его укрепляющего действия равен одной теоретической ступени конденсации пара:
g • У п + m = ( g - F D ) • x D + F D • y D , (1)
где g – молевой поток пара в колонне; y n+m – молевая доля этилового спирта или примеси в паре над (n+m)-й тарелкой; F D – молевой поток фракции, отбираемой из конденсатора; x D , у D – молевые доли этилового спирта или примеси соответственно в флегме и паре, поступающем из дефлегматора в конденсатор;
Составим теперь уравнения материального баланса этилового спирта или примеси для тарелок колонны с учётом уравнения (1). При этом счёт тарелок будем вести снизу вверх, помечая куб колонны индексом «0», а индексом «D» - её дефлегматор.
Ln • x 1 = g • У 0 + L 0 • x 0
Ln • x 2 = g • У 1 + L 0 • x 0
Ln • x n = g • У п - 1 + L 0 • x 0
Lm • x n + 1 = g • У п - FD • y D
Lm • x n + 2 = g • У п + 1 — FD • y D
Lm • xn+m = g • Уп+m-1 — FD " УD , где Ln и Lm – молевые потоки жидкости соответственно в выварной и концентрационной частях колонны:
Lm = l + g - Fd ,(3)
где l – молевой поток гидроселекционной воды, подаваемый на верхнюю тарелку колонны;
Ln = Lm + Lc ,(4)
где L c – молевой поток питания, подаваемого на n-ую тарелку;
Lo = Ln - g,
Уравнение материального баланса спирта или примеси для всей эпюрационной колонны имеет вид:
Lc • xc = L0 • x0 + FD • УD , (6)
где x c – молевая доля этилового спирта в питании колонны.
Пусть число теоретических тарелок в выварной и концентрационной частях колонны составляет соответственно n=12 и m=8. В дальнейшем потоки жидкости и пара будем рассчитывать для брагоректификационной установки (БРУ), производящей этилового спирта 3000 дал/сутки, или 21,41543 кмол/ч. Удельный расход пара на обогрев колонны примем равным 12 кг/дал или 83,2593 кмол/ч. В расчётах примем, что выход этилового спирта для БРУ составляет 97 %, а его подача в эпюрационную колонну с фракцией сивушного спирта равна 5 %. Тогда питание эпюраци-онной колонны должно содержать этилового спирта в количестве: Lc • xc = 23,12866 кмол/ч. Примем x с =0,1615 молевых долей (39,66% об.), тогда L c =143,2115 кмол/ч.
Для указанных условий работы эпюраци-онной колонны проведены по уравнениям (1)-(6) расчёты распределения концентраций этилового спирта по её тарелкам. Расчёты осуществлялись общепринятым способом «от тарелки к тарелке» на основе данных В.Н. Стабникова и О.Г. Муравской [1] о фазовом равновесии жидкость-пар в системе этиловый спирта-вода.
Полученные результаты приведены в таблице 1, из которой видно, что с увеличением расхода гидроселекционной воды наблюдается значительное снижение концентрации этилового спирта на тарелках эпюра-ционной колонны. При этом на большинстве тарелок её выварной части концентрация этилового спирта постоянна. Исключение составляют только куб и первая тарелка колонны, где наблюдается значительное понижение концентраций этилового спирта. В отсутствие подачи гидроселекционной воды концентрация этилового спирта на тарелках концентрационной части резко увеличивается при движении снизу вверх по высоте колонны, тогда как при подаче на верхнюю тарелку гидросе-лекционной воды концентрация спирта на тарелках её концентрационной части постоянна, а при l = 222,0249 кмол/ч эта концентрация меньше, чем в выварной части колонны.
Т а б л и ц а 1
Распределение концентраций этилового спирта по тарелкам ЭК при n=12, m=8, g= 83,2593 кмол/ч, расходе гидроселекционной воды l кмол/ч и отборе фракции из конденсатора F D ·y D кмол/ч
|
№, № теоретических тарелок |
l=0 |
l=27,7531 |
l=111,0124 |
l=222,0249 |
||||||||
|
FD·yD= 0,32123 |
FD·yD= 0,64246 |
FD·yD= 1,92739 |
FD·yD= 0,32123 |
FD·yD= 0,64246 |
FD·yD= 1,92739 |
FD·yD= 0,32123 |
FD·yD= 0,64246 |
FD·yD= 1,92739 |
FD·yD= 0,32123 |
FD·yD= 0,64246 |
FD·yD= 1,92739 |
|
|
D |
0,8433 |
0,8426 |
0,8361 |
0,6383 |
0,6373 |
0,6334 |
0,5418 |
0,5404 |
0,5352 |
0,4790 |
0,4766 |
0,4664 |
|
20 |
0,8356 |
0,8349 |
0,8292 |
0,4781 |
0,4767 |
0,4711 |
0,2314 |
0,2301 |
0,2247 |
0,1301 |
0,1289 |
0,1238 |
|
19 |
0,8267 |
0,8259 |
0,8204 |
0,4781 |
0,4766 |
0,4710 |
0,2314 |
0,2301 |
0,2247 |
0,1301 |
0,1289 |
0,1238 |
|
18 |
0,8257 |
0,8148 |
0,8090 |
0,4780 |
0,4765 |
0,4709 |
0,2314 |
0,2301 |
0,2247 |
0,1301 |
0,1289 |
0,1238 |
|
17 |
0,8006 |
0,7995 |
0,7937 |
0,4777 |
0,4762 |
0,4707 |
0,2314 |
0,2301 |
0,2247 |
0,1301 |
0,1289 |
0,1238 |
|
16 |
0,7789 |
0,7777 |
0,7713 |
0,4767 |
0,4753 |
0,4697 |
0,2314 |
0,2301 |
0,2247 |
0,1302 |
0,1290 |
0,1239 |
|
15 |
0,7436 |
0,7423 |
0,7352 |
0,4734 |
0,4719 |
0,4662 |
0,2312 |
0,2299 |
0,2245 |
0,1304 |
0,1292 |
0,1243 |
|
14 |
0,6839 |
0,6823 |
0,6744 |
0,4616 |
0,4601 |
0,4542 |
0,2302 |
0,2288 |
0,2235 |
0,1311 |
0,1299 |
0,1253 |
|
13 |
0,5768 |
0,5751 |
0,5676 |
0,4193 |
0,4178 |
0,4116 |
0,2248 |
0,2234 |
0,2184 |
0,1333 |
0,1323 |
0,1284 |
|
12 |
0,3137 |
0,3127 |
0,3083 |
0,2738 |
0,2729 |
0,2692 |
0,1979 |
0,1971 |
0,1940 |
0,1423 |
0,1417 |
0,1390 |
|
11 |
03137 |
0,3127 |
0,3083 |
0,2738 |
0,2729 |
0,2692 |
0,1979 |
0,1971 |
0,1940 |
0,1423 |
0,1417 |
0,1390 |
|
10 |
0,3137 |
0,3127 |
0,3083 |
0,2738 |
0,2729 |
0,2692 |
0,1979 |
0,1971 |
0,1940 |
0,1423 |
0,1417 |
0,1390 |
|
9 |
0,3137 |
0,3127 |
0,3083 |
0,2738 |
0,2729 |
0,2692 |
0,1979 |
0,1971 |
0,1940 |
0,1423 |
0,1417 |
0,1390 |
|
8 |
03137 |
0,3127 |
0,3083 |
0,2738 |
0,2729 |
0,2692 |
0,1979 |
0,1971 |
0,1940 |
0,1423 |
0,1417 |
0,1390 |
|
7 |
0,3137 |
0,3127 |
0,3083 |
0,2738 |
0,2729 |
0,2692 |
0,1979 |
0,1971 |
0,1940 |
0,1423 |
0,1417 |
0,1390 |
|
6 |
03137 |
0,3127 |
0,3083 |
0,2738 |
0,2729 |
0,2692 |
0,1979 |
0,1971 |
0,1940 |
0,1423 |
0,1417 |
0,1390 |
|
5 |
0,3137 |
0,3126 |
0,3083 |
0,2738 |
0,2729 |
0,2692 |
0,1979 |
0,1971 |
0,1940 |
0,1423 |
0,1416 |
0,1390 |
|
4 |
0,3137 |
0,3126 |
0,3082 |
0,2738 |
0,2728 |
0,2691 |
0,1978 |
0,1970 |
0,1939 |
0,1422 |
0,1415 |
0,1388 |
|
3 |
0,3131 |
0,3121 |
0,3076 |
0,2733 |
0,2724 |
0,2686 |
0,1974 |
0,1966 |
0,1935 |
0,1415 |
0,1408 |
0,1380 |
|
2 |
0,3095 |
0,3084 |
0,3037 |
0,2703 |
0,2693 |
0,2653 |
0,1943 |
0,1935 |
0,1900 |
0,1372 |
0,1364 |
0,1331 |
|
1 |
0,2869 |
0,2855 |
0,2795 |
0,2487 |
0,2473 |
0,2416 |
0,1711 |
0,1699 |
0,1649 |
0,1179 |
0,1169 |
0,1130 |
|
0 |
0,1597 |
0,1519 |
0,1503 |
0,1338 |
0,1327 |
0,1260 |
0,0899 |
0,0888 |
0,0844 |
0,0625 |
0,0617 |
0,0525 |
~STOZ ‘г^ ‘ДСИ^Я^ншээф
Для оценки эффекта вываривания примесей в эпюрационной колонне из уравнений системы (2) получено:
° n
— = an 2 • °2 + x0
—
где
° 1
.°1+
n
= g • K 0 + L n
Ln • (a — 1)
L — g n g
, (7)
L n
Ln — g
L n
,
,
K 2 = K 3 = K 4 = ... = K n (11)
При выводе уравнения (7) принято, что коэффициенты испарения изученных примесей для тарелок со 2-й по n-ую включительно
° m
x
^ n + m
P n + m
xn
F
1 1 ' (1 + Pn+m + Pn+m
m
где в =--- i Lm
.
Как следует из данных таблицы 1, при работе эпюрационной колонны по методу гидроселекции концентрация спирта на тарелках её концентрационной части практически оди-
накова, в связи с чем можно допустить:
K n + 1 = K n + 2 = ... = K m = const (14)
В этом случае уравнение (13) преобразу-
ется к виду:
x
_ _ n + m
m xn
m m
F R m + 1
1 + iD . Fm
— 1,
L m P m — 1
где R = g—m mL m
.
С использованием соотношения (6) за-
пишем уравнение для расчёта доли примеси ᴂ, отбираемой с фракцией F D из конденсатора эпюрационной колонны:
F D ' yD
^
F D • y D + L 0 • X 0
y D
1 D x0 (16)
y D
F D + L 0
x 0
Поскольку crD •° • ° = —D , перепи- x0
шем уравнение (16) в виде:
имеют постоянное значение K n , поскольку по данным таблицы 1 концентрация этилового спирта на указанных тарелках одинакова.
Для расчёта степени концентрирования x примесей am = на тарелках концентраци- xn онной эпюрационной колонны и в её дефлегма-
торе ° d получено из уравнений (1) и (2):
„ = — D = K p • K n + m • (V + 1)
° ,
D X n + m KD + V
где V = g---D F D
– флегмовое число эпюраци-
онной колонны; K D и K n + m - коэффициенты испарения примеси для дефлегматора и (n+m)-й тарелки.
• P n + m — 1 • ... • P n + 1
• P n + m — 1 + ... + P n + m ' P n + m — 1 - ... ’ P n + 1 )
FD °DD °mrn °n„
FD ‘CD • ° m ° n„ + L 0
Расчёты значений ᴂ по уравнениям (7), (12), (13), (15), (17) проведены для ряда примесей этилового спирта с использованием данных [2] об их коэффициентах испарения. Результаты вычислений приведены в таблице 2, из которой следует, что увеличение расхода гидроселекционной воды улучшает очистку этилового спирта от компонентов сивушного масла и других трудновыделяемых примесей. При этом однако имеет место снижение концентрации спирта в эпюрате. Так, например, при l = 222,0249 кмол/ч (4000 кг/ч) молевая доля этилового спирта в эпюрате составляет 0,0585 молевых долей (16,97 % об.), что может осложнить работу ректификационной колонны и повлечь потери спирта с лютером из её куба. Для повышения содержания спирта в эпюрате в работах [3, 4] предложено дооснащать эпюра-ционную колонну отгонной частью и осуществлять боковой отбор эпюрата, что обеспечивает увеличение концентрации этилового спирта в нём и снижение содержания органических кислот и других хвостовых примесей, которые выводятся с лютером из куба эпюраци-онной колонны.
Т а б л и ц а 2
Доли примесей ᴂ, отбираемых с фракцией из конденсатора ЭК, при n=12, m=8, g=83,2593 кмол/ч, расходе гидроселекционной воды l кмол/ч и отборе фракции из конденсатора F D ·y D кмол/ч этилового спирта
|
Примеси этилового спирта |
Доля примеси ᴂ в фракции из конденсатора ЭК, % |
|||||||||||
|
l=0 |
l=27,7531 |
l=111,0124 |
l=222,0249 |
|||||||||
|
FD·yD= 0,32123 |
FD·yD= 0,64246 |
FD·yD= 1,92739 |
FD·yD= 0,32123 |
FD·yD= 0,64246 |
FD·yD= 1,92739 |
FD·yD= 0,32123 |
FD·yD= 0,64246 |
FD·yD= 1,92739 |
FD·yD= 0,32123 |
FD·yD= 0,64246 |
FD·yD= 1,92739 |
|
|
Ацетальдегид |
99,99 |
99,99 |
99,99 |
99,99 |
99,99 |
99,99 |
99,99 |
99,99 |
99,99 |
99,99 |
99,99 |
99,99 |
|
Метилацетат |
99,99 |
99,99 |
99,99 |
99,99 |
99,99 |
99,99 |
99,99 |
99,99 |
99,99 |
99,99 |
99,99 |
99,99 |
|
Н. масл. альдегид |
99,95 |
99,95 |
99,97 |
99,96 |
99,96 |
99,97 |
99,99 |
99,99 |
99,99 |
99,99 |
99,99 |
99,99 |
|
Этилацетат |
99,99 |
99,99 |
99,99 |
99,99 |
99,99 |
99,99 |
99,99 |
99,99 |
99,99 |
99,99 |
99,99 |
99,99 |
|
Метанол |
38,92 |
45,32 |
58,70 |
22,26 |
33,00 |
45,15 |
2,01 |
4,03 |
10,15 |
0,421 |
0,929 |
2,39 |
|
Кротон. альдегид |
5,44 |
16,60 |
38,19 |
15,89 |
28,69 |
52,35 |
38,23 |
37,13 |
71,05 |
96,78 |
97,64 |
98,84 |
|
Пропанол-1 |
3,66·10-4 |
1,42·10-3 |
5,14·10-3 |
9,80·10-3 |
2,13·10-2 |
7,82·10-2 |
0,768 |
1,60 |
7,04 |
5,42 |
9,97 |
26,35 |
|
Пропанол-2 |
5,50 |
11,90 |
31,40 |
15,56 |
24,74 |
46,85 |
35,06 |
47,82 |
64,51 |
51,03 |
59,31 |
74,45 |
|
Изобутиловый спирт |
2,80·10-5 |
6,77·10-5 |
2,82·10-4 |
3,75·10-4 |
9,31·10-4 |
2,49·10-3 |
0,462 |
1,11 |
5,29 |
3,90 |
7,56 |
22,75 |
|
Изоамиловый спирт |
2,16·10-9 |
6,61·10-9 |
1,56·10-8 |
2,46·10-4 |
6,53·10-6 |
2,92·10-5 |
9,08·10-2 |
0,204 |
1,12 |
20,55 |
34,45 |
68,05 |
"пог ‘г^С ‘ДСИ^Ф^тшээЯ)
Уравнения материального баланса этилового спирта или примеси для отгонной части эффективностью w теоретических тарелок имеют вид:
L w • x 1 = g • У 0 + L 0 • x 0
Lw • x 2 = g • У 1 + L 0 • x 0
................................... (18)
L • x = я • v , + Ln • xn, w ww g y w-1 0 ^v0, где Lw – молевой поток жидкости в отгонной части:
L w = L n - L эп ;
L эп – молевой поток эпюрата;
L 0 – молевой поток лютера:
L = L w - g;
x w – молевая доля спирта или примеси в эпюрате.
Решение уравнений (18) относительно молевой доли этилового спирта в лютере x 0 при g=83,2593 кмол/ч, x w =0,1264, F D ·y D =0,6425 кмол/ч, L c =143,2115 кмол/ч, l=222,0249 кмол/ч,
L эп =182,98 кмол/ч, L w =264,52 кмол/ч,
L 0 =181,26 кмол/ч дало следующий результат: x 0 =0,000001 молевых долей, что свидетельствует о работе эпюрационной колонны без потерь спирта с лютером.
Используем теперь уравнения системы (18) для оценки доли хвостовых примесей ᴂ 0 , отбираемой с лютером из куба эпюрацион-ной колонны. При этом отбором этой примеси из её конденсатора будем пренебрегать. Тогда:
^ =---- L ■ x ----=--- 1 ---- (19)
L 0 • x 0 + Lan " xan 1 + эп • x w
L 0 x 0
Список литературы Эффекты очистки спирта от примесей в эпюрационных колоннах
- Цыганков П.С., Цыганков С.П. Руководство по ректификации спирта. М: Пищепромиздат, 2002. С. 380-381.
- Перелыгин В.М. Физико-химические основы расчёта и проектирования брагоректификационных аппаратов в спиртовой промышленности: автореф. дис. … докт. техн. наук. К.: МГТУ, 1971. 40 с.
- Пат. РФ №2277433, RU, B01D3/14 C12P7/06. Способ получения этанола/Перелыгин В.М., Никитина С.Ю., Моисеенко В.С., Дячкина А.Б. №2004118263/13; Заявл. 2004118263; Опубл. 10.01.2006, Бюлл. №16.
- Пат. РФ №2315108, RU, C12P7/06. Способ получения ректификованного спирта/Перелыгин В.М., Перелыгин С.В. №2006104764/13; Заявл. 2006104764; Опубл. 20.01.2008, Бюлл. №2
- Коган В.Б., Фридман В.М., Кафаров В.В. Равновесие между жидкостью и паром. М-Л: Наука, 1966. Т. 267-269, 272, 540, 541.
